常山县农村饮用水水质在线监测及自动管控系统的设计及应用

李钊宝，胡正松，金浪滨，兰昱佳，余天涯，严 威，冯 蕾，王 涛，朱奕鑫，白东东，余 磊

（1.杭州定川信息技术有限公司，浙江 杭州 310020；2.常山县农村水利管理中心，浙江 常山 324200；3.常山县水务发展投资有限公司，浙江 常山 324200；4.平湖市水利局，浙江 平湖 314200）

1 问题的提出

我国传统的农村饮用水规模较小、设施简陋、点位分散、供水工艺及管理方式相对落后，随着经济发展和人民生活水平的提高，对饮用水安全的要求越来越高。国际上，日本在2005年供水覆盖范围已经从战前的30%发展到95%，但是自2000年以来，投资减少、维修费用增加，而小型供水设施数量较大，因此面临管理成本高、人力缺乏等问题。韩国1997年制定中小城市供水中长期投资计划，加大供水设施投入，供水率提高到70%。美国约有11 000个农村社区饮用水供给系统，建立较为完善的饮用水管理制度，从源头上加大投入保证原水质量[1]。借鉴国内外农村供水经验，浙江省加大农村供水投入力度，建设高标准集中供水工程，借助信息化技术加强农村饮用水的信息化管理。

为提高农村饮用水管理及安全水平，浙江省人民政府办公厅2016年发布《关于全面推行水利工程标准化管理的意见》，农村供水工程也在水利工程标准化管理范围内。2018年浙江省人民政府办公厅针对农村饮用水工程发布《浙江省农村饮用水达标提标行动计划（2018—2020年）》，对农村饮用水提出专项要求。

常山县农村饮用水达标提标项目总投资4.5亿元，改善和提升全县149个村、22.1万人口的饮用水条件。全县农村饮用水达标人口覆盖率达95%，农村供水工程供水保证率达95%以上，农村供水水质达标率达90%以上，全县规模化供水工程（含城市管网、乡镇供水工程）覆盖人口比例达到80%。建立健全县级统管长效管理机制，基本建成规模化供水、标准化建设、专业化管理的农村饮用水体系。

为响应“全面推行水利工程标准化管理”[2]以及“农村饮用水达标提标行动”[3]中提出的推进工程信息化管理要求，实现工程管理信息化和精细化，提高工程管理效率，结合常山县农村饮用水工程的建设现状，进行农村饮用水工程信息化管理系统建设，提升常山县农村饮用水工程管理自动化、信息化水平[4]，提高饮用水工程安全保障水平、监管水平和制水管理水平，实现工程信息化管理。

2 常山县农村饮用水供水站工艺现状

涉及自动管控系统建设的常山县农村饮用水供水站共计47座，包括重力式、压力式和膜处理3种工艺类型。

重力式设备主要特点是通过设备自身的结构实现自动反冲洗（见图1）。当砂滤设备的砂滤层因附着物过多导致渗透率降低到一定程度时，通过管道Q1形成的虹吸作用实现自动反冲洗。重力式设备的优点是结构简单，成本较低；缺点是受进水量影响较大，水量较大时容易溢出，水量较小时无法自动形成反冲洗，或者形成反冲洗后无法中断反冲洗，反冲洗过程不受人为管控。

图1 重力式供水设备工艺流程示意图

压力式设备通过对7个阀门的管控，实现制水流程和正洗、反洗以及排泥等流程的切换（见图2）。设备成本相对较高，但是由于制水流程和正洗、反洗流程受人为管控，制水效果较好。

图2 压力式供水设备工艺流程示意图

膜处理一体化设备主要通过反渗透方式保证出水水质，制水效果较好，造价最高（见图3）。本项目仅对此设备进行进水水质和出水水质的在线监测。

图3 膜处理一体化供水设备工艺流程示意图

常山县农村供水站与其他农村供水站具有相同的特点：数量多、规模小、点位散[5]。根据常山县农饮水各供水站制水量和原水水质情况，配置重力式站点29座，压力式站点13座，膜处理一体化站点8座，制水能力为50~300 t/d。絮凝剂为聚合氯化铝，溶液浓度约1.0%，通过聚合氯化铝溶液稀释制备。消毒剂为次氯酸钠，通过现场的次氯酸钠发生器制备产生，浓度为0.2%~0.4%。由于各站点原水pH值都在要求范围内，本项目仅检测出水pH值并上传，在上位机设定预警值，未对原水pH值进行调节。原水多为山间溪水，水量及水质受雨季、旱季影响较大。自动管控系统建设之前，供水站由管理员巡查管理，药剂投加方式为固定量投加，存在管理单位投入大、工作量大、无法及时掌握水站工作状态、在原水水量和水质变化时无法控制加药量等诸多弊端。

