淺談智慧水務系統在效能提升中的分析與應用

李明君

上海安科瑞電氣股份有限公司   上海

摘要：以新塘鎮排水系統為例，結合廣州市建設國家新型智慧城市的戰略目標以及實現新塘鎮市政排水系統智慧化建設的需求，介紹了智慧水務在污水管網系統“擠外水、提濃度"以及在雨水系統防洪排澇預測中的應用。對污水管網系統管道水位、水質、流量和外水入侵情況進行在線實時監測，對提升污水廠運行效能有較大裨益，對雨水系統易澇點和外江水位進行實時監測和預警，構建城市內澇風險預警體系，避免災害發生，從而實現排水管網系統的運行和管理智能化、專業化和精細化。

關鍵詞：智慧水務；提質增效；排水系統；智能預警

0 引言

近年來，隨著信息技術的飛速發展，它已融入到各行各業。智慧水務就是通過互聯網技術與水務技術深度融合，使水務系統的管理和運行更加智能化、數據化、精細化。

水是生命之源，而隨著城市的發展水污染問題愈發嚴重，城市河涌、水系受到嚴重污染的情況屢見不鮮，水環境、水資源監管和治理成為城市發展迫切需要解決的問題。水質監測缺失或不及時、暴雨或洪澇災害預警不及時更是直接關系到國計民生的問題。而智慧水務能夠協調并及時、準確、地對此類問題進行監測和預警，構建城市暴雨監測、預報、內澇風險預警、災害評估等功能于一體的防控體系，為城市防汛減災提供堅實的技術保證。同時，智慧水務建設是推進城市管理智慧化、科學化的重要舉措，結合廣州市建設國家新型智慧城市的戰略總目標，新塘鎮加快智慧排水系統建設，發揮智慧水務在智慧城市建設中的示范效應。

1 工程概況

廣州市增城區新塘鎮鎮域面積為84.86km2，污水系統包括新塘和永和兩個系統，服務人口約65萬，其中新塘污水廠土建規模為15萬m3/d，永和污水廠土建規模為10萬m3/d，雨水管網總長544km，污水管總長696km，雨污合流管總長667km。鎮域有內澇點13個，污水泵站10個，防洪閘門9個。

2019年12月新塘鎮污水處理提質增效工程正式啟動，智慧水務建設屬于本工程的一個子項工程。新塘鎮智慧水務平臺集移動辦公、在線審批、過程監控、多級河長管理和公眾參與管理等多功能于一建設全流域管控一體、全鎮域聯動協作、全鎮資源共享的智慧管控平臺，通過“廠-網-河一體化，水務環境一體化"的建設模式[1]，實現“水質提升、防洪安全、云上護水"的建設目標。平臺軟件界面見圖 1。

圖1 平臺軟件界面

2 智慧水務建設內容

硬件設備安裝：本工程在污水管網各重要節點安裝液位計135個、水質取樣器4個和流量監測儀1個，實現污水系統實施監測。在雨水系統的排澇泵站、內澇點等處安裝電子水尺37個、雨量計5個和攝像頭11個、實現洪澇預警。

軟件平臺：主要包含排水設施一張圖、設施巡檢養護、廠站網河監測一張網、防澇應急調度、數據共享與集成、安全生產信息管理、排水設施數據管理和排水管網數據更新維護等模塊。

排水設施一張圖模塊：基于GIS將排水設施數據與地理信息數據、地圖數據集成，實現排水管網、污水處理廠、一體化處理設施、泵站、排水戶等的可視化以及設施的基礎信息查詢、統計、空間分析等功能，同時可疊加監測實時數據，將靜態地理數據與動態監測數據進行無縫結合，為污水廠、排水管網、泵站等監管業務提供實時數據支撐。實現研究范圍內所有排水設施靜態數據、動態監測數據、關鍵考核指標的一張圖展示，主要功能摸塊有：地圖管理、排水設施專題圖、隱患點專題圖、運營調度看板、管網問題智能診斷等。功能包含：排水設施圖層瀏覽、查詢、定位、追溯分析、實時定位、設施定位、地圖查詢、刪除等功能。

