智慧水務系統的設計

郭翔，牛健聰

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，福建福州 350001）

目前大多地方水務公司信息化建設比較薄弱，比較突出的問題有排水管線普查不全面、排水管網監測數據采集點不足、管網監管流程缺失、IT 基礎設施薄弱、智慧排水管控平臺空白、信息安全不完善、管網及水質檢測能力欠缺等。智慧水務系統設計通過補充物聯感知基礎設施、增強IT 基礎設施、搭建智慧排水管網平臺、改善信息安全狀態、完善管網及水質檢測設備，以滿足生產經營管理的需求，并完成智慧排水指揮中心的建設任務，滿足日常智能化管理調度的使用需要。

1 水務系統發展歷程

水務系統發展歷程如圖1 所示。

圖1 水務系統發展歷程

2 智慧水務的政策背景

在智慧城市建設熱潮和水資源管理緊迫性的聯合驅動下，智慧水務已經引起了中國政府的高度重視。智慧水務作為關乎國計民生的系統工程，被納入新型城鎮化和公共基礎設施建設的范圍之中。國務院和發改委、水利部、環保部、住建部和工信部等相關部門相繼出臺各項政策，明確指出智慧水務發展的重要性和發展方向，蘊含巨大的行業發展機會。如2019 年4月住房和城鄉建設部、生態環境部、發展改革委印發《城鎮污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》，2020 年7 月國家發展改革委、住房城鄉建設部印發《城鎮生活污水處理設施補短板強弱項實施方案》、2021 年3 月印發《“十四五”規劃和2035 年遠景目標綱要》，2022 年2 月國家發展改革委、生態環境部、住房城鄉建設部、國家衛生健康委發布《關于加快推進城鎮環境基礎設施建設的指導意見》等[1-2]。

近年來，在國家政策的大力支持下，在全國各級政府各級部門的積極參與下，中國智慧水務建設工作進入了新階段，在大數據、5G、人工智能等技術的推動下，智慧水務系統將逐步走向智能化。

3 建設內容

3.1 排水管線普查

排水管線普查范圍包括某工程內城區背街小巷、城市支路的排水管線物探。

3.1.1 目標

完整采集排水管網及附屬設施功能狀況和混接情況，為智慧排水建設提供強有力基礎數據信息，發現排水系統中水質水位異常、井蓋無法開啟、掩埋等問題和問題區域。分析和判斷原因，如地表水倒灌、外水入滲、混接錯排、附屬設施損壞、系統缺失或管徑不足等問題。

3.1.2 內容

管徑、材質、埋深、流向、井蓋屬性（蓋錯損壞、不能打開等）、井室屬性（井室規格、抹灰等）、安全網、混接點調查等，測量組收取管線點坐標高程，并結合物探創建數據庫。利用潛望鏡拍攝調查管道淤積情況、復核混接情況，并拍攝視頻，依據現場調查及視頻判讀管道淤積情況并形成數據庫；依據物探數據庫對找出的問題點進行分析修改；數據無誤后形成管線圖、成果表、報告。

3.2 物聯感知基礎設施建設

對管網水量、管網液位、管網水質、污水廠、泵站、井蓋、閘門等進行監測，采用接入實時監測數據方式進行建設。結合排水管網管理需要，提高流量、液位、水質方面監測力度，水質監測指標選擇pH、懸浮物（SS）、化學需氧量（COD）、氨氮、溶液的氧化還原電位（ORP）、電導率。

3.2.1 液位

根據GB 50014—2021《室外排水設計規范》中對排水管道最大設計流速的要求，金屬管道最大設計流速不超過10 m/s，非金屬管道最大設計流速不超過5 m/s。根據TCECS 869—2021《排水管網在線監測技術規程》，液位測量誤差不大于全量程的1%，測量分辨率應為1 mm；流量測量誤差不大于全量程的5%。

