郭翔，牛健聰

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，福建福州 350001）

目前大多地方水務(wù)公司信息化建設(shè)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(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不足、管網(wǎng)監(jiān)管流程缺失、IT 基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、智慧排水管控平臺空白、信息安全不完善、管網(wǎng)及水質(zhì)檢測能力欠缺等。智慧水務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過補(bǔ)充物聯(lián)感知基礎(chǔ)設(shè)施、增強(qiáng)IT 基礎(chǔ)設(shè)施、搭建智慧排水管網(wǎng)平臺、改善信息安全狀態(tài)、完善管網(wǎng)及水質(zhì)檢測設(shè)備，以滿足生產(chǎn)經(jīng)營管理的需求，并完成智慧排水指揮中心的建設(shè)任務(wù)，滿足日常智能化管理調(diào)度的使用需要。

1 水務(wù)系統(tǒng)發(fā)展歷程

水務(wù)系統(tǒng)發(fā)展歷程如圖1 所示。

圖1 水務(wù)系統(tǒng)發(fā)展歷程

2 智慧水務(wù)的政策背景

在智慧城市建設(shè)熱潮和水資源管理緊迫性的聯(lián)合驅(qū)動下，智慧水務(wù)已經(jīng)引起了中國政府的高度重視。智慧水務(wù)作為關(guān)乎國計(jì)民生的系統(tǒng)工程，被納入新型城鎮(zhèn)化和公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的范圍之中。國務(wù)院和發(fā)改委、水利部、環(huán)保部、住建部和工信部等相關(guān)部門相繼出臺各項(xiàng)政策，明確指出智慧水務(wù)發(fā)展的重要性和發(fā)展方向，蘊(yùn)含巨大的行業(yè)發(fā)展機(jī)會。如2019 年4月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委印發(fā)《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021年）》，2020 年7 月國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》、2021 年3 月印發(fā)《“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，2022 年2 月國家發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家衛(wèi)生健康委發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)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(wù)建設(shè)工作進(jìn)入了新階段，在大數(shù)據(jù)、5G、人工智能等技術(shù)的推動下，智慧水務(wù)系統(tǒng)將逐步走向智能化。

3 建設(shè)內(nèi)容

3.1 排水管線普查

排水管線普查范圍包括某工程內(nèi)城區(qū)背街小巷、城市支路的排水管線物探。

3.1.1 目標(biāo)

完整采集排水管網(wǎng)及附屬設(shè)施功能狀況和混接情況，為智慧排水建設(shè)提供強(qiáng)有力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)中水質(zhì)水位異常、井蓋無法開啟、掩埋等問題和問題區(qū)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(shè)施損壞、系統(tǒng)缺失或管徑不足等問題。

3.1.2 內(nèi)容

管徑、材質(zhì)、埋深、流向、井蓋屬性（蓋錯損壞、不能打開等）、井室屬性（井室規(guī)格、抹灰等）、安全網(wǎng)、混接點(diǎn)調(diào)查等，測量組收取管線點(diǎn)坐標(biāo)高程，并結(jié)合物探創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。利用潛望鏡拍攝調(diào)查管道淤積情況、復(fù)核混接情況，并拍攝視頻，依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及視頻判讀管道淤積情況并形成數(shù)據(jù)庫；依據(jù)物探數(shù)據(jù)庫對找出的問題點(diǎn)進(jìn)行分析修改；數(shù)據(jù)無誤后形成管線圖、成果表、報(bào)告。

3.2 物聯(lián)感知基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

對管網(wǎng)水量、管網(wǎng)液位、管網(wǎng)水質(zhì)、污水廠、泵站、井蓋、閘門等進(jìn)行監(jiān)測，采用接入實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)方式進(jìn)行建設(shè)。結(jié)合排水管網(wǎng)管理需要，提高流量、液位、水質(zhì)方面監(jiān)測力度，水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)選擇pH、懸浮物（SS）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、溶液的氧化還原電位（ORP）、電導(dǎo)率。

3.2.1 液位

根據(jù)GB 50014—2021《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中對排水管道最大設(shè)計(jì)流速的要求，金屬管道最大設(shè)計(jì)流速不超過10 m/s，非金屬管道最大設(shè)計(jì)流速不超過5 m/s。根據(jù)TCECS 869—2021《排水管網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》，液位測量誤差不大于全量程的1%，測量分辨率應(yīng)為1 mm；流量測量誤差不大于全量程的5%。

3.2.2 水質(zhì)

pH：是最重要水化學(xué)檢測指標(biāo)之一，許多水處理過程與pH 有關(guān)。水質(zhì)中pH 過低會對管網(wǎng)有較強(qiáng)的腐蝕作用。

