常山縣農(nóng)村飲用水水質(zhì)在線監(jiān)測及自動(dòng)管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李釗寶，胡正松，金浪濱，蘭昱佳，余天涯，嚴(yán) 威，馮 蕾，王 濤，朱奕鑫，白東東，余 磊

（1.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.常山縣農(nóng)村水利管理中心，浙江 常山 324200；3.常山縣水務(wù)發(fā)展投資有限公司，浙江 常山 324200；4.平湖市水利局，浙江 平湖 314200）

1 問題的提出

我國傳統(tǒng)的農(nóng)村飲用水規(guī)模較小、設(shè)施簡陋、點(diǎn)位分散、供水工藝及管理方式相對(duì)落后，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)飲用水安全的要求越來越高。國際上，日本在2005年供水覆蓋范圍已經(jīng)從戰(zhàn)前的30%發(fā)展到95%，但是自2000年以來，投資減少、維修費(fèi)用增加，而小型供水設(shè)施數(shù)量較大，因此面臨管理成本高、人力缺乏等問題。韓國1997年制定中小城市供水中長期投資計(jì)劃，加大供水設(shè)施投入，供水率提高到70%。美國約有11 000個(gè)農(nóng)村社區(qū)飲用水供給系統(tǒng)，建立較為完善的飲用水管理制度，從源頭上加大投入保證原水質(zhì)量[1]。借鑒國內(nèi)外農(nóng)村供水經(jīng)驗(yàn)，浙江省加大農(nóng)村供水投入力度，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)集中供水工程，借助信息化技術(shù)加強(qiáng)農(nóng)村飲用水的信息化管理。

為提高農(nóng)村飲用水管理及安全水平，浙江省人民政府辦公廳2016年發(fā)布《關(guān)于全面推行水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的意見》，農(nóng)村供水工程也在水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理范圍內(nèi)。2018年浙江省人民政府辦公廳針對(duì)農(nóng)村飲用水工程發(fā)布《浙江省農(nóng)村飲用水達(dá)標(biāo)提標(biāo)行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020年）》，對(duì)農(nóng)村飲用水提出專項(xiàng)要求。

常山縣農(nóng)村飲用水達(dá)標(biāo)提標(biāo)項(xiàng)目總投資4.5億元，改善和提升全縣149個(gè)村、22.1萬人口的飲用水條件。全縣農(nóng)村飲用水達(dá)標(biāo)人口覆蓋率達(dá)95%，農(nóng)村供水工程供水保證率達(dá)95%以上，農(nóng)村供水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率達(dá)90%以上，全縣規(guī)?；┧こ蹋ê鞘泄芫W(wǎng)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工程）覆蓋人口比例達(dá)到80%。建立健全縣級(jí)統(tǒng)管長效管理機(jī)制，基本建成規(guī)?；┧?biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、專業(yè)化管理的農(nóng)村飲用水體系。

為響應(yīng)“全面推行水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理”[2]以及“農(nóng)村飲用水達(dá)標(biāo)提標(biāo)行動(dòng)”[3]中提出的推進(jìn)工程信息化管理要求，實(shí)現(xiàn)工程管理信息化和精細(xì)化，提高工程管理效率，結(jié)合常山縣農(nóng)村飲用水工程的建設(shè)現(xiàn)狀，進(jìn)行農(nóng)村飲用水工程信息化管理系統(tǒng)建設(shè)，提升常山縣農(nóng)村飲用水工程管理自動(dòng)化、信息化水平[4]，提高飲用水工程安全保障水平、監(jiān)管水平和制水管理水平，實(shí)現(xiàn)工程信息化管理。

