基于砷濃度控制的原水優化調配系統及應用

沙 凈， 韓 珀， 祝丹丹， 王 鵬

(鄭州自來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化調配系統及應用

沙 凈， 韓 珀， 祝丹丹， 王 鵬

(鄭州自來水投資控股有限公司，河南鄭州450013)

針對地下水源單井水質砷、鐵、錳等指標存在超標問題，確立了原水監測點布置方案，構建了原水井群監控網絡，實現水質、水量、水壓的在線監測，通過建立基于砷濃度控制的原水優化調配系統，有效控制進廠水砷低于30 μg/L，確保出廠水砷滿足國標要求。

砷； 原水監測； 優化調配

北郊水源地位于花園口以東、黃河大堤內外約84 km2的范圍內，共有水源井72眼，設計供水量為20×104m3/d。近年來，通過對原水井群監測發現，單井水質砷、鐵、錳等指標存在超標問題，進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標要求。而目前水廠原水調配主要依靠人工經驗，無法通過原水井群的合理組合調配有效控制進廠水砷濃度，減輕水廠處理工藝負荷。同時，北郊水源地原水井無水質、水量、水壓等在線監測設備，不能及時掌握原水水質變化和水力狀況，也成為水廠原水優化調配的制約因素。

1 原水井群監測點優化布置及監控

1.1 原水監測點優化布置

北郊水源地原水井群分西區、東區兩部分，編號為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)。根據歷史數據分析，淺層單井砷、鐵、錳等指標超標嚴重。原水監測點優化布置選擇東區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象。

北郊水源地試驗區內監測站點選擇的主要原則是：在覆蓋整個配水網絡信息的前提下(即各污染源節點至少能被一個以上的監測站點檢測到)，使各污染源節點被檢測所需要的總體時間最短。綜合考慮監測系統投資費用和安全保護水平，以快速有效監測、優化調配為目標，通過對原水輸配系統進行實驗分析與水力水質的計算模擬，建立了監測點優化布置模型[1]。

Ti=min(t(t,j)·x(j))

j=1,2,…,n

j=1,2,…,n

根據北郊水源地實際情況、監測點優化布置模型和選址原則，初步確定試驗區監測點布置方案：在東、西區水源井入廠管線上布設砷濃度水質在線監測點、不同分支上選取A12、A28、A21、B21等4眼原水井布設流量在線監測點，并在此基礎上，對各水井原有老舊在線壓力傳感器、在線水位計、遠傳網絡系統進行更換改造，進而建立北郊水源地原水井群監控網絡。試驗區內原水井群水質、流量監測點布置方案見圖1。

圖1 試驗區監測點布置方案Fig.1 The optimal location of monitoring points in test area

1.2 原水井群監控網絡構建

根據試驗區監測點布置方案，以D水廠調度室上位機的組態軟件為操作界面(其硬件基礎分為原水井監測部分、PLC數據接收部分和數據無線遠傳終端部分)，建立北郊水源地原水井群監控網絡，實現了鄭州北郊水源地東區原水井群進廠水砷濃度、流量及壓力的在線監測。

原水井群監控系統由數據采集單元、數據控制單元(PLC)和數據遠傳模塊組成。數據采集單元主要由壓力液位和流量傳感器等部件組成，用于對原水井的工作參數進行實時監測；數據控制單元以可編程邏輯控制器(PLC)為主體，直接與數據采集單元相連接，對測量的數據進行分析、存儲、匯總，并通過RS-232串口通信模塊將數據送往數據遠傳模塊；數據遠傳模塊收到PLC發來的數據后，把這些數據送至預先設定的數據中心的固定IP地址的網絡服務器中，通過端口映射轉發到數據中心服務器。其中，數據遠傳模塊發送數據的過程為：數據送到中國電信CDMA網絡中，然后再經過Internet，最后在數據中心通過ADSL進行接收。CDMA通訊任務負責無差別的數據傳輸，系統一旦運行，CDMA通訊任務就開始通過AT指令登陸Internet網絡。由于G20模塊自帶TCP/IP協議棧，系統登陸Internet網絡相對簡單，成功以后，CDMA通訊任務就建立了一條從終端設備到服務器的透明通訊鏈路，從而實現較快的數據交互。

調度室的上位機通過ADSL Modem接收來自源水井的PLC數據，并通過自行研發的組態軟件負責對遠傳數據進行顯示、儲存和分析任務。組態軟件結構在邏輯上將應用功能分為客戶顯示層、業務邏輯層、數據層，其中客戶顯示層是為客戶提供應用服務的圖形界面，有助于用戶理解和高效定位應用服務；數據層是三層模式中的最底層，用來定義、維護、訪問和更新數據并管理和滿足應用服務對數據的請求；業務邏輯層封裝了與系統關聯的應用模型，并把客戶顯示層和數據層分開，促使了表示邏輯、業務邏輯和數據庫存儲訪問的分離。試驗區原水井群在線監控見圖2。