設施巡檢養護模塊：建設設施巡檢養護模塊，建立對納入養護計劃的設施建立統一的臺賬，實現排水管網設施養護業務的信息化管理，借助移動終端了解巡檢人員的巡檢軌跡和巡檢到位情況；通過設施狀態、參數等數據可掌握、分析設施運行情況。系統建設模塊包含人員管理模塊、問題臺賬、人員出勤監測、人員軌跡播放、設施統計、工單詳情等功能。

廠站網河監測一張網模塊：針對城市易澇點建設易澇點水位監測與視頻監控；在排水系統中布設排水管網水位、流量、水質監測儀器；在泵站及工業園區出口布設水質監測設備，實時感知排水管網運行情況，掌握易澇點水位、管網關鍵節點水位及流量、泵站及工業園區水質情況；支持設備基本信息、參數、位置信息管理，實現設備的動態更新管理。功能包括：監測數據查看、提質增效專題圖、監測設備預報警、液位之間關聯分析、液位雨量關聯分析、液位河道水位關聯分析、污水廠監測數據分析、易澇點液位情況分析。

防澇應急調度模塊：防澇應急調度模塊集成多部門數據，包括氣象、國土、水利、公安等部門數據，結合排水管理要素一張圖系統與排水設施運行狀態監測系統的應用，實現汛期前“應急預案制定"、汛情發生時的“執行預案、應急調度"、汛情結束后的“一雨一報"、“預案優化"、“澇情回顧"等綜合管理。結合移動APP與排水**儀的配套使用，可實現防澇工作人員及車輛、物資的綜合管理、結合水雨情分析提供在線快速調配的決策支持。功能包含：預警啟動、應急隊伍管理、值班管理、信息報送管理、事中報告、事后報告、應急預案管理和應急隊伍調度等功能。

數據共享與集成模塊：通過標準化接口方式實現與外部系統進行數據共享對接集成，項目將與廣州市增城區水務局對接，接入增城區已建河道水位的在線監測數據；與廣州市智慧排水系統對接，實現業務數據共享交換。

安全生產模塊：通過安全生產APP項目管理人員對項目安全情況進行核查，當管理人員發現安全隱患時可通過APP上傳安全隱患至系統提示相關項目工作人員盡快處理。本模塊功能包含：項目信息、消息推送、隱患排查治理、隱患上報、隱患處理、日常工作、培訓分析、學習培訓、個人中心和資料歸檔等功能。

摸清排水設施“家底"信息，將河涌信息、流域要素、入河排口、排水管網、實時在線水質監測等信息數據收集、整合[2]；新塘鎮智慧排水管理系統的建設，集成了PLC自控系統、水質監控系統、視頻監控系統、云端管理系統、防洪排澇模型等系統，同時新建控制室1座。

智慧水務平臺以數據為核心，包括數據采集、解析和展示，匯集數量眾多，品牌不一的監測設備到統一的平臺系統，讓管理者能夠清晰直觀地看到各種監測數據；以應用為目標，實現雨、污水管網信息實時在線監控，掌握、真實的監測信息、氣象信息，通過系統制定切實有效的應急措施并能快速啟動。

3 智慧水務應用

3.1污水系統提質增效

經過多年的建設，我國城鎮污水處理設施已基本實現全覆蓋，處理能力基本上可以滿足城鎮居民生活排水的處理需求。但排水管網不健全、不完善，管網質量差、運行不規范、養護不及時等導致出現污水收集率低下、污水處理廠進水濃度偏低等問題。為此，住房城鄉建設部等部委聯合印發了《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019~2021年)》，提出生活污水處理的由“數量增加"向“質量提升"轉變，挖掘提升生活污水收集處理設施的效能，要求實現城市生活污水集中收集率、污水廠進水BOD濃度“雙提高"的目標，保持和鞏固水環境整治、水生態改善的工作成效。本工程的實施同樣響應了“污水處理提質增效"的新要求。

本工程排水管網特點是：管網覆蓋面廣、長度較長，管網錯綜復雜；同時，由于新塘鎮地處東江北岸，水系發達，河涌遍布，地下水位較高，污水管網多次下穿河涌，污水管網較復雜接入點多且分散。