2 常山縣農(nóng)村飲用水供水站工藝現(xiàn)狀

涉及自動(dòng)管控系統(tǒng)建設(shè)的常山縣農(nóng)村飲用水供水站共計(jì)47座，包括重力式、壓力式和膜處理3種工藝類型。

重力式設(shè)備主要特點(diǎn)是通過設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗（見圖1）。當(dāng)砂濾設(shè)備的砂濾層因附著物過多導(dǎo)致滲透率降低到一定程度時(shí)，通過管道Q1形成的虹吸作用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗。重力式設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低；缺點(diǎn)是受進(jìn)水量影響較大，水量較大時(shí)容易溢出，水量較小時(shí)無法自動(dòng)形成反沖洗，或者形成反沖洗后無法中斷反沖洗，反沖洗過程不受人為管控。

圖1 重力式供水設(shè)備工藝流程示意圖

壓力式設(shè)備通過對(duì)7個(gè)閥門的管控，實(shí)現(xiàn)制水流程和正洗、反洗以及排泥等流程的切換（見圖2）。設(shè)備成本相對(duì)較高，但是由于制水流程和正洗、反洗流程受人為管控，制水效果較好。

圖2 壓力式供水設(shè)備工藝流程示意圖

膜處理一體化設(shè)備主要通過反滲透方式保證出水水質(zhì)，制水效果較好，造價(jià)最高（見圖3）。本項(xiàng)目僅對(duì)此設(shè)備進(jìn)行進(jìn)水水質(zhì)和出水水質(zhì)的在線監(jiān)測。

圖3 膜處理一體化供水設(shè)備工藝流程示意圖

常山縣農(nóng)村供水站與其他農(nóng)村供水站具有相同的特點(diǎn)：數(shù)量多、規(guī)模小、點(diǎn)位散[5]。根據(jù)常山縣農(nóng)飲水各供水站制水量和原水水質(zhì)情況，配置重力式站點(diǎn)29座，壓力式站點(diǎn)13座，膜處理一體化站點(diǎn)8座，制水能力為50~300 t/d。絮凝劑為聚合氯化鋁，溶液濃度約1.0%，通過聚合氯化鋁溶液稀釋制備。消毒劑為次氯酸鈉，通過現(xiàn)場的次氯酸鈉發(fā)生器制備產(chǎn)生，濃度為0.2%~0.4%。由于各站點(diǎn)原水pH值都在要求范圍內(nèi)，本項(xiàng)目僅檢測出水pH值并上傳，在上位機(jī)設(shè)定預(yù)警值，未對(duì)原水pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。原水多為山間溪水，水量及水質(zhì)受雨季、旱季影響較大。自動(dòng)管控系統(tǒng)建設(shè)之前，供水站由管理員巡查管理，藥劑投加方式為固定量投加，存在管理單位投入大、工作量大、無法及時(shí)掌握水站工作狀態(tài)、在原水水量和水質(zhì)變化時(shí)無法控制加藥量等諸多弊端。

3 常山縣農(nóng)村飲用水水質(zhì)在線監(jiān)測及自動(dòng)管控系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.1.1 實(shí)現(xiàn)供水站點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行及遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過對(duì)供水站點(diǎn)凈水設(shè)備的自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)凈水設(shè)備自動(dòng)制水、自動(dòng)正洗、反洗，并實(shí)時(shí)監(jiān)測凈水設(shè)備運(yùn)行狀況。同時(shí)，通過信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，將各供水站點(diǎn)的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)上傳至中控室，實(shí)現(xiàn)供水站點(diǎn)集中管控，降低管理成本，提高管理水平及運(yùn)行效率。

3.1.2 實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測及遠(yuǎn)程監(jiān)管

通過安裝流量計(jì)、進(jìn)水和出水水質(zhì)監(jiān)測儀表，實(shí)現(xiàn)水量，進(jìn)水濁度、pH值，出水余氯、濁度和pH值的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過水質(zhì)以及水量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，調(diào)節(jié)藥劑投加量，實(shí)現(xiàn)藥劑精細(xì)化投加，保證出水水質(zhì)。水質(zhì)及水量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至中控室和監(jiān)管平臺(tái)，為統(tǒng)一監(jiān)管和調(diào)度提供決策依據(jù)。