3 常山县农村饮用水水质在线监测及自动管控系统

3.1 设计目标

3.1.1 实现供水站点设备自动运行及远程监控

通过对供水站点净水设备的自动化改造，实现净水设备自动制水、自动正洗、反洗，并实时监测净水设备运行状况。同时，通过信息网络建设，将各供水站点的运行情况实时上传至中控室，实现供水站点集中管控，降低管理成本，提高管理水平及运行效率。

3.1.2 实现水质在线监测及远程监管

通过安装流量计、进水和出水水质监测仪表，实现水量，进水浊度、pH值，出水余氯、浊度和pH值的在线实时监测。通过水质以及水量数据的实时反馈，调节药剂投加量，实现药剂精细化投加，保证出水水质。水质及水量数据通过网络实时上传至中控室和监管平台，为统一监管和调度提供决策依据。

3.1.3 实现工程重要部位安全保卫及视频监视

增加视频监视点，实时掌握水源地、提水泵房、清水池以及供水站等重要安保部位的现场情况，实现7 d×24 h不间断远程监控，确保现场设备及水源安全。

3.1.4 全面推进水利工程标准化管理

随着水利工程标准化管理的推进，上级部门对信息化及标准化要求的提高，实现常山县农村饮用水供水站点管理的标准化和信息化。

3.2 系统总体设计

供水站自动管控系统结构见图4。

图4 供水站自动管控系统结构图

按照浙江省水利工程标准化运行管理和农村饮用水达标提标行动计划的总体要求，系统划分为水质在线监测及自动化管控系统和供水站视频监视系统2部分。水质在线监测及自动管控系统由现地管控层和远程调度管控层组成[5]。

现地管控层设备设置在各供水站，主要为现地管控单元LCU柜，内设PLC等多种智能化设备，能自动收集有关信息，执行相关程序，并作相应处理和存储，可以接受远程调度管控层的指令。LCU柜采集供水站运行监测信号、手动控制柜及重要设备管控信号，由PLC逻辑判断实现供水站供水及制水。监控系统通信协议为工业以太网（TCP/IP），PLC配置以太网通信接口。该层还包括电气二次控制回路，控制功能简单有效，作为系统的备用操作手段，为系统稳定运行进一步提供保障。

远程调度控制层是供水站工程的实时监控中心，主要负责完成农村供水工程和供水站主要设备重要参数的远程监视，并发送控制命令。该层还可以完成信息显示、分析、处理、提炼、记录等复杂功能。远程调度控制层由布置在监控中心的工控机、生产监控系统平台、网络交换机等设备组成，远程控制由工作站操作员完成。现场控制设备通过以太网交换机，将现地控制层的各设备信号反馈至操作员工作站，实现农饮水管理服务中心对供水站各设备的远程控制。

供水站视频监视系统主要对供水工程中重要区域和设备的情况进行远程自动监视，对工程现场状况进行定期巡视及安全保卫。系统可对监视场景进行录像，便于进行事故分析，并可通过传输网络将图像信息传输至监控中心视频监视设备，为供水站的运行管控提供图像信息依据。

3.3 供水站水质在线监测及自动管控系统的实现

现地管控层充分考虑常山县农饮水供水站的环境条件，现地控制单元中增加稳压电源，避免农村山林中供电电压不稳对系统的影响；在水位计、水质仪表信号传输线路中加入信号隔离器以减少雷击和电源不稳对设备造成的损坏；针对雨季站点内湿度大的问题，一方面加强站点内通风，另一方面对水质监测仪表、计量泵、LCU柜等采取密封、除湿等防潮措施，解决室内湿度大对系统的影响。自动管控系统现地控制单元有手动制水和自动制水2种模式，实现正常状态自动制水和异常情况手动制水。现地控制单元实现水质、水量数据采集及显示，实现制水系统的参数设置、数据监视及状态报警等功能。供水站自动管控系统触摸屏控制界面见图5。

图5 供水站自动管控系统触摸屏控制界面图

农村饮用水自动管控系统上位机软件实现对各供水站制水系统的实时监测和管理，由实时数据、实时报警、操作记录、历史报警、水质记录等模块组成。实时数据模块集中显示47座供水站的运行状态及制水过程中的实时数据，如制水时间、当前流量、药剂投加量、进水及出水水质数据等；实时报警模块集中显示各供水站点的报警信息，如药桶缺药、制水异常、仪表故障等；操作记录、历史报警及水质记录模块提供故障信息、操作记录、水质数据等历史信息的查询并自动生成管理表格。