3.2.2 水質

pH：是最重要水化學檢測指標之一，許多水處理過程與pH 有關。水質中pH 過低會對管網有較強的腐蝕作用。

SS：即水里的懸浮物，指在水中漂浮的無機物、有機物、泥沙、黏土、微生物等。水體懸浮物質量濃度是反映水體環境質量的重要指標之一。

COD：是反映水質狀況的一種綜合指標，氧化劑對水中的有機物質進行氧化，進而使氧化劑的氧氣量減少。COD 值愈高，則說明水中的還原性物質（如有機物）的質量濃度愈高，而還原劑則會使水中的溶氧質量濃度下降，從而導致水中的生物氧氣不足，進而導致生物死亡，使水質腐敗變臭。

氨氮：水體中的氨氮是影響感官水質的重要因子，是水體的主要耗氧源。氨氮指標主要來源于人和動物的排泄物，氨氮過高可導致水體富營養化，可反映出是否存在生活污水污染的情況。

ORP：指一種氧化還原電勢，它反映了水溶液中各種物質在宏觀上的氧化和還原能力。氧化還原電勢是反映水體生態環境的重要指標之一。

電導率：是一種物理量，它反映了一種物質中電荷流動的困難程度。電導率可反映出水中的金屬離子及其對應的陰離子質量濃度，從而間接地反映出水體中的溶鹽量，隨著溶鹽量增加，電導率提高，而高鹽量則會對微生物的生長產生毒性。

3.2.3 污水廠進水監測

污水廠進水水質直接影響污水廠的工藝運行狀況，是污水廠運行調控的重要影響因素。為保證污水處理廠正常穩定運行、確保進水水質控制在允許范圍，需監控污水廠進水水質狀況，分析進水水質特征及變化規律，以優化水廠運行工藝參數，提升處理效率，節能降耗。此外，實時掌握進水水質，可進行水質預警，一旦發現水質異常，可及時調整水廠處理工藝相關參數，保障水廠出水水質。

3.2.4 泵站智能化

在泵站處增加超聲波液位計進行集水坑液位實時監測，為水泵機組變頻調節提供支撐；同時在出站管網位置處安裝電流量計實時監測出水流量，為污水廠提前獲悉進水流量進而調整運行工況制定調度決策提供數據基礎。

3.2.5 智能井蓋

利用無線網絡對井蓋進行數字化、網絡化、智能化管理。智能井蓋系統主要通過物聯網技術，構建智能井蓋管理系統，發揮物聯網技術在智慧水務建設當中的應用，實現對井蓋的數據化管理，切實提高運營單位的管理效率，保障安全和確保相關設備正常工作。

3.2.6 控制閥門

控制閘門配套控制柜、桿式監測站，通過數據傳輸單元上傳至機房物聯網系統。控制閘門具有手動、遠控2 種控制方式。現場手動和遠控通過控制柜上的轉換開關切換，能遠程檢測設備運行情況，實時顯示設備狀態。

3.3 IT 基礎設施建設

IT（Information Technology，信息技術）基礎設施建設包括網絡傳輸、超融合服務器集群、機房建設、安全態勢感知、上網行為管理、下一代防火墻、運維審計（堡壘機）、防病毒系統、日志審計系統、終端準入系統、等級保護測評。

物聯感知基礎設施監測的數據通過網絡傳輸到機房，機房內通過8 臺超融合服務器構建超融合服務器集群；將各服務器連接至雙機熱備的匯聚交換機；將匯聚交換機連接至雙機熱備的核心交換機；將核心交換機與雙機熱備的外網防火墻連接；將安全態勢感知、上網行為管理、運維審計（堡壘機）、防病毒系統、日志審計系統、終端準入系統等信息安全設備連接至雙機熱備的核心交換機，提供信息安全保護服務。

