浅谈智慧水务系统在效能提升中的分析与应用

摘要：以新塘镇排水系统为例，结合广州市建设国家新型智慧城市的战略目标以及实现新塘镇市政排水系统智慧化建设的需求，介绍了智慧水务在污水管网系统“挤外水、提浓度"以及在雨水系统防洪排涝预测中的应用。对污水管网系统管道水位、水质、流量和外水入侵情况进行在线实时监测，对提升污水厂运行效能有较大裨益，对雨水系统易涝点和外江水位进行实时监测和预警，构建城市内涝风险预警体系，避免灾害发生，从而实现排水管网系统的运行和管理智能化、专业化和精细化。

关键词：智慧水务；提质增效；排水系统；智能预警

0 引言

近年来，随着信息技术的飞速发展，它已融入到各行各业。智慧水务就是通过互联网技术与水务技术深度融合，使水务系统的管理和运行更加智能化、数据化、精细化。

水是生命之源，而随着城市的发展水污染问题愈发严重，城市河涌、水系受到严重污染的情况屡见不鲜，水环境、水资源监管和治理成为城市发展迫切需要解决的问题。水质监测缺失或不及时、暴雨或洪涝灾害预警不及时更是直接关系到国计民生的问题。而智慧水务能够协调并及时、准确、地对此类问题进行监测和预警，构建城市暴雨监测、预报、内涝风险预警、灾害评估等功能于一体的防控体系，为城市防汛减灾提供坚实的技术保证。同时，智慧水务建设是推进城市管理智慧化、科学化的重要举措，结合广州市建设国家新型智慧城市的战略总目标，新塘镇加快智慧排水系统建设，发挥智慧水务在智慧城市建设中的示范效应。

1 工程概况

广州市增城区新塘镇镇域面积为84.86km2，污水系统包括新塘和永和两个系统，服务人口约65万，其中新塘污水厂土建规模为15万m3/d，永和污水厂土建规模为10万m3/d，雨水管网总长544km，污水管总长696km，雨污合流管总长667km。镇域有内涝点13个，污水泵站10个，防洪闸门9个。

2019年12月新塘镇污水处理提质增效工程正式启动，智慧水务建设属于本工程的一个子项工程。新塘镇智慧水务平台集移动办公、在线审批、过程监控、多级河长管理和公众参与管理等多功能于一建设全流域管控一体、全镇域联动协作、全镇资源共享的智慧管控平台，通过“厂-网-河一体化，水务环境一体化"的建设模式[1]，实现“水质提升、防洪安全、云上护水"的建设目标。平台软件界面见图 1。

图1 平台软件界面

2 智慧水务建设内容

硬件设备安装：本工程在污水管网各重要节点安装液位计135个、水质取样器4个和流量监测仪1个，实现污水系统实施监测。在雨水系统的排涝泵站、内涝点等处安装电子水尺37个、雨量计5个和摄像头11个、实现洪涝预警。

软件平台：主要包含排水设施一张图、设施巡检养护、厂站网河监测一张网、防涝应急调度、数据共享与集成、安全生产信息管理、排水设施数据管理和排水管网数据更新维护等模块。

排水设施一张图模块：基于GIS将排水设施数据与地理信息数据、地图数据集成，实现排水管网、污水处理厂、一体化处理设施、泵站、排水户等的可视化以及设施的基础信息查询、统计、空间分析等功能，同时可叠加监测实时数据，将静态地理数据与动态监测数据进行无缝结合，为污水厂、排水管网、泵站等监管业务提供实时数据支撑。实现研究范围内所有排水设施静态数据、动态监测数据、关键考核指标的一张图展示，主要功能摸块有：地图管理、排水设施专题图、隐患点专题图、运营调度看板、管网问题智能诊断等。功能包含：排水设施图层浏览、查询、定位、追溯分析、实时定位、设施定位、地图查询、删除等功能。

设施巡检养护模块：建设设施巡检养护模块，建立对纳入养护计划的设施建立统一的台账，实现排水管网设施养护业务的信息化管理，借助移动终端了解巡检人员的巡检轨迹和巡检到位情况；通过设施状态、参数等数据可掌握、分析设施运行情况。系统建设模块包含人员管理模块、问题台账、人员出勤监测、人员轨迹播放、设施统计、工单详情等功能。

厂站网河监测一张网模块：针对城市易涝点建设易涝点水位监测与视频监控；在排水系统中布设排水管网水位、流量、水质监测仪器；在泵站及工业园区出口布设水质监测设备，实时感知排水管网运行情况，掌握易涝点水位、管网关键节点水位及流量、泵站及工业园区水质情况；支持设备基本信息、参数、位置信息管理，实现设备的动态更新管理。功能包括：监测数据查看、提质增效专题图、监测设备预报警、液位之间关联分析、液位雨量关联分析、液位河道水位关联分析、污水厂监测数据分析、易涝点液位情况分析。

