0 引言

近年來，隨著信息技術的飛速發(fā)展，它已融入到各行各業(yè)。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(tǒng)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(fā)展水污染問題愈發(fā)嚴重，城市河涌、水系受到嚴重污染的情況屢見不鮮，水環(huán)境、水資源監(jiān)管和治理成為城市發(fā)展迫切需要解決的問題。水質監(jiān)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(jiān)測和預警，構建城市暴雨監(jiān)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(zhàn)略總目標，新塘鎮(zhèn)加快智慧排水系統(tǒng)建設，發(fā)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(qū)新塘鎮(zhèn)鎮(zhèn)域面積為84.86km2，污水系統(tǒng)包括新塘和永和兩個系統(tǒng)，服務人口約65萬，其中新塘污水廠土建規(guī)模為15萬m3/d，永和污水廠土建規(guī)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)智慧水務平臺集移動辦公、在線審批、過程監(jiān)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(zhèn)域聯動協作、全鎮(zhèn)資源共享的智慧管控平臺，通過“廠-網-河一體化，水務環(huán)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(jié)點安裝液位計135個、水質取樣器4個和流量監(jiān)測儀1個，實現污水系統(tǒng)實施監(jiān)測。在雨水系統(tǒng)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(yǎng)護、廠站網河監(jiān)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(tǒng)計、空間分析等功能，同時可疊加監(jiān)測實時數據，將靜態(tài)地理數據與動態(tài)監(jiān)測數據進行無縫結合，為污水廠、排水管網、泵站等監(jiān)管業(yè)務提供實時數據支撐。實現研究范圍內所有排水設施靜態(tài)數據、動態(tài)監(jiān)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(yǎng)護模塊：建設設施巡檢養(yǎng)護模塊，建立對納入養(yǎng)護計劃的設施建立統(tǒng)一的臺賬，實現排水管網設施養(yǎng)護業(yè)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(tài)、參數等數據可掌握、分析設施運行情況。系統(tǒng)建設模塊包含人員管理模塊、問題臺賬、人員出勤監(jiān)測、人員軌跡播放、設施統(tǒng)計、工單詳情等功能。

廠站網河監(jiān)測一張網模塊：針對城市易澇點建設易澇點水位監(jiān)測與視頻監(jiān)控；在排水系統(tǒng)中布設排水管網水位、流量、水質監(jiān)測儀器；在泵站及工業(yè)園區(qū)出口布設水質監(jiān)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(jié)點水位及流量、泵站及工業(yè)園區(qū)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(tài)更新管理。功能包括：監(jiān)測數據查看、提質增效專題圖、監(jiān)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(jiān)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(tǒng)與排水設施運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應用，實現汛期前“應急預案制定"、汛情發(fā)生時的“執(zhí)行預案、應急調度"、汛情結束后的“一雨一報"、“預案優(yōu)化"、“澇情回顧"等綜合管理。結合移動APP與排水的配套使用，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(tǒng)進行數據共享對接集成，項目將與廣州市增城區(qū)水務局對接，接入增城區(qū)已建河道水位的在線監(jiān)測數據；與廣州市智慧排水系統(tǒng)對接，實現業(yè)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(fā)現安全隱患時可通過APP上傳安全隱患至系統(tǒng)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(jiān)測等信息數據收集、整合[2]；新塘鎮(zhèn)智慧排水管理系統(tǒng)的建設，集成了PLC自控系統(tǒng)、水質監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、云端管理系統(tǒng)、防洪排澇模型等系統(tǒng)，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(jiān)測設備到統(tǒng)一的平臺系統(tǒng)，讓管理者能夠清晰直觀地看到各種監(jiān)測數據；以應用為目標，實現雨、污水管網信息實時在線監(jiān)控，掌握、真實的監(jiān)測信息、氣象信息，通過系統(tǒng)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(tǒng)提質增效

經過多年的建設，我國城鎮(zhèn)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(zhèn)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(guī)范、養(yǎng)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(xiāng)建設部等部委聯合印發(fā)了《城鎮(zhèn)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(huán)境整治、水生態(tài)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(zhèn)地處東江北岸，水系發(fā)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(jiān)測。監(jiān)測點的布置，從經濟性和可實施性角度出發(fā)，優(yōu)先選取水量易發(fā)生波動節(jié)點、過河涌節(jié)點、支管接入主管等節(jié)點處設置監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(tǒng)，同時水質監(jiān)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(tǒng)。

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(yōu)化污水收集處理系統(tǒng)，持續(xù)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(wěn)，不再隨東江水位波動，實現了污水系統(tǒng)的良性平穩(wěn)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(tǒng)，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(jiān)測到污水管液位的變化，發(fā)現大量的外水點，對新塘污水系統(tǒng)所有發(fā)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(tǒng)提質增效—“擠外水、提濃度"的建設目標。

3.2雨水系統(tǒng)內澇風險預警

內澇是指由于強降水或連續(xù)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(fā)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(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現對城區(qū)易澇及重要節(jié)點進行監(jiān)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(jiān)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(zhèn)污水處理廠降雨累計曲線圖

對于下沉隧道等監(jiān)測的易澇點，通過監(jiān)控視頻、電子水尺等實現實時監(jiān)測，一旦積水深度超過設定數值即聯動LED顯示屏發(fā)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(fā)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(fā)狀況能夠采取智慧化的應對措施。

新塘鎮(zhèn)城內澇點是新塘鎮(zhèn)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才退水。

圖7城內澇點改造前降雨曲線

針對城內澇點，采取的工程措施如下：對城上、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，城可滿足重現期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(jiān)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(fā)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，消除了城的內澇隱患，在暴雨期間積水深為6cm，并未發(fā)生內澇，見圖8。

圖8城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(tài)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(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)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(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、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(tǒng)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(tǒng)

4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)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(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、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(jiān)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(qū)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(huán)節(jié)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(huán)比、對標等。通過污水處理產量以及系統(tǒng)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(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)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(tǒng)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(qū)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(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

4.6電氣安全

4.6.1電氣火災監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)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(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數據，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

4.6.3消防設備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

4.6.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)

防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)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(huán)境監(jiān)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(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)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(tài)，逆變器運行監(jiān)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(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數據。

平臺結合廠區(qū)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(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)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(tài)。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(jiān)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(jiān)控、電能質量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

6 結論

智慧水務在污水系統(tǒng)提質增效和雨水系統(tǒng)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(yè)的滲透與發(fā)展，其對水務行業(yè)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(tǒng)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(tǒng)的運行和管理更加智能化、專業(yè)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(guī)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(tǒng)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(qū)智慧水務建設及總體規(guī)劃[J].節(jié)能，2021，40(3):75-77.

1. 安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版