3.4 智慧排水指揮中心建設

智慧排水指揮中心建設包括指揮中心建設與房間裝飾，操作臺、機柜、工作站、筆記本電腦、打印機建設。

電氣系統：結合指揮中心的功能、安全、智能管理的要求，對指揮中心的電氣及燈具系統進行了設計。預留充足的冗余容量以滿足近期及遠期的用電需求；設置適當數量的市電維修及備用插座，插座類型為220 V/16 A；電纜為低煙無鹵阻燃銅芯的電纜，穿鋼管；埋置在地板下部的電源線應遠離計算機信號線，全部配電線路必須穿金屬線管（槽）敷設；所有供電線纜全部選用低煙無鹵阻燃線纜，滿足消防部門的相關要求；配電柜各回路設短路、過流雙重保護。

網絡布線系統：光纖匯接、光纖布線采用地面挖溝槽埋設七孔管進行暗埋走線，在網絡設備間配置專用配線機柜為光纜的集中匯接機柜。

3.5 設施檢測方法

設施檢測方法包括管網檢測方法、水質檢測方法。

3.5.1 管網檢測方法

根據現行CJJ 181—2012《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》及檢測經驗，主要檢測方法包括傳統方法檢測、聲納檢測、管道潛望鏡檢測以及電視檢測，其中傳統方法檢查包括目視檢查、簡易工具檢查、潛水檢查，宜用于管道養護時的日常性檢查。

3.5.2 水質檢測方法

根據《海綿城市建設監測標準》，為提升海綿城市建設、運行與管理的質量和水平，應設置監測設備，以便及時了解海綿城市的建設成效。監測設備包括本底監測和效果監測相關的人工監測設備和自動監測設備。受自然環境、用地條件等因素影響，無法布置自動監測設備的區域，由人工采樣實施實驗室檢測。根據檢測指標的需要，需檢測水中重金屬、氰化物、總揮發酚、陰離子表面活性劑、水總亞硝鹽氮、凱氏氮等物質，常用檢測儀器有流動注射分析儀、原子熒光光度計、冷原子吸收測汞儀、氣相分子吸收光譜儀及全自動烷基汞分析儀。

4 效益分析

4.1 經濟效益分析

4.1.1 整合信息資源

基于智慧水務系統中的全部IT 系統（包括通信、機房）為核心，構建一個統一的企業計算機系統，并以此為平臺，進行系統的開發與應用。充分發揮智慧水務系統的信息優勢，以達到最大限度優化調度、信息的互聯和協調，促進信息基礎設施和應用系統效能最大化。

4.1.2 降低管理成本，提高經營效益

智慧水務系統的核心應用為城市排水的管理提供了規范化、精細化的日常管理工具，其高效、規范、實時的信息化管理手段，有效降低了員工的勞動強度，提升了工作效率，降低了管理成本。

4.1.3 增強聯合指揮能力，降低經濟損失

智慧水務系統的建立，使城市的排水工作得到統一的調度和指揮，提高了應急響應的速度，降低了社會的經濟損失。

4.2 社會效益分析

4.2.1 推進城市建設，提高數字化程度

智慧水務系統是智慧城市建設的重要組成部分，是排水行業在城市智慧化運行管理的重要體現，關系到城市管理決策、民生，當前智慧城市更注重基礎設施建設，在應用中需要結合特定行業應用，因此智慧水務系統的建設將有效推動智慧城市的發展[3-4]。

4.2.2 推進排澇體制改革，確保經濟發展

中國城市排水發展面臨的突出問題是溢流、頻繁超標、排水監測設施不完善等問題，智慧水務系統的建設將提高排水信息化水平，加快排水現代化步伐，能夠促進排水改革與發展，保障經濟發展。

4.2.3 完善立體感知，提高排水監管能力

在現狀監測設備不完善的情況下，對污水處理廠、泵站、井蓋、閘門等監控系統進行了強化，使立體感應系統更加健全。完善對污水設備狀況的監測和監控，增強對管道系統的感知和預警，降低了污水外溢和水質超標等對人類健康產生的危害。

