基于砷濃度控制的原水優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)及應(yīng)用

沙 凈， 韓 珀， 祝丹丹， 王 鵬

(鄭州自來(lái)水投資控股有限公司，河南鄭州450013)

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基于砷濃度控制的原水優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)及應(yīng)用

沙 凈， 韓 珀， 祝丹丹， 王 鵬

(鄭州自來(lái)水投資控股有限公司，河南鄭州450013)

針對(duì)地下水源單井水質(zhì)砷、鐵、錳等指標(biāo)存在超標(biāo)問題，確立了原水監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案，構(gòu)建了原水井群監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)、水量、水壓的在線監(jiān)測(cè)，通過建立基于砷濃度控制的原水優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)，有效控制進(jìn)廠水砷低于30 μg/L，確保出廠水砷滿足國(guó)標(biāo)要求。

砷； 原水監(jiān)測(cè)； 優(yōu)化調(diào)配

北郊水源地位于花園口以東、黃河大堤內(nèi)外約84 km2的范圍內(nèi)，共有水源井72眼，設(shè)計(jì)供水量為20×104m3/d。近年來(lái)，通過對(duì)原水井群監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，單井水質(zhì)砷、鐵、錳等指標(biāo)存在超標(biāo)問題，進(jìn)廠水砷濃度需控制在30 μg/L以下才能保證出廠水砷濃度滿足國(guó)標(biāo)要求。而目前水廠原水調(diào)配主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法通過原水井群的合理組合調(diào)配有效控制進(jìn)廠水砷濃度，減輕水廠處理工藝負(fù)荷。同時(shí)，北郊水源地原水井無(wú)水質(zhì)、水量、水壓等在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，不能及時(shí)掌握原水水質(zhì)變化和水力狀況，也成為水廠原水優(yōu)化調(diào)配的制約因素。

1 原水井群監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置及監(jiān)控

1.1 原水監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置

北郊水源地原水井群分西區(qū)、東區(qū)兩部分，編號(hào)為A、B、C三種，其中A、B為淺層井(井深63.39～86.01 m)，C為深層井(井深281.75～354.5 m)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，淺層單井砷、鐵、錳等指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重。原水監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置選擇東區(qū)A9、A10、A11、A12、A15、A16、A19、A20、A21、A22、A24、A28、A30、A31、B20、B21等16眼原水井作為研究對(duì)象。

北郊水源地試驗(yàn)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選擇的主要原則是：在覆蓋整個(gè)配水網(wǎng)絡(luò)信息的前提下(即各污染源節(jié)點(diǎn)至少能被一個(gè)以上的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)檢測(cè)到)，使各污染源節(jié)點(diǎn)被檢測(cè)所需要的總體時(shí)間最短。綜合考慮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投資費(fèi)用和安全保護(hù)水平，以快速有效監(jiān)測(cè)、優(yōu)化調(diào)配為目標(biāo)，通過對(duì)原水輸配系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析與水力水質(zhì)的計(jì)算模擬，建立了監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置模型[1]。

Ti=min(t(t,j)·x(j))

j=1,2,…,n

j=1,2,…,n

根據(jù)北郊水源地實(shí)際情況、監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置模型和選址原則，初步確定試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案：在東、西區(qū)水源井入廠管線上布設(shè)砷濃度水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)、不同分支上選取A12、A28、A21、B21等4眼原水井布設(shè)流量在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)各水井原有老舊在線壓力傳感器、在線水位計(jì)、遠(yuǎn)傳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行更換改造，進(jìn)而建立北郊水源地原水井群監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)原水井群水質(zhì)、流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案見圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案Fig.1 The optimal location of monitoring points in test area

1.2 原水井群監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案，以D水廠調(diào)度室上位機(jī)的組態(tài)軟件為操作界面(其硬件基礎(chǔ)分為原水井監(jiān)測(cè)部分、PLC數(shù)據(jù)接收部分和數(shù)據(jù)無(wú)線遠(yuǎn)傳終端部分)，建立北郊水源地原水井群監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了鄭州北郊水源地東區(qū)原水井群進(jìn)廠水砷濃度、流量及壓力的在線監(jiān)測(cè)。