污水水質、水量和水位是污水的三個重要指標，均可通過在線設備進行實時監測。監測點的布置，從經濟性和可實施性角度出發，優先選取水量易發生波動節點、過河涌節點、支管接入主管等節點處設置監測設備。東江是珠江的支流，其每天會出現高、低潮水位，選取2021年12月實測東江水位變化曲線見圖2。

圖2實測東江水位波動曲線圖

由圖2智慧水務平臺監測到的東江潮汐水位變化范圍為-0.07~2.6m(1985國家高程系，余同)。本工程范圍內東江北岸地勢低洼，地面實際低標高為2.81~3.05m，不能夠滿足50a一遇的防洪排澇標準，存在水淹風險，并且于2020年5月22日暴雨期間被水淹，水淹深度為50~60cm，退水時間為3~4h。本工程在水力計算的基礎上提出新建排澇泵站的方案，終在東江與簍箕涌、西涌和甘涌交匯口處分別新建三座排澇泵站，解決了東江邊地勢低洼處雨季的防洪排澇問題。

根據智慧水務平臺監測數據顯示，隨著每天東江潮汐水位的波動，沿江路污水主管的液位呈同步正相關變化，數據選自2021年10月中下旬，見圖3。

圖3東江水位與污水管液位波動曲線圖

這說明有地下水入滲或江水倒灌至污水系統，同時水質監測數據顯示水質濃度與水位呈負相關變化，進一步佐證了有外水進入污水系統。

針對由于存在地下水入滲點和江水倒灌口導致污水管網“低濃度、高水位"的運行情況，采取分期實施的工程方案。近期以“擠外水"為主要目標，以截流井倒灌、雨污錯混接、管道缺陷、部分雨污分流為重點整治對象開展“清污分流"；遠期開展管網完善、源頭雨污分流改造、溢流污染控制等，建立長效機制，推進源頭治理，進一步改造優化污水收集處理系統，持續推進污水處理提質增效。12月8日外水點整治實施完畢后，沿江路污水主管的液位保持平穩，不再隨東江水位波動，實現了污水系統的良性平穩運行，見圖4。

圖4外水點整改后東江水位與污水管液位波動曲線圖

但12月21日降雨后，沿江路污水管液位快速上升甚至超過警戒及報警水位，說明沿江路污水管上游存在錯混接點，導致雨季大量雨水進入污水系統，需進一步向上游溯源并進行錯混接改造。

通過智慧水務設置的液位計在外江潮汐水位變化時監測到污水管液位的變化，發現大量的外水點，對新塘污水系統所有發現的江水倒灌點或入侵點進行整改，累計擠出外水量3.7萬m3/d，成效顯著，表現為新塘污水廠進廠污水水質濃度有明顯的提升，見圖5。

圖5新塘污水廠進廠COD濃度變化曲線圖

由圖5可知，項目實施后(2020年11月~2022年3月)新塘污水廠水質濃度有較為顯著的提升，各月COD均值為193.6mg/L；與項目實施前相比(2020年1月~2020年10月)各月COD均值為102mg/L，進廠C0D濃度提升89.8％。在擠出外水的同時，污水濃度進一步提升，實現了污水系統提質增效—“擠外水、提濃度"的建設目標。

3.2雨水系統內澇風險預警

內澇是指由于強降水或連續性降水超過城市排水能力致使城市內產生積水災害的現象。隨著城市化的快速發展，城市下墊面硬化面積逐年增加，下滲量減少，導致地表徑流量增加，大幅增加了城市的內澇風險，會造成嚴重的經濟損失，廣州市每年由于內澇造成的經濟損失可達數億元。

為解決洪澇災害采取了一系列措施，其中一項便是建設智慧水務內澇監測預警系統，該系統能夠實現對城區易澇及重要節點進行監測預警，采用多個雨量計，提高測雨的準確性，對可能或即將產生洪水災害的暴雨進行預警；對內澇現況和趨勢進行展示和渲染，當出現超標準洪水時，即進行預警并自動聯系布防人員現場處置。