SS：即水里的懸浮物，指在水中漂浮的無機(jī)物、有機(jī)物、泥沙、黏土、微生物等。水體懸浮物質(zhì)量濃度是反映水體環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

COD：是反映水質(zhì)狀況的一種綜合指標(biāo)，氧化劑對水中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行氧化，進(jìn)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(zhì)（如有機(jī)物）的質(zhì)量濃度愈高，而還原劑則會使水中的溶氧質(zhì)量濃度下降，從而導(dǎo)致水中的生物氧氣不足，進(jìn)而導(dǎo)致生物死亡，使水質(zhì)腐敗變臭。

氨氮：水體中的氨氮是影響感官水質(zhì)的重要因子，是水體的主要耗氧源。氨氮指標(biāo)主要來源于人和動物的排泄物，氨氮過高可導(dǎo)致水體富營養(yǎng)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(zhì)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(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)之一。

電導(dǎo)率：是一種物理量，它反映了一種物質(zhì)中電荷流動的困難程度。電導(dǎo)率可反映出水中的金屬離子及其對應(yīng)的陰離子質(zhì)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(dǎo)率提高，而高鹽量則會對微生物的生長產(chǎn)生毒性。

3.2.3 污水廠進(jìn)水監(jiān)測

污水廠進(jìn)水水質(zhì)直接影響污水廠的工藝運(yùn)行狀況，是污水廠運(yùn)行調(diào)控的重要影響因素。為保證污水處理廠正常穩(wěn)定運(yùn)行、確保進(jìn)水水質(zhì)控制在允許范圍，需監(jiān)控污水廠進(jìn)水水質(zhì)狀況，分析進(jìn)水水質(zhì)特征及變化規(guī)律，以優(yōu)化水廠運(yùn)行工藝參數(shù)，提升處理效率，節(jié)能降耗。此外，實(shí)時掌握進(jìn)水水質(zhì)，可進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常，可及時調(diào)整水廠處理工藝相關(guān)參數(shù)，保障水廠出水水質(zhì)。

3.2.4 泵站智能化

在泵站處增加超聲波液位計(jì)進(jìn)行集水坑液位實(shí)時監(jiān)測，為水泵機(jī)組變頻調(diào)節(jié)提供支撐；同時在出站管網(wǎng)位置處安裝電流量計(jì)實(shí)時監(jiān)測出水流量，為污水廠提前獲悉進(jìn)水流量進(jìn)而調(diào)整運(yùn)行工況制定調(diào)度決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2.5 智能井蓋

利用無線網(wǎng)絡(luò)對井蓋進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。智能井蓋系統(tǒng)主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智能井蓋管理系統(tǒng)，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧水務(wù)建設(shè)當(dāng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對井蓋的數(shù)據(jù)化管理，切實(shí)提高運(yùn)營單位的管理效率，保障安全和確保相關(guān)設(shè)備正常工作。

3.2.6 控制閥門

控制閘門配套控制柜、桿式監(jiān)測站，通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳至機(jī)房物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。控制閘門具有手動、遠(yuǎn)控2 種控制方式?，F(xiàn)場手動和遠(yuǎn)控通過控制柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，能遠(yuǎn)程檢測設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)時顯示設(shè)備狀態(tài)。

3.3 IT 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

IT（Information Technology，信息技術(shù)）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括網(wǎng)絡(luò)傳輸、超融合服務(wù)器集群、機(jī)房建設(shè)、安全態(tài)勢感知、上網(wǎng)行為管理、下一代防火墻、運(yùn)維審計(jì)（堡壘機(jī)）、防病毒系統(tǒng)、日志審計(jì)系統(tǒng)、終端準(zhǔn)入系統(tǒng)、等級保護(hù)測評。

物聯(lián)感知基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)房，機(jī)房內(nèi)通過8 臺超融合服務(wù)器構(gòu)建超融合服務(wù)器集群；將各服務(wù)器連接至雙機(jī)熱備的匯聚交換機(jī)；將匯聚交換機(jī)連接至雙機(jī)熱備的核心交換機(jī)；將核心交換機(jī)與雙機(jī)熱備的外網(wǎng)防火墻連接；將安全態(tài)勢感知、上網(wǎng)行為管理、運(yùn)維審計(jì)（堡壘機(jī)）、防病毒系統(tǒng)、日志審計(jì)系統(tǒng)、終端準(zhǔn)入系統(tǒng)等信息安全設(shè)備連接至雙機(jī)熱備的核心交換機(jī)，提供信息安全保護(hù)服務(wù)。

3.4 智慧排水指揮中心建設(shè)