3.1.3 實(shí)現(xiàn)工程重要部位安全保衛(wèi)及視頻監(jiān)視

增加視頻監(jiān)視點(diǎn)，實(shí)時(shí)掌握水源地、提水泵房、清水池以及供水站等重要安保部位的現(xiàn)場情況，實(shí)現(xiàn)7 d×24 h不間斷遠(yuǎn)程監(jiān)控，確保現(xiàn)場設(shè)備及水源安全。

3.1.4 全面推進(jìn)水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理

隨著水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的推進(jìn)，上級(jí)部門對(duì)信息化及標(biāo)準(zhǔn)化要求的提高，實(shí)現(xiàn)常山縣農(nóng)村飲用水供水站點(diǎn)管理的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

供水站自動(dòng)管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 供水站自動(dòng)管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

按照浙江省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理和農(nóng)村飲用水達(dá)標(biāo)提標(biāo)行動(dòng)計(jì)劃的總體要求，系統(tǒng)劃分為水質(zhì)在線監(jiān)測及自動(dòng)化管控系統(tǒng)和供水站視頻監(jiān)視系統(tǒng)2部分。水質(zhì)在線監(jiān)測及自動(dòng)管控系統(tǒng)由現(xiàn)地管控層和遠(yuǎn)程調(diào)度管控層組成[5]。

現(xiàn)地管控層設(shè)備設(shè)置在各供水站，主要為現(xiàn)地管控單元LCU柜，內(nèi)設(shè)PLC等多種智能化設(shè)備，能自動(dòng)收集有關(guān)信息，執(zhí)行相關(guān)程序，并作相應(yīng)處理和存儲(chǔ)，可以接受遠(yuǎn)程調(diào)度管控層的指令。LCU柜采集供水站運(yùn)行監(jiān)測信號(hào)、手動(dòng)控制柜及重要設(shè)備管控信號(hào)，由PLC邏輯判斷實(shí)現(xiàn)供水站供水及制水。監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議為工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP），PLC配置以太網(wǎng)通信接口。該層還包括電氣二次控制回路，控制功能簡單有效，作為系統(tǒng)的備用操作手段，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)一步提供保障。

遠(yuǎn)程調(diào)度控制層是供水站工程的實(shí)時(shí)監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)完成農(nóng)村供水工程和供水站主要設(shè)備重要參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，并發(fā)送控制命令。該層還可以完成信息顯示、分析、處理、提煉、記錄等復(fù)雜功能。遠(yuǎn)程調(diào)度控制層由布置在監(jiān)控中心的工控機(jī)、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成，遠(yuǎn)程控制由工作站操作員完成。現(xiàn)場控制設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機(jī)，將現(xiàn)地控制層的各設(shè)備信號(hào)反饋至操作員工作站，實(shí)現(xiàn)農(nóng)飲水管理服務(wù)中心對(duì)供水站各設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

供水站視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要對(duì)供水工程中重要區(qū)域和設(shè)備的情況進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)視，對(duì)工程現(xiàn)場狀況進(jìn)行定期巡視及安全保衛(wèi)。系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)視場景進(jìn)行錄像，便于進(jìn)行事故分析，并可通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將圖像信息傳輸至監(jiān)控中心視頻監(jiān)視設(shè)備，為供水站的運(yùn)行管控提供圖像信息依據(jù)。