防涝应急调度模块：防涝应急调度模块集成多部门数据，包括气象、国土、水利、公安等部门数据，结合排水管理要素一张图系统与排水设施运行状态监测系统的应用，实现汛期前“应急预案制定"、汛情发生时的“执行预案、应急调度"、汛情结束后的“一雨一报"、“预案优化"、“涝情回顾"等综合管理。结合移动APP配套使用，可实现防涝工作人员及车辆、物资的综合管理、结合水雨情分析提供在线快速调配的决策支持。功能包含：预警启动、应急队伍管理、值班管理、信息报送管理、事中报告、事后报告、应急预案管理和应急队伍调度等功能。

数据共享与集成模块：通过标准化接口方式实现与外部系统进行数据共享对接集成，项目将与广州市增城区水务局对接，接入增城区已建河道水位的在线监测数据；与广州市智慧排水系统对接，实现业务数据共享交换。

安全生产模块：通过安全生产APP项目管理人员对项目安全情况进行核查，当管理人员发现安全隐患时可通过APP上传安全隐患至系统提示相关项目工作人员尽快处理。本模块功能包含：项目信息、消息推送、隐患排查治理、隐患上报、隐患处理、日常工作、培训分析、学习培训、个人中心和资料归档等功能。

摸清排水设施“家底"信息，将河涌信息、流域要素、入河排口、排水管网、实时在线水质监测等信息数据收集、整合[2]；新塘镇智慧排水管理系统的建设，集成了PLC自控系统、水质监控系统、视频监控系统、云端管理系统、防洪排涝模型等系统，同时新建控制室1座。

智慧水务平台以数据为核心，包括数据采集、解析和展示，汇集数量众多，品牌不一的监测设备到统一的平台系统，让管理者能够清晰直观地看到各种监测数据；以应用为目标，实现雨、污水管网信息实时在线监控，掌握、真实的监测信息、气象信息，通过系统制定切实有效的应急措施并能快速启动。

3 智慧水务应用

3.1污水系统提质增效

经过多年的建设，我国城镇污水处理设施已基本实现全覆盖，处理能力基本上可以满足城镇居民生活排水的处理需求。但排水管网不健全、不完善，管网质量差、运行不规范、养护不及时等导致出现污水收集率低下、污水处理厂进水浓度偏低等问题。为此，住房城乡建设部等部委联合印发了《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019~2021年)》，提出生活污水处理的由“数量增加"向“质量提升"转变，挖掘提升生活污水收集处理设施的效能，要求实现城市生活污水集中收集率、污水厂进水BOD浓度“双提高"的目标，保持和巩固水环境整治、水生态改善的工作成效。本工程的实施同样响应了“污水处理提质增效"的新要求。

本工程排水管网特点是：管网覆盖面广、长度较长，管网错综复杂；同时，由于新塘镇地处东江北岸，水系发达，河涌遍布，地下水位较高，污水管网多次下穿河涌，污水管网较复杂接入点多且分散。

污水水质、水量和水位是污水的三个重要指标，均可通过在线设备进行实时监测。监测点的布置，从经济性和可实施性角度出发，优先选取水量易发生波动节点、过河涌节点、支管接入主管等节点处设置监测设备。东江是珠江的支流，其每天会出现高、低潮水位，选取2021年12月实测东江水位变化曲线见图2。

图2实测东江水位波动曲线图

由图2智慧水务平台监测到的东江潮汐水位变化范围为-0.07~2.6m(1985国家高程系，余同)。本工程范围内东江北岸地势低洼，地面实际低标高为2.81~3.05m，不能够满足50a一遇的防洪排涝标准，存在水淹风险，并且于2020年5月22日暴雨期间被水淹，水淹深度为50~60cm，退水时间为3~4h。本工程在水力计算的基础上提出新建排涝泵站的方案，终在东江与篓箕涌、西涌和甘涌交汇口处分别新建三座排涝泵站，解决了东江边地势低洼处雨季的防洪排涝问题。

根据智慧水务平台监测数据显示，随着每天东江潮汐水位的波动，沿江路污水主管的液位呈同步正相关变化，数据选自2021年10月中下旬，见图3。

图3东江水位与污水管液位波动曲线图

这说明有地下水入渗或江水倒灌至污水系统，同时水质监测数据显示水质浓度与水位呈负相关变化，进一步佐证了有外水进入污水系统。

针对由于存在地下水入渗点和江水倒灌口导致污水管网“低浓度、高水位"的运行情况，采取分期实施的工程方案。近期以“挤外水"为主要目标，以截流井倒灌、雨污错混接、管道缺陷、部分雨污分流为重点整治对象开展“清污分流"；远期开展管网完善、源头雨污分流改造、溢流污染控制等，建立长效机制，推进源头治理，进一步改造优化污水收集处理系统，持续推进污水处理提质增效。12月8日外水点整治实施完毕后，沿江路污水主管的液位保持平稳，不再随东江水位波动，实现了污水系统的良性平稳运行，见图4。