智慧排水指揮中心建設(shè)包括指揮中心建設(shè)與房間裝飾，操作臺、機(jī)柜、工作站、筆記本電腦、打印機(jī)建設(shè)。

電氣系統(tǒng)：結(jié)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(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。預(yù)留充足的冗余容量以滿足近期及遠(yuǎn)期的用電需求；設(shè)置適當(dāng)數(shù)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(yīng)遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)信號線，全部配電線路必須穿金屬線管（槽）敷設(shè)；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(guān)要求；配電柜各回路設(shè)短路、過流雙重保護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)：光纖匯接、光纖布線采用地面挖溝槽埋設(shè)七孔管進(jìn)行暗埋走線，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間配置專用配線機(jī)柜為光纜的集中匯接機(jī)柜。

3.5 設(shè)施檢測方法

設(shè)施檢測方法包括管網(wǎng)檢測方法、水質(zhì)檢測方法。

3.5.1 管網(wǎng)檢測方法

根據(jù)現(xiàn)行CJJ 181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術(shù)規(guī)程》及檢測經(jīng)驗(yàn)，主要檢測方法包括傳統(tǒng)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(tǒng)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(yǎng)護(hù)時的日常性檢查。

3.5.2 水質(zhì)檢測方法

根據(jù)《海綿城市建設(shè)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)》，為提升海綿城市建設(shè)、運(yùn)行與管理的質(zhì)量和水平，應(yīng)設(shè)置監(jiān)測設(shè)備，以便及時了解海綿城市的建設(shè)成效。監(jiān)測設(shè)備包括本底監(jiān)測和效果監(jiān)測相關(guān)的人工監(jiān)測設(shè)備和自動監(jiān)測設(shè)備。受自然環(huán)境、用地條件等因素影響，無法布置自動監(jiān)測設(shè)備的區(qū)域，由人工采樣實(shí)施實(shí)驗(yàn)室檢測。根據(jù)檢測指標(biāo)的需要，需檢測水中重金屬、氰化物、總揮發(fā)酚、陰離子表面活性劑、水總亞硝鹽氮、凱氏氮等物質(zhì)，常用檢測儀器有流動注射分析儀、原子熒光光度計(jì)、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(jīng)濟(jì)效益分析

4.1.1 整合信息資源

基于智慧水務(wù)系統(tǒng)中的全部IT 系統(tǒng)（包括通信、機(jī)房）為核心，構(gòu)建一個統(tǒng)一的企業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并以此為平臺，進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。充分發(fā)揮智慧水務(wù)系統(tǒng)的信息優(yōu)勢，以達(dá)到最大限度優(yōu)化調(diào)度、信息的互聯(lián)和協(xié)調(diào)，促進(jìn)信息基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)效能最大化。

4.1.2 降低管理成本，提高經(jīng)營效益

智慧水務(wù)系統(tǒng)的核心應(yīng)用為城市排水的管理提供了規(guī)范化、精細(xì)化的日常管理工具，其高效、規(guī)范、實(shí)時的信息化管理手段，有效降低了員工的勞動強(qiáng)度，提升了工作效率，降低了管理成本。

4.1.3 增強(qiáng)聯(lián)合指揮能力，降低經(jīng)濟(jì)損失

智慧水務(wù)系統(tǒng)的建立，使城市的排水工作得到統(tǒng)一的調(diào)度和指揮，提高了應(yīng)急響應(yīng)的速度，降低了社會的經(jīng)濟(jì)損失。

4.2 社會效益分析

4.2.1 推進(jìn)城市建設(shè)，提高數(shù)字化程度

智慧水務(wù)系統(tǒng)是智慧城市建設(shè)的重要組成部分，是排水行業(yè)在城市智慧化運(yùn)行管理的重要體現(xiàn)，關(guān)系到城市管理決策、民生，當(dāng)前智慧城市更注重基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在應(yīng)用中需要結(jié)合特定行業(yè)應(yīng)用，因此智慧水務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)將有效推動智慧城市的發(fā)展[3-4]。

4.2.2 推進(jìn)排澇體制改革，確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展

中國城市排水發(fā)展面臨的突出問題是溢流、頻繁超標(biāo)、排水監(jiān)測設(shè)施不完善等問題，智慧水務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)將提高排水信息化水平，加快排水現(xiàn)代化步伐，能夠促進(jìn)排水改革與發(fā)展，保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4.2.3 完善立體感知，提高排水監(jiān)管能力

在現(xiàn)狀監(jiān)測設(shè)備不完善的情況下，對污水處理廠、泵站、井蓋、閘門等監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)化，使立體感應(yīng)系統(tǒng)更加健全。完善對污水設(shè)備狀況的監(jiān)測和監(jiān)控，增強(qiáng)對管道系統(tǒng)的感知和預(yù)警，降低了污水外溢和水質(zhì)超標(biāo)等對人類健康產(chǎn)生的危害。