3.3 供水站水質(zhì)在線監(jiān)測及自動(dòng)管控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)地管控層充分考慮常山縣農(nóng)飲水供水站的環(huán)境條件，現(xiàn)地控制單元中增加穩(wěn)壓電源，避免農(nóng)村山林中供電電壓不穩(wěn)對(duì)系統(tǒng)的影響；在水位計(jì)、水質(zhì)儀表信號(hào)傳輸線路中加入信號(hào)隔離器以減少雷擊和電源不穩(wěn)對(duì)設(shè)備造成的損壞；針對(duì)雨季站點(diǎn)內(nèi)濕度大的問題，一方面加強(qiáng)站點(diǎn)內(nèi)通風(fēng)，另一方面對(duì)水質(zhì)監(jiān)測儀表、計(jì)量泵、LCU柜等采取密封、除濕等防潮措施，解決室內(nèi)濕度大對(duì)系統(tǒng)的影響。自動(dòng)管控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元有手動(dòng)制水和自動(dòng)制水2種模式，實(shí)現(xiàn)正常狀態(tài)自動(dòng)制水和異常情況手動(dòng)制水?，F(xiàn)地控制單元實(shí)現(xiàn)水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)采集及顯示，實(shí)現(xiàn)制水系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)視及狀態(tài)報(bào)警等功能。供水站自動(dòng)管控系統(tǒng)觸摸屏控制界面見圖5。

圖5 供水站自動(dòng)管控系統(tǒng)觸摸屏控制界面圖

農(nóng)村飲用水自動(dòng)管控系統(tǒng)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)各供水站制水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)報(bào)警、操作記錄、歷史報(bào)警、水質(zhì)記錄等模塊組成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊集中顯示47座供水站的運(yùn)行狀態(tài)及制水過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如制水時(shí)間、當(dāng)前流量、藥劑投加量、進(jìn)水及出水水質(zhì)數(shù)據(jù)等；實(shí)時(shí)報(bào)警模塊集中顯示各供水站點(diǎn)的報(bào)警信息，如藥桶缺藥、制水異常、儀表故障等；操作記錄、歷史報(bào)警及水質(zhì)記錄模塊提供故障信息、操作記錄、水質(zhì)數(shù)據(jù)等歷史信息的查詢并自動(dòng)生成管理表格。

4 常山縣農(nóng)村飲用水關(guān)鍵問題探討

4.1 水源地對(duì)供水站自動(dòng)管控系統(tǒng)的影響

由于一部分供水站水源為山間溪水，受雨季和旱季影響，自流水的流量不穩(wěn)定，雨季濁度較高。重力式設(shè)備水量過小時(shí)無法自動(dòng)反沖洗，需要增加原水增壓泵，保證重力式凈水系統(tǒng)進(jìn)水流量的穩(wěn)定性。由于水站內(nèi)夏天濕度大，需一方面加強(qiáng)水站通風(fēng)，另一方面改善儀表設(shè)備的密封性。

4.2 出水水質(zhì)監(jiān)測取樣位置的影響

次氯酸鈉投加點(diǎn)及水質(zhì)監(jiān)測取樣點(diǎn)見圖6，投加點(diǎn)為1、2、3，取樣點(diǎn)為A、B、C。 A點(diǎn)余氯信號(hào)實(shí)時(shí)反饋性強(qiáng)，但容易受投加點(diǎn)影響，當(dāng)次氯酸鈉混合不充分、反應(yīng)時(shí)間不充足時(shí)，余氯數(shù)值變化較大。C點(diǎn)位于出廠水管道上，能夠較好反映出廠水的水質(zhì)，但是余氯信號(hào)反饋實(shí)時(shí)性較差，由于是間歇性制水，無法實(shí)時(shí)反饋并控制加藥量。本系統(tǒng)選擇B點(diǎn)為水質(zhì)監(jiān)測取樣點(diǎn)，通過浮動(dòng)取水裝置采集水面以下0.5 m處（出水口以上）的水樣，既能較好反映出水水質(zhì)，又能通過余氯反饋信號(hào)及時(shí)調(diào)整次氯酸鈉投加量。