2021年5月雨季，通過設置于新塘污水廠的雨量計監測，得到5月累計降雨為332mm，共15場雨，其中大雨5場，小雨10場，具體情況見圖6。

圖6新塘鎮污水處理廠降雨累計曲線圖

對于下沉隧道等監測的易澇點，通過監控視頻、電子水尺等實現實時監測，一旦積水深度超過設定數值即聯動LED顯示屏發布雨洪信息，并關閉道閘阻止行人及車輛進入，且可以聯動現場排水設備進行及時排水，避免和延緩城市內澇的發生。

同時，對泵站、閘門和污水廠進行信息化、智慧化改造和賦能，建成智慧泵站、智慧閘門和智慧污水廠，使其像人類一樣具有“智慧"，能夠“思考"，針對不同的運行工況和突發狀況能夠采取智慧化的應對措施。

新塘鎮太陽*內澇點是新塘鎮長期以來存在的內澇黑點，其地勢較低，地形坡度較大，現狀雨水口少難以滿足地面雨水收集的需要，且上游匯水面積較大為0.61km2。經水力計算復核，現狀d1650的雨水管僅能滿足重現期P=1a的排水需求。內澇情況表現為：小雨積水、大雨內澇，嚴重困擾了附近居民的日常生活，2021年5月31日暴雨期間，此處大水深為68cm(見圖7)，歷時2h才完*退水。

圖7**城內澇點改造前降雨曲線

針對***內澇點，采取的工程措施如下：對***上、下游雨水管網進行清淤、清障；現狀雨水管網存在較多結構病害，如異物穿入、變形和塌陷等，進行病害修復；新建橫截式雨水溝和雨水口，加強對雨季地面漫流雨水的收集；新建2×d1000雨水分流管對***上、下游雨水進行分流。改造實施完畢后，***可滿足重現期P=5a的排水標準。

在實施工程措施的同時，進行智慧化改造，安裝智慧排水監測和預警設備，現場安裝有電子水尺、雨量計、攝像頭和LED雨情預警顯示屏。

內澇點改造實施前，降雨重現期大于1a便會發生內澇，圖7降雨曲線所示，積水深為68cm。

內澇點改造實施完畢后，消除了***的內澇隱患，在暴雨期間積水深為6cm，并未發生內澇，見圖8。

圖8***內澇點改造后降雨曲線

4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

1.平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

2.平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

3.平臺拓撲圖

4.平臺子系統

4.1變電站綜合自動化系統及電力監控

對水務配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

4.2電能質量監測與治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

4.3電動機管理

馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和報警。準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

4.4能耗管理

為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過污水處理產量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/國家/**先進指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

4.5智能照明控制

系統為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到安全、節能的目的。

4.6電氣安全

4.6.1電氣火災監測

監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

4.6.2消防應急照明和疏散指示

根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。

4.6.3消防設備電源監測

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

4.6.4防火門監控系統

防火門監控系統集中控制其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門監控器能發出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.7環境監測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統，排除隱患，保持良好的水處理環境。

4.8分布式光伏監測

實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。

平臺結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。

4.9工藝仿真監控

平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常。

5 相關平臺部署硬件選型清單

1.電力監控、電能質量、電動機管理及配電室環境監控系統

6 結論

智慧水務在污水系統提質增效和雨水系統內澇風險預警方面有較大的應用空間。隨著信息技術在水務行業的滲透與發展，其對水務行業的影響日趨顯著,利用自控、感知、智能等技術手段提升城市排水系統管理水平受到越來越多的關注[3]。智慧水務是智慧城市的重要組成部分，它使排水管網系統的運行和管理更加智能化、專業化和精細化，在信息技術的加持下，大量的管網數據經收集和歸納被應用，對城市管網的規劃、建設和智慧城市的構建具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1]王亮.李文濤.張海飛.鄒東豪.智慧水務在市政排水系統效能提升中的應用[J].城市橋道與防洪，2023.

[2]王凱麗.小流域綜合整治案例簡析—以合肥市王建溝流域水質提升為例[J].中國市政工程，2020(5):38-41.

[3]王鱗.深圳市龍崗區智慧水務建設及總體規劃[J].節能，2021，40(3):75-77.

安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版

作者簡介

李明君，男，上海安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關及智慧水務系統研發工作；