城鄉供水一體化運行調度平臺建設的探索與實踐

董鴻波

(天津市自來水集團靜海水務有限公司，天津301600)

1 應用背景

按照國家農村飲水安全鞏固提升工程部署要求，實現中央提出的到2020年全面建成小康社會、確保貧困地區如期脫貧目標，在“十三五”期間，全國通過實施農村飲水安全鞏固提升工程，切實解決了農村飲水安全問題。尤其是在經濟較發達地區，地方政府與城市大型水務企業共同出資，統一城鄉供水規劃，加快農村地區供水廠網建設，基本形成城鄉供水“一張網”，歷史性地實現了農村居民和城市居民在水質、水壓和服務等關鍵供水指標方面的均等化。

然而，隨著城鄉供水一體化的推進，城市供水管網向農村快速延伸，原先使用地下水的農村集中供水站并入城市供水管網，使城市供水企業的加壓泵站調度和輸配水管網的運行面臨諸多挑戰。供水量直線上升導致原水非常緊張，在這一狀態下，如何更好地保證各加壓泵站合理調度調整水量、水壓，同時做好管網長距離輸配中的管網維護并降低漏損工作，是供水企業必須解決的問題。筆者介紹了天津市靜海區實現城鄉供水一體化后，靜海水務公司(以下簡稱公司)通過供水運行調度平臺建設解決前述問題的探索與實踐。

2 供水設施概況

2.1 設施現狀

靜海區供水區域總面積為1 482 km2，管網總長1 500 km，水源為市區凌莊水廠引入的3條輸水干線，有一級加壓泵站3座，每座加壓站的設計供水能力為(5～10)×104m3/d，清水池調蓄能力為(1～1.5)×104m3/d；二級加壓泵站3座，每座加壓站的設計供水能力為(3～5)×104m3/d，清水池調蓄能力為(0.6～0.9)×104m3/d；農村小型供水加壓站30座，每座加壓站的設計供水能力為5 000 m3/d，清水池調蓄能力為100 m3。以上設施共服務鄉鎮18個、行政村300余個，涉及人口70余萬，企事業單位2000余家，日均供水量為12.8×104m3/d，詳見圖1。

圖1 靜海區供水管網和加壓泵站示意

2.2 運行模式

一級、二級泵站均配備了SCADA自控系統，能實現智能化自動控制，具備來水直供串聯加壓和來水進清水池低放加壓兩種運行模式，可以單獨運行或同時運行，水質方面具備余氯檢測和投加次氯酸納消毒藥劑的功能，以保持出廠余氯能夠滿足不利點水質達標為標準。出廠壓力為0.35～0.25 MPa，樓房用戶建筑引入管壓力不低于0.18 MPa。農村小型加壓站為低放加壓模式，具備余氯在線檢測，未設置投加次氯酸納消毒藥劑功能。

2.3 管網布局

3條市區水源線為一級輸水管網，直接輸送至一級加壓站；一級加壓站出廠干管作為二級輸配管網，輻射周邊區域用戶的同時遠距離向二級泵站輸水，二級輸配管網之間實現互聯互通形成環網；二級加壓站出廠干管作為三級輸配管網，輻射周邊區域用戶的同時遠距離向農村小型加壓站輸水，各三級輸配管網實現互聯互通形成環網。因此，通過管網的合理布局，保證了各一級泵站之間和各二級泵站之間均可以聯合調度、互相補充，避免出現因個別泵站和干管出現問題而造成大面積停水的情況，最大限度保證供水安全。

3 存在的問題

3.1 供水量和需水量之間平衡緊張

綜合市區水廠來水量與各終端用戶需水量數據測算，在高峰供水期間供需基本持平。需要調度人員隨時結合日間和夜間來水量變化，做好各泵站清水池調蓄和供水模式調整的工作，最大限度地使用來水并滿足各區域供水需求。由于供需之間的緊平衡狀態，一旦調度不及時準確，將會造成供水量區域性降低甚至停水的嚴重問題。

3.2 供水區域水壓不利點布局分散

由于管網運行模式為輸配水功能兼具，在下游需水量增加時會造成配水管網的壓力下降，尤其是農村集中供水站入口瞬時水量較大，一般在150 m3/h以上。若多個集中供水站同時加水，需水量在短時間內大幅變化，二級加壓站僅靠SCADA系統難以保證出廠壓力平衡，需要人工及時調整泵組運行模式和工況，對調度人員及時了解管網流量和壓力數據提出了更高要求。

3.3 遠距離輸水漏損控制難度加大

農村集中供水站分布在距離一、二級泵站較遠的農村，輸配水管網從一、二級加壓站至農村集中供水站的距離超過幾十公里，沿途多為國道、省道或鄉村公路的綠地和邊溝，遠離城鎮、鄉村，存在跑冒滴漏、工程施工損壞甚至不法分子通過放氣閥偷盜水等不易發現的問題。

4 基于城鄉供水一體化的遠程運行調度平臺建設

公司組建了供水管理專業部門，依靠運行調度平臺全天24 h對泵站和管網進行統一的遠程運行調度管理，平臺建設涉及5個方面的內容，拓撲結構見圖2。

圖2 網絡拓撲結構

4.1 廣域網絡的搭建

公司中心機房與各泵站租用網絡運營商千兆光纖連接，保證調度中心與各泵站數據交換通暢。同時，中心機房租用10M帶寬移動數據專線，實現移動端或遠端物聯網設備數據交換。機房主交換機采用劃分VLAN模式，保證各系統之間的數據隔離。