5 發展智慧水務的影響和意義

5.1 提高人民飲用水質量

智慧水務系統的建成，將使人們得到更為高質量的供水。水是人們日常的必需品。根據水務環保局發布于2020 年3 月的數字，目前全國仍有1.5 億人在飲用不衛生的水。隨著人們對飲水安全越來越重視，智慧水務對取水、制水、供水等各環節進行了全方位監測和監控，從而有效地改善出水質量，減少了水的環境污染，保障了人們的正常生產。新一代的信息化技術的應用，將會大大簡化處理涉水事項的程序、獲得的途徑、處理的方法，從而更好地滿足群眾的需要。

5.2 改善水體生態狀況

水環境是一個重要的生態系統。但是，目前中國的水環境質量仍然很差。中國城鎮地表水質量達標率未達到50%，城鎮地下水有97.5%被污染。這主要是由于污水和廢水的非法排放。智慧水務系統及智能終端設施24 h 運行，可實現對關鍵行業、地區的持續監測，協助相關部門檢查違法企業，收集違法排污的證據。智慧水務可以通過大量的數據和數字化模式，對污染的傳播進行仿真，在情況變壞之前進行預警，及時采取措施，避免影響擴大。

5.3 提升水務管理水平

智慧水務系統可以拓展政府部門和涉水單位的管理范圍，提高管理決策的一體化、精細化和智能化程度。物聯感知設施是智慧水務的重要組成部分，其龐大的信息資源可以為供水企業的安全生產決策奠定堅實的保障。而整合的智慧水務平臺，則打通了各大企業之間的“信息”，將各大職能單位聯系在一起，讓管理人員對當前形勢有一個全面的了解，從而提升了工作的協調能力[5]。通過對海量的數據進行深入挖掘和剖析，并將其中有意義的關鍵信息抽取出來，并根據問題作出相應的反應，提高了決策的科學性和全面性。

5.4 推動涉水行業發展

智慧水務可以有效地規范水務行業的發展。由于沒有相應的行業標準，造成中國水務市場亂象叢生，產品服務質量也很低，這也是造成中國水務行業發展速度較慢的重要原因。智慧水務的作用為實現數據的連接與分享，以打破企業的經營障礙，消除企業的管理壁壘，建立相應的硬件和軟件產品的生產、系統和推動平臺建設，進而推動整個行業的良性發展。

智慧水務能夠推動中國涉水產業的轉變和升級。目前中國水利行業對現代化技術的運用還不夠成熟，相比于電力、燃氣等行業，水利行業發展明顯滯后。廣泛應用物聯網、云計算、大數據、3G、4G 等新一代的信息化技術[6]，使水利與新一輪行業（包括業務內容、終端設備和系統平臺）實現整合；新的業務方式也將發生變化，這將會推動水利行業的進一步發展。

5.5 形成新經濟增長點

智慧水務要求大面積更替現存的水務基礎設施設備，可有力地刺激物聯網、智能儀表和管道行業的發展，也為通信行業創造了一個投資熱點。同時，智慧水務所采集和積累下來的海量數據將帶來可觀的市場價值，水務數據服務將隨之出現。此外智慧水務還涉及IT 硬件（芯片、存儲、顯示屏等）、軟件（操作系統、數據庫、應用軟件）、網絡基礎設施（無線通信設備、有線通信設備、運營商）、互聯網等，這些上下游相關產業將隨著智慧水務的建設熱潮迎來一輪新的發展機遇。

6 結論

綜上所述，智慧水務建設是新一代工業革命推動城鎮供水排水行業高性能發展的必然趨勢，也是城鎮供水排水行業高質量發展的內在要求，有利于推動滿足人民群眾對美好生活的期盼，有利于促進城鎮供水排水行業轉型升級，有利于提升城鎮水資源綜合承載能力。