原水井群監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)控制單元(PLC)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊組成。數(shù)據(jù)采集單元主要由壓力液位和流量傳感器等部件組成，用于對(duì)原水井的工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)控制單元以可編程邏輯控制器(PLC)為主體，直接與數(shù)據(jù)采集單元相連接，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、匯總，并通過RS-232串口通信模塊將數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊收到PLC發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，把這些數(shù)據(jù)送至預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)中心的固定IP地址的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，通過端口映射轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。其中，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的過程為：數(shù)據(jù)送到中國(guó)電信CDMA網(wǎng)絡(luò)中，然后再經(jīng)過Internet，最后在數(shù)據(jù)中心通過ADSL進(jìn)行接收。CDMA通訊任務(wù)負(fù)責(zé)無(wú)差別的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)一旦運(yùn)行，CDMA通訊任務(wù)就開始通過AT指令登陸Internet網(wǎng)絡(luò)。由于G20模塊自帶TCP/IP協(xié)議棧，系統(tǒng)登陸Internet網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單，成功以后，CDMA通訊任務(wù)就建立了一條從終端設(shè)備到服務(wù)器的透明通訊鏈路，從而實(shí)現(xiàn)較快的數(shù)據(jù)交互。

調(diào)度室的上位機(jī)通過ADSL Modem接收來(lái)自源水井的PLC數(shù)據(jù)，并通過自行研發(fā)的組態(tài)軟件負(fù)責(zé)對(duì)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存和分析任務(wù)。組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)在邏輯上將應(yīng)用功能分為客戶顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層，其中客戶顯示層是為客戶提供應(yīng)用服務(wù)的圖形界面，有助于用戶理解和高效定位應(yīng)用服務(wù)；數(shù)據(jù)層是三層模式中的最底層，用來(lái)定義、維護(hù)、訪問和更新數(shù)據(jù)并管理和滿足應(yīng)用服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求；業(yè)務(wù)邏輯層封裝了與系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的應(yīng)用模型，并把客戶顯示層和數(shù)據(jù)層分開，促使了表示邏輯、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)訪問的分離。試驗(yàn)區(qū)原水井群在線監(jiān)控見圖2。

圖2 試驗(yàn)區(qū)原水井群在線監(jiān)控Fig.2 On-line monitoring system of water source in trial area

2 基于砷濃度控制的原水優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)及應(yīng)用

在實(shí)現(xiàn)原水井群砷濃度、流量、壓力等指標(biāo)在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，以各原水井供水量為決策變量，以各原水井供水混合后入廠處砷濃度最低、最大程度滿足實(shí)際配水需求、降低能耗為目標(biāo)，充分考慮各原水井砷濃度、實(shí)際供水能力以及輸配水系統(tǒng)其他實(shí)際需求等約束條件，構(gòu)建具有工況適應(yīng)性的多目標(biāo)原水優(yōu)化調(diào)配模型，采用遺傳算法與多目標(biāo)優(yōu)化算法相結(jié)合的優(yōu)化方法對(duì)調(diào)配模型進(jìn)行求解，開發(fā)出基于砷濃度控制的原水優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)[2]。利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)北郊水源地東區(qū)時(shí)、日用水量預(yù)測(cè)、各原水井砷濃度變化規(guī)律擬合、原水井群在線優(yōu)化調(diào)度及離線調(diào)度方案等功能。鄭州東區(qū)原水井群優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)見圖3。

2.1 北郊水源地東區(qū)用水量預(yù)測(cè)

(1)時(shí)用水量預(yù)測(cè)

以北郊水源地東區(qū)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)的各時(shí)段用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果不僅為東區(qū)水源井運(yùn)行管理提供依據(jù)，也為在線調(diào)度提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。北郊水源地東區(qū)某時(shí)用水量界面顯示見圖4，用水量預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。

圖3 東區(qū)原水井群優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)Fig.3 The optimal distribution system of well group in east area

圖4 時(shí)用水量預(yù)測(cè)Fig.4 Hourly water consumption forecast

m3·h-1

(2)日用水量預(yù)測(cè)

以北郊水源地試驗(yàn)區(qū)井群流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)每日的24個(gè)時(shí)段用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。D水廠北郊水源地某日用水量預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況見圖5。

2.2 原水井群砷濃度變化規(guī)律擬合

利用該系統(tǒng)可對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)16眼原水井及東區(qū)進(jìn)廠水砷濃度在線監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分析，完成進(jìn)廠水砷濃度變化規(guī)律模擬，并與實(shí)際出水砷濃度進(jìn)行擬合，為原水井群優(yōu)化組合調(diào)配提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。各單井及東區(qū)進(jìn)廠水砷濃度擬合曲線見圖6和圖7。

圖5 用水量預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of the predicted consumption with the measured consumption