圖2 試驗區原水井群在線監控Fig.2 On-line monitoring system of water source in trial area

2 基于砷濃度控制的原水優化調配系統及應用

在實現原水井群砷濃度、流量、壓力等指標在線監測的基礎上，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、最大程度滿足實際配水需求、降低能耗為目標，充分考慮各原水井砷濃度、實際供水能力以及輸配水系統其他實際需求等約束條件，構建具有工況適應性的多目標原水優化調配模型，采用遺傳算法與多目標優化算法相結合的優化方法對調配模型進行求解，開發出基于砷濃度控制的原水優化調配系統[2]。利用該系統可實現北郊水源地東區時、日用水量預測、各原水井砷濃度變化規律擬合、原水井群在線優化調度及離線調度方案等功能。鄭州東區原水井群優化調配系統見圖3。

2.1 北郊水源地東區用水量預測

(1)時用水量預測

以北郊水源地東區流量實時監測數據為基礎，對設定時間范圍內的各時段用水量進行預測，預測結果不僅為東區水源井運行管理提供依據，也為在線調度提供必要的數據基礎。北郊水源地東區某時用水量界面顯示見圖4，用水量預測結果見表1。

圖3 東區原水井群優化調配系統Fig.3 The optimal distribution system of well group in east area

圖4 時用水量預測Fig.4 Hourly water consumption forecast

m3·h-1

(2)日用水量預測

以北郊水源地試驗區井群流量實時監測數據為基礎，對設定時間范圍內每日的24個時段用水量進行預測，并與實測結果進行對比。D水廠北郊水源地某日用水量預測結果與實測結果對比情況見圖5。

2.2 原水井群砷濃度變化規律擬合

利用該系統可對試驗區內16眼原水井及東區進廠水砷濃度在線監測，對數據實時采集和分析，完成進廠水砷濃度變化規律模擬，并與實際出水砷濃度進行擬合，為原水井群優化組合調配提供了數據基礎和現實依據。各單井及東區進廠水砷濃度擬合曲線見圖6和圖7。

圖5 用水量預測結果與實測結果對比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 東區進廠水砷濃度擬合曲線Fig.7 As concentration fitting curve of inflow in east area

2.3 原水井群優化組合調配計算

(1)在線調度

以當前時段為基礎，對北郊水源地東區下一時段用水量進行預測。以預測水量為依據，進行在線調度。計算完成后，提供調度方案，用戶可根據砷濃度、供水能耗、流量吻合度及水泵效率等四項評估指標作出在線調度決策方案。某時段北郊水源地東區原水調配系統在線調度計算見圖8。

(2)離線調度

以當日24個時段的預測水量為基礎，進行北郊水源地東區離線調度計算，該計算結果可為東區每日的調度決策提供重要依據。北郊水源地東區原水調配系統離線調度方案和計算分別見圖9和表2。

圖8 北郊水源地東區某時段原水調配系統在線調度計算Fig.8 On-line raw water dispatching scheme of a certain period of time of water source east area in Northern Suburb

圖9 北郊水源地東區原水調配系統離線調度Fig.9 Off-line raw water dispatching scheme of water source east area in Northern Suburb

表2 北郊水源地東區原水調配系統離線調度計算

續表2 (Continue)

3 結論

① 在北郊水源地東區進廠水管線處布設1個砷濃度在線監測點、原水井群優化布設4個流量在線監測點，及時、準確地掌握試驗區原水井群水質、水力狀況，建立了北郊水源地原水井群監控網絡，為原水優化調配系統提供了必要的數據基礎。

② 以綜合水質指標和經濟指標為目標，構建了綜合考慮供水水質、供水安全性及經濟性的基于砷濃度控制的原水優化調配系統，實現了基于砷濃度控制的用水量預測、砷濃度變化規律擬合、原水優化調配等功能，有效控制進廠水砷濃度低于30 μg/L，并在北郊水源地東區原水井群調配、管理中進行了應用。

[1] 朱春鳳. 基于砷控制的原水系統組合智能優化技術研究[D]. 青島：青島理工大學，2012.

[2] 董深. 基于水質保障的供水系統智能優化技術研究[D]. 青島：青島理工大學，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

國家水體污染控制與治理科技重大專項(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研究工作。E-mail：shajing2008@163.com

2016-06-08