圖6 次氯酸鈉投加點(diǎn)及水質(zhì)監(jiān)測取樣點(diǎn)圖

4.3 絮凝劑及次氯酸鈉的精細(xì)化投加模型

由于農(nóng)村供水系統(tǒng)受水源等環(huán)境影響較大，為保證藥劑投加系統(tǒng)的可靠性，自動(dòng)管控系統(tǒng)藥劑投加采用預(yù)投加、調(diào)節(jié)投加和固定投加相結(jié)合的方式，根據(jù)進(jìn)水量大小限定藥劑投加范圍，運(yùn)用水質(zhì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化投加（見圖7）。既保證出水水質(zhì)不受流量影響，又避免藥劑流量過小時(shí)的過量投加。固定投加模式通過對(duì)水質(zhì)儀表進(jìn)行自檢，防止儀表異常數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤反饋，結(jié)合歷史水量給出投加量。預(yù)投加是水質(zhì)儀表啟動(dòng)后正常工作前（約為15 min）通過判斷水量數(shù)據(jù)給出投加量。

圖7 絮凝劑及次氯酸鈉的精細(xì)化投加模型圖

絮凝劑自動(dòng)投加模型：為保證出廠水濁度小于1.0 NTU且鋁離子含量不超過0.2 mg/L（GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》），當(dāng)進(jìn)水濁度小于1.0 NTU時(shí)，不投加；進(jìn)水濁度為1.0~1.5 NTU時(shí)，投加0.10 L/m3；進(jìn)水濁度為1.5~3.0 NTU時(shí)，投加0.15 L/m3；進(jìn)水濁度大于10.0 NTU時(shí)投加0.30 L/m3。

次氯酸鈉自動(dòng)投加模型：GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定出廠水中余氯量≥0.3 mg/L。為保證農(nóng)村飲用水的口感，避免余氯味道太大，本項(xiàng)目出廠水余氯范圍控制在0.3~0.7 mg/L?？紤]到余氯在制水系統(tǒng)及清水池中的損耗，余氯目標(biāo)值為0.5 mg/L，余氯過低時(shí)加大次氯酸鈉投加量，余氯過高時(shí)減少投加量。根據(jù)水量設(shè)定次氯酸鈉投加限值，進(jìn)水量小于1.5 t/h時(shí)，投加量不超過0.5 L/h；進(jìn)水量為1.5~4.0 t/h時(shí)，投加量不超過1.0 L/h；進(jìn)水量為4.0~8.0 t/h時(shí)，投加量不超過2.0 L/h；進(jìn)水量為8.0~12.0 t/h時(shí)，投加量不超過3.0 L/h；進(jìn)水量為12.0~20.0 t/h時(shí)，投加量不超過4.5 L/h；進(jìn)水量為20.0~30.0 t/h時(shí)，投加量不超過5.5 L/h。

4.4 自動(dòng)化管控系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障措施

硬件系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)之上增加冗余設(shè)計(jì)，正常情況下清水池液位信號(hào)采用壓力式水位計(jì)，水位計(jì)出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)可立刻切換至浮球工作狀態(tài)；絮凝劑加藥桶增加浮球設(shè)置低液位報(bào)警，超低液位停機(jī)等保護(hù)措施；電動(dòng)蝶閥動(dòng)作后，規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有全開/全關(guān)反饋信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)停止動(dòng)作，上報(bào)錯(cuò)誤信息；儀表（進(jìn)/出水水質(zhì)監(jiān)測儀表、流量計(jì)、液位計(jì)）工作時(shí)進(jìn)行自檢；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)絮凝劑和次氯酸鈉設(shè)定最大投加值，避免過量投加。

5 結(jié) 語

常山縣農(nóng)飲水自動(dòng)管控系統(tǒng)充分考慮環(huán)境的復(fù)雜性，從硬件上加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，創(chuàng)新地采用藥劑預(yù)投加、固定投加、調(diào)節(jié)投加模式，很好地解決季節(jié)性水量變化大、原水水質(zhì)變化不確定對(duì)制水系統(tǒng)的影響。自動(dòng)管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水系統(tǒng)的自動(dòng)制水、自動(dòng)精細(xì)化藥劑投加，實(shí)現(xiàn)制水狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及無人值守，具有一定的推廣意義和借鑒價(jià)值。