砷/(μg·L-1)403020100101112月份a.A9井123456789砷/(μg·L-1)101112月份b.A10井123456789403020100101112月份c.A11井123456789砷/(μg·L-1)403020100403020100砷/(μg·L-1)101112月份d.A12井123456789砷/(μg·L-1)101112月份e.A15井12345678950403020100101112月份f.A16井12345678950403020100砷/(μg·L-1)砷/(μg·L-1)101112月份g.A19井123456789706050403020100月份h.A20井10111212345678950403020100砷/(μg·L-1)6050403020100101112月份i.A21井123456789砷/(μg·L-1)月份j.A22井1234567896050403020100砷/(μg·L-1)101112月份k.A24井101112123456789403020100砷/(μg·L-1)月份l.A28井101112123456789403020100砷/(μg·L-1)月份m.A30井30252015100砷/(μg·L-1)101112123456789月份n.A31井2520151050砷/(μg·L-1)101112123456789

圖7 東區(qū)進(jìn)廠水砷濃度擬合曲線Fig.7 As concentration fitting curve of inflow in east area

2.3 原水井群優(yōu)化組合調(diào)配計(jì)算

(1)在線調(diào)度

以當(dāng)前時(shí)段為基礎(chǔ)，對(duì)北郊水源地東區(qū)下一時(shí)段用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。以預(yù)測(cè)水量為依據(jù)，進(jìn)行在線調(diào)度。計(jì)算完成后，提供調(diào)度方案，用戶可根據(jù)砷濃度、供水能耗、流量吻合度及水泵效率等四項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)作出在線調(diào)度決策方案。某時(shí)段北郊水源地東區(qū)原水調(diào)配系統(tǒng)在線調(diào)度計(jì)算見圖8。

(2)離線調(diào)度

以當(dāng)日24個(gè)時(shí)段的預(yù)測(cè)水量為基礎(chǔ)，進(jìn)行北郊水源地東區(qū)離線調(diào)度計(jì)算，該計(jì)算結(jié)果可為東區(qū)每日的調(diào)度決策提供重要依據(jù)。北郊水源地東區(qū)原水調(diào)配系統(tǒng)離線調(diào)度方案和計(jì)算分別見圖9和表2。

圖8 北郊水源地東區(qū)某時(shí)段原水調(diào)配系統(tǒng)在線調(diào)度計(jì)算Fig.8 On-line raw water dispatching scheme of a certain period of time of water source east area in Northern Suburb

圖9 北郊水源地東區(qū)原水調(diào)配系統(tǒng)離線調(diào)度Fig.9 Off-line raw water dispatching scheme of water source east area in Northern Suburb

表2 北郊水源地東區(qū)原水調(diào)配系統(tǒng)離線調(diào)度計(jì)算

續(xù)表2 (Continue)

3 結(jié)論

① 在北郊水源地東區(qū)進(jìn)廠水管線處布設(shè)1個(gè)砷濃度在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)、原水井群優(yōu)化布設(shè)4個(gè)流量在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握試驗(yàn)區(qū)原水井群水質(zhì)、水力狀況，建立了北郊水源地原水井群監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，為原水優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

② 以綜合水質(zhì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)，構(gòu)建了綜合考慮供水水質(zhì)、供水安全性及經(jīng)濟(jì)性的基于砷濃度控制的原水優(yōu)化調(diào)配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于砷濃度控制的用水量預(yù)測(cè)、砷濃度變化規(guī)律擬合、原水優(yōu)化調(diào)配等功能，有效控制進(jìn)廠水砷濃度低于30 μg/L，并在北郊水源地東區(qū)原水井群調(diào)配、管理中進(jìn)行了應(yīng)用。

[1] 朱春鳳. 基于砷控制的原水系統(tǒng)組合智能優(yōu)化技術(shù)研究[D]. 青島：青島理工大學(xué)，2012.

[2] 董深. 基于水質(zhì)保障的供水系統(tǒng)智能優(yōu)化技術(shù)研究[D]. 青島：青島理工大學(xué)，2014.

Application of optimal distribution system of raw water based on the control of arsenic concentration

Sha Jing, Han Po, Zhu Dandan, Wang Peng

(ZhengzhouWaterSupplyInvestmentHoldingsCo.,Ltd.,Zhengzhou450013,China)

In view of the excess of arsenic, iron, manganese in well, which as the unique underground water source, the optimized location of monitoring points was determined. The monitoring network of raw water well group was established, and on-line monitoring of water quality, quantity and pressure was realized. The optimal raw water distribution system was established based on the control of arsenic concentration. The arsenic of inflow could be controlled to less than 30 μg/L effectively, and the arsenic concentration could meet the national standards in the outlfow.

arsenic; monitoring of raw water; optimal distribution

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07424-004)

TU991.11

A

1673-9353(2016)05-0006-06

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.002

沙 凈(1982- )， 女， 河南鄭州， 碩士， 工程師， 主要從事水處理技術(shù)研究工作。E-mail：shajing2008@163.com

2016-06-08