5 發(fā)展智慧水務(wù)的影響和意義

5.1 提高人民飲用水質(zhì)量

智慧水務(wù)系統(tǒng)的建成，將使人們得到更為高質(zhì)量的供水。水是人們?nèi)粘５谋匦杵?。根?jù)水務(wù)環(huán)保局發(fā)布于2020 年3 月的數(shù)字，目前全國仍有1.5 億人在飲用不衛(wèi)生的水。隨著人們對飲水安全越來越重視，智慧水務(wù)對取水、制水、供水等各環(huán)節(jié)進(jìn)行了全方位監(jiān)測和監(jiān)控，從而有效地改善出水質(zhì)量，減少了水的環(huán)境污染，保障了人們的正常生產(chǎn)。新一代的信息化技術(shù)的應(yīng)用，將會大大簡化處理涉水事項(xiàng)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(tài)狀況

水環(huán)境是一個重要的生態(tài)系統(tǒng)。但是，目前中國的水環(huán)境質(zhì)量仍然很差。中國城鎮(zhèn)地表水質(zhì)量達(dá)標(biāo)率未達(dá)到50%，城鎮(zhèn)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(wù)系統(tǒng)及智能終端設(shè)施24 h 運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵行業(yè)、地區(qū)的持續(xù)監(jiān)測，協(xié)助相關(guān)部門檢查違法企業(yè)，收集違法排污的證據(jù)。智慧水務(wù)可以通過大量的數(shù)據(jù)和數(shù)字化模式，對污染的傳播進(jìn)行仿真，在情況變壞之前進(jìn)行預(yù)警，及時采取措施，避免影響擴(kuò)大。

5.3 提升水務(wù)管理水平

智慧水務(wù)系統(tǒng)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(xì)化和智能化程度。物聯(lián)感知設(shè)施是智慧水務(wù)的重要組成部分，其龐大的信息資源可以為供水企業(yè)的安全生產(chǎn)決策奠定堅(jiān)實(shí)的保障。而整合的智慧水務(wù)平臺，則打通了各大企業(yè)之間的“信息”，將各大職能單位聯(lián)系在一起，讓管理人員對當(dāng)前形勢有一個全面的了解，從而提升了工作的協(xié)調(diào)能力[5]。通過對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和剖析，并將其中有意義的關(guān)鍵信息抽取出來，并根據(jù)問題作出相應(yīng)的反應(yīng)，提高了決策的科學(xué)性和全面性。

5.4 推動涉水行業(yè)發(fā)展

智慧水務(wù)可以有效地規(guī)范水務(wù)行業(yè)的發(fā)展。由于沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，造成中國水務(wù)市場亂象叢生，產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量也很低，這也是造成中國水務(wù)行業(yè)發(fā)展速度較慢的重要原因。智慧水務(wù)的作用為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連接與分享，以打破企業(yè)的經(jīng)營障礙，消除企業(yè)的管理壁壘，建立相應(yīng)的硬件和軟件產(chǎn)品的生產(chǎn)、系統(tǒng)和推動平臺建設(shè)，進(jìn)而推動整個行業(yè)的良性發(fā)展。

智慧水務(wù)能夠推動中國涉水產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)變和升級。目前中國水利行業(yè)對現(xiàn)代化技術(shù)的運(yùn)用還不夠成熟，相比于電力、燃?xì)獾刃袠I(yè)，水利行業(yè)發(fā)展明顯滯后。廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、3G、4G 等新一代的信息化技術(shù)[6]，使水利與新一輪行業(yè)（包括業(yè)務(wù)內(nèi)容、終端設(shè)備和系統(tǒng)平臺）實(shí)現(xiàn)整合；新的業(yè)務(wù)方式也將發(fā)生變化，這將會推動水利行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

5.5 形成新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)

智慧水務(wù)要求大面積更替現(xiàn)存的水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，可有力地刺激物聯(lián)網(wǎng)、智能儀表和管道行業(yè)的發(fā)展，也為通信行業(yè)創(chuàng)造了一個投資熱點(diǎn)。同時，智慧水務(wù)所采集和積累下來的海量數(shù)據(jù)將帶來可觀的市場價值，水務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)將隨之出現(xiàn)。此外智慧水務(wù)還涉及IT 硬件（芯片、存儲、顯示屏等）、軟件（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件）、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（無線通信設(shè)備、有線通信設(shè)備、運(yùn)營商）、互聯(lián)網(wǎng)等，這些上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)將隨著智慧水務(wù)的建設(shè)熱潮迎來一輪新的發(fā)展機(jī)遇。

6 結(jié)論

綜上所述，智慧水務(wù)建設(shè)是新一代工業(yè)革命推動城鎮(zhèn)供水排水行業(yè)高性能發(fā)展的必然趨勢，也是城鎮(zhèn)供水排水行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)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(jìn)城鎮(zhèn)供水排水行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，有利于提升城鎮(zhèn)水資源綜合承載能力。