4.2 感知層設備新裝選型和改造

為保證遠程監測和控制，需要對感知層設備在新建環節提前選型設計，并對已經運行但達不到標準和要求的設備進行更換和改造。設備主要涉及兩個方面：一是泵站相關的感知設備，包括泵站內的閥門，水質、水壓、流量、次氯酸納加藥罐液位、清水池液位等的監測儀表和傳感器，送水泵組、加氯泵組，此類設備由現場的PLC和下位端的SCADA系統進行控制管理，同時開發系統接口通過光纖與調度中心對接，可以實現調度平臺對遠端各類感知層設備的遠程監測報警和實時控制。二是與管網相關的感知設備，包括區域計量流量計、小區入口考核流量計、大用戶貿易結算流量計、壓力監測點、管網末稍水水質在線監測點，這類設備主要采用電池供電模式，通過GPRS或NB上傳至調度中心遠程數據平臺。

4.3 平臺軟件系統的開發和應用

對應廣闊的區域面積和龐大的管網設施，公司建立了準確可靠的地理信息系統(GIS)，在基于1 ∶2 000覆蓋全域面積的基礎地形圖上建立GIS，地理信息數據包括管網、閥門、表具、井室等全部管網數據。主要應用包括管網的可視化管理和統計分析，移動端的應用程序為現場人員定位查詢管網輔助搶修，與泵站SCADA及無線遠程監測點數據平臺建立接口，實時查詢相關數據。

對應分散的泵站布局和輸配一體的管網運行模式，建設公司統一的SCADA系統，新系統集成了各個泵站本地的SCADA系統，實現公司調度人員對各泵站設備及儀表的遠程監測、報警和實時控制，使各泵站運行實現了有人值班、無人值守的水平。在此基礎上，公司調度人員還能利用GIS的管網數據，以及無線遠程監測點數據平臺的流量、壓力和水質的實時數據，對泵站運行模式、泵組運行狀態和出廠壓力進行調整，保證各泵站和輸配水管網的水力平衡。

對應復雜的管網布局、分布不均勻的區域用水和大量分散的用戶，建立無線遠程監測點數據采集平臺，對實時上傳數據的200余臺流量計、100余臺壓力監測點和30余臺水壓監測點進行管理，為區域計量、管網壓力平衡、水質檢驗提供支持。各遠端設備的數據上傳頻次按照管理需要已分別達到5，10和30 min/次，形成了對管網水運行狀態的靈敏感知。平臺應用軟件功能如圖3所示。

圖3 平臺應用軟件功能示意

4.4 網絡、數據安全和安防系統的搭建

自來水的供應是保障生產、生活的基礎，具有不可替代性，任何的停水、壓力低、水質問題都會嚴重影響用戶，對遠程運行調度平臺的安全穩定運行提出了很高的要求。為此，公司對機房和網絡安全系統設備進行升級，使其達到三級等保要求，并建設了異地災備機房。在安全生產的技術層面，公司利用專業的安防系統平臺軟件，實現了對所有泵站的無死角視頻監控，在高低壓配電室安裝溫度、煙感、幕簾等傳感設備，超出限定值則向公司調度室安防平臺實時報警。在中控室設置遠程可視對講和門禁，保證調度人員第一時間了解現場情況，從而應急指揮值班人員在現場處置。各類設備的穩定性已達到泵站無人值守(有人值班)的標準。

5 運行效果與展望

平臺建設歷經5年，全面投入運行至今已超過1年，取得了顯著的應用效果。

5.1 泵站運行更加科學

調度人員能夠結合原水管線的來水量、清水池蓄水量、各區域用水量，實時調整泵組運行模式和出廠壓力，在供需非常緊張的情況下最大限度地增加來水量，保證各區域管網的水力平衡，避免出現低壓片[1]。同時充分利用來水壓力，適時調整各泵站的串聯加壓模式、清水池低放模式和兩種混合模式，實現了泵站的節能降耗。平臺正式運行以來，公司從未出現因調度原因造成的較大面積降壓停水的情況。

5.2 漏水控制更加有效

通過流量計的合理布局，形成三級計量分區，調度人員對各計量區進行日核算，同時對各考核流量計的上傳流量進行對比分析，能夠對異常情況在短時間(2～24 h)內做出反應，指導巡查人員現場處置，報告準確率接近100%，能及時發現工程漏水、自然漏水和偷盜水的情況。運行1年多來，雖然管網長度和供水面積大幅增加，但公司的管網漏損率始終保持在8%以下，同比沒有增加。

5.3 為智慧水務的搭建提供了必要和基礎條件

目前，公司運行調度平臺雖然在保證城鄉供水一體化供水安全上發揮著重要作用，但仍然存在不足之處：

① 泵站之間的運行數據沒有在平臺統一整合后進行智能分析計算，無法實現統一的自動控制，仍然需要平臺調度人員實時查看各泵站數據并進行人工調整。

② 管網端感知層流量、壓力、水質等儀表上傳數據分散，沒有開發數據分析處理軟件，只能通過人工核算檢驗才能發現問題并形成區域水量成果，耗時費力，時效性低。

③ 泵站設備運行、管網設施檔案、遠程在線儀表等數據資源未能有效整合，無法互相校驗，影響運行和決策效率。

以上問題的解決，需要公司盡快搭建智慧水務平臺，用大數據、水力模型計算、智能控制等新技術整合現有各個系統、各類資源，在運行調度平臺的基礎上構建智慧水務綜合應用系統，使供水真正實現智能化、自動化，為城鄉供水一體化安全穩定運行提供堅強的科技支撐。