基于砷浓度控制的原水优化调配系统及应用

2016-11-14祝丹丹

供水技术 2016年5期

关键词：东区原水水源地

沙净，韩珀，祝丹丹，王鹏

(郑州自来水投资控股有限公司，河南郑州450013)

基于砷浓度控制的原水优化调配系统及应用

沙净，韩珀，祝丹丹，王鹏

(郑州自来水投资控股有限公司，河南郑州450013)

针对地下水源单井水质砷、铁、锰等指标存在超标问题，确立了原水监测点布置方案，构建了原水井群监控网络，实现水质、水量、水压的在线监测，通过建立基于砷浓度控制的原水优化调配系统，有效控制进厂水砷低于30 μg/L，确保出厂水砷满足国标要求。

砷；原水监测；优化调配

北郊水源地位于花园口以东、黄河大堤内外约84 km2的范围内，共有水源井72眼，设计供水量为20×104m3/d。近年来，通过对原水井群监测发现，单井水质砷、铁、锰等指标存在超标问题，进厂水砷浓度需控制在30 μg/L以下才能保证出厂水砷浓度满足国标要求。而目前水厂原水调配主要依靠人工经验，无法通过原水井群的合理组合调配有效控制进厂水砷浓度，减轻水厂处理工艺负荷。同时，北郊水源地原水井无水质、水量、水压等在线监测设备，不能及时掌握原水水质变化和水力状况，也成为水厂原水优化调配的制约因素。

1 原水井群监测点优化布置及监控

1.1 原水监测点优化布置

北郊水源地原水井群分西区、东区两部分，编号为A、B、C三种，其中A、B为浅层井(井深63.39～86.01 m)，C为深层井(井深281.75～354.5 m)。根据历史数据分析，浅层单井砷、铁、锰等指标超标严重。原水监测点优化布置选择东区A9、A10、A11、A12、A15、A16、A19、A20、A21、A22、A24、A28、A30、A31、B20、B21等16眼原水井作为研究对象。

北郊水源地试验区内监测站点选择的主要原则是：在覆盖整个配水网络信息的前提下(即各污染源节点至少能被一个以上的监测站点检测到)，使各污染源节点被检测所需要的总体时间最短。综合考虑监测系统投资费用和安全保护水平，以快速有效监测、优化调配为目标，通过对原水输配系统进行实验分析与水力水质的计算模拟，建立了监测点优化布置模型[1]。

Ti=min(t(t,j)·x(j))

j=1,2,…,n

根据北郊水源地实际情况、监测点优化布置模型和选址原则，初步确定试验区监测点布置方案：在东、西区水源井入厂管线上布设砷浓度水质在线监测点、不同分支上选取A12、A28、A21、B21等4眼原水井布设流量在线监测点，并在此基础上，对各水井原有老旧在线压力传感器、在线水位计、远传网络系统进行更换改造，进而建立北郊水源地原水井群监控网络。试验区内原水井群水质、流量监测点布置方案见图1。

图1 试验区监测点布置方案Fig.1 The optimal location of monitoring points in test area

1.2 原水井群监控网络构建

根据试验区监测点布置方案，以D水厂调度室上位机的组态软件为操作界面(其硬件基础分为原水井监测部分、PLC数据接收部分和数据无线远传终端部分)，建立北郊水源地原水井群监控网络，实现了郑州北郊水源地东区原水井群进厂水砷浓度、流量及压力的在线监测。

原水井群监控系统由数据采集单元、数据控制单元(PLC)和数据远传模块组成。数据采集单元主要由压力液位和流量传感器等部件组成，用于对原水井的工作参数进行实时监测；数据控制单元以可编程逻辑控制器(PLC)为主体，直接与数据采集单元相连接，对测量的数据进行分析、存储、汇总，并通过RS-232串口通信模块将数据送往数据远传模块；数据远传模块收到PLC发来的数据后，把这些数据送至预先设定的数据中心的固定IP地址的网络服务器中，通过端口映射转发到数据中心服务器。其中，数据远传模块发送数据的过程为：数据送到中国电信CDMA网络中，然后再经过Internet，最后在数据中心通过ADSL进行接收。CDMA通讯任务负责无差别的数据传输，系统一旦运行，CDMA通讯任务就开始通过AT指令登陆Internet网络。由于G20模块自带TCP/IP协议栈，系统登陆Internet网络相对简单，成功以后，CDMA通讯任务就建立了一条从终端设备到服务器的透明通讯链路，从而实现较快的数据交互。

调度室的上位机通过ADSL Modem接收来自源水井的PLC数据，并通过自行研发的组态软件负责对远传数据进行显示、储存和分析任务。组态软件结构在逻辑上将应用功能分为客户显示层、业务逻辑层、数据层，其中客户显示层是为客户提供应用服务的图形界面，有助于用户理解和高效定位应用服务；数据层是三层模式中的最底层，用来定义、维护、访问和更新数据并管理和满足应用服务对数据的请求；业务逻辑层封装了与系统关联的应用模型，并把客户显示层和数据层分开，促使了表示逻辑、业务逻辑和数据库存储访问的分离。试验区原水井群在线监控见图2。

图2 试验区原水井群在线监控Fig.2 On-line monitoring system of water source in trial area

2 基于砷浓度控制的原水优化调配系统及应用

在实现原水井群砷浓度、流量、压力等指标在线监测的基础上，以各原水井供水量为决策变量，以各原水井供水混合后入厂处砷浓度最低、最大程度满足实际配水需求、降低能耗为目标，充分考虑各原水井砷浓度、实际供水能力以及输配水系统其他实际需求等约束条件，构建具有工况适应性的多目标原水优化调配模型，采用遗传算法与多目标优化算法相结合的优化方法对调配模型进行求解，开发出基于砷浓度控制的原水优化调配系统[2]。利用该系统可实现北郊水源地东区时、日用水量预测、各原水井砷浓度变化规律拟合、原水井群在线优化调度及离线调度方案等功能。郑州东区原水井群优化调配系统见图3。

2.1 北郊水源地东区用水量预测

(1)时用水量预测

以北郊水源地东区流量实时监测数据为基础，对设定时间范围内的各时段用水量进行预测，预测结果不仅为东区水源井运行管理提供依据，也为在线调度提供必要的数据基础。北郊水源地东区某时用水量界面显示见图4，用水量预测结果见表1。

图3 东区原水井群优化调配系统Fig.3 The optimal distribution system of well group in east area

图4 时用水量预测Fig.4 Hourly water consumption forecast

m3·h-1

(2)日用水量预测

以北郊水源地试验区井群流量实时监测数据为基础，对设定时间范围内每日的24个时段用水量进行预测，并与实测结果进行对比。D水厂北郊水源地某日用水量预测结果与实测结果对比情况见图5。

2.2 原水井群砷浓度变化规律拟合

利用该系统可对试验区内16眼原水井及东区进厂水砷浓度在线监测，对数据实时采集和分析，完成进厂水砷浓度变化规律模拟，并与实际出水砷浓度进行拟合，为原水井群优化组合调配提供了数据基础和现实依据。各单井及东区进厂水砷浓度拟合曲线见图6和图7。

图5 用水量预测结果与实测结果对比Fig.5 Comparison of the predicted consumption with the measured consumption

砷/(μg·L-1)403020100101112月份a.A9井123456789砷/(μg·L-1)101112月份b.A10井123456789403020100101112月份c.A11井123456789砷/(μg·L-1)403020100403020100砷/(μg·L-1)101112月份d.A12井123456789砷/(μg·L-1)101112月份e.A15井12345678950403020100101112月份f.A16井12345678950403020100砷/(μg·L-1)砷/(μg·L-1)101112月份g.A19井123456789706050403020100月份h.A20井10111212345678950403020100砷/(μg·L-1)6050403020100101112月份i.A21井123456789砷/(μg·L-1)月份j.A22井1234567896050403020100砷/(μg·L-1)101112月份k.A24井101112123456789403020100砷/(μg·L-1)月份l.A28井101112123456789403020100砷/(μg·L-1)月份m.A30井30252015100砷/(μg·L-1)101112123456789月份n.A31井2520151050砷/(μg·L-1)101112123456789

图7 东区进厂水砷浓度拟合曲线Fig.7 As concentration fitting curve of inflow in east area

2.3 原水井群优化组合调配计算

(1)在线调度

以当前时段为基础，对北郊水源地东区下一时段用水量进行预测。以预测水量为依据，进行在线调度。计算完成后，提供调度方案，用户可根据砷浓度、供水能耗、流量吻合度及水泵效率等四项评估指标作出在线调度决策方案。某时段北郊水源地东区原水调配系统在线调度计算见图8。

(2)离线调度

以当日24个时段的预测水量为基础，进行北郊水源地东区离线调度计算，该计算结果可为东区每日的调度决策提供重要依据。北郊水源地东区原水调配系统离线调度方案和计算分别见图9和表2。

图8 北郊水源地东区某时段原水调配系统在线调度计算Fig.8 On-line raw water dispatching scheme of a certain period of time of water source east area in Northern Suburb

图9 北郊水源地东区原水调配系统离线调度Fig.9 Off-line raw water dispatching scheme of water source east area in Northern Suburb

表2 北郊水源地东区原水调配系统离线调度计算

续表2 (Continue)

3 结论

① 在北郊水源地东区进厂水管线处布设1个砷浓度在线监测点、原水井群优化布设4个流量在线监测点，及时、准确地掌握试验区原水井群水质、水力状况，建立了北郊水源地原水井群监控网络，为原水优化调配系统提供了必要的数据基础。

② 以综合水质指标和经济指标为目标，构建了综合考虑供水水质、供水安全性及经济性的基于砷浓度控制的原水优化调配系统，实现了基于砷浓度控制的用水量预测、砷浓度变化规律拟合、原水优化调配等功能，有效控制进厂水砷浓度低于30 μg/L，并在北郊水源地东区原水井群调配、管理中进行了应用。

[1] 朱春凤. 基于砷控制的原水系统组合智能优化技术研究[D]. 青岛：青岛理工大学，2012.

[2] 董深. 基于水质保障的供水系统智能优化技术研究[D]. 青岛：青岛理工大学，2014.

Application of optimal distribution system of raw water based on the control of arsenic concentration

Sha Jing, Han Po, Zhu Dandan, Wang Peng

(ZhengzhouWaterSupplyInvestmentHoldingsCo.,Ltd.,Zhengzhou450013,China)

In view of the excess of arsenic, iron, manganese in well, which as the unique underground water source, the optimized location of monitoring points was determined. The