4 常山县农村饮用水关键问题探讨

4.1 水源地对供水站自动管控系统的影响

由于一部分供水站水源为山间溪水，受雨季和旱季影响，自流水的流量不稳定，雨季浊度较高。重力式设备水量过小时无法自动反冲洗，需要增加原水增压泵，保证重力式净水系统进水流量的稳定性。由于水站内夏天湿度大，需一方面加强水站通风，另一方面改善仪表设备的密封性。

4.2 出水水质监测取样位置的影响

次氯酸钠投加点及水质监测取样点见图6，投加点为1、2、3，取样点为A、B、C。 A点余氯信号实时反馈性强，但容易受投加点影响，当次氯酸钠混合不充分、反应时间不充足时，余氯数值变化较大。C点位于出厂水管道上，能够较好反映出厂水的水质，但是余氯信号反馈实时性较差，由于是间歇性制水，无法实时反馈并控制加药量。本系统选择B点为水质监测取样点，通过浮动取水装置采集水面以下0.5 m处（出水口以上）的水样，既能较好反映出水水质，又能通过余氯反馈信号及时调整次氯酸钠投加量。

图6 次氯酸钠投加点及水质监测取样点图

4.3 絮凝剂及次氯酸钠的精细化投加模型

由于农村供水系统受水源等环境影响较大，为保证药剂投加系统的可靠性，自动管控系统药剂投加采用预投加、调节投加和固定投加相结合的方式，根据进水量大小限定药剂投加范围，运用水质反馈数据进行精细化投加（见图7）。既保证出水水质不受流量影响，又避免药剂流量过小时的过量投加。固定投加模式通过对水质仪表进行自检，防止仪表异常数据的错误反馈，结合历史水量给出投加量。预投加是水质仪表启动后正常工作前（约为15 min）通过判断水量数据给出投加量。

图7 絮凝剂及次氯酸钠的精细化投加模型图

絮凝剂自动投加模型：为保证出厂水浊度小于1.0 NTU且铝离子含量不超过0.2 mg/L（GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》），当进水浊度小于1.0 NTU时，不投加；进水浊度为1.0~1.5 NTU时，投加0.10 L/m3；进水浊度为1.5~3.0 NTU时，投加0.15 L/m3；进水浊度大于10.0 NTU时投加0.30 L/m3。

次氯酸钠自动投加模型：GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》规定出厂水中余氯量≥0.3 mg/L。为保证农村饮用水的口感，避免余氯味道太大，本项目出厂水余氯范围控制在0.3~0.7 mg/L。考虑到余氯在制水系统及清水池中的损耗，余氯目标值为0.5 mg/L，余氯过低时加大次氯酸钠投加量，余氯过高时减少投加量。根据水量设定次氯酸钠投加限值，进水量小于1.5 t/h时，投加量不超过0.5 L/h；进水量为1.5~4.0 t/h时，投加量不超过1.0 L/h；进水量为4.0~8.0 t/h时，投加量不超过2.0 L/h；进水量为8.0~12.0 t/h时，投加量不超过3.0 L/h；进水量为12.0~20.0 t/h时，投加量不超过4.5 L/h；进水量为20.0~30.0 t/h时，投加量不超过5.5 L/h。

4.4 自动化管控系统安全运行的保障措施

硬件系统在稳定性和可靠性的基础之上增加冗余设计，正常情况下清水池液位信号采用压力式水位计，水位计出现异常时系统可立刻切换至浮球工作状态；絮凝剂加药桶增加浮球设置低液位报警，超低液位停机等保护措施；电动蝶阀动作后，规定时间内没有全开/全关反馈信号，系统会停止动作，上报错误信息；仪表（进/出水水质监测仪表、流量计、液位计）工作时进行自检；根据历史数据对絮凝剂和次氯酸钠设定最大投加值，避免过量投加。

5 结 语

常山县农饮水自动管控系统充分考虑环境的复杂性，从硬件上加强系统的稳定性和适应性，创新地采用药剂预投加、固定投加、调节投加模式，很好地解决季节性水量变化大、原水水质变化不确定对制水系统的影响。自动管控系统实现农村供水系统的自动制水、自动精细化药剂投加，实现制水状态的远程监控以及无人值守，具有一定的推广意义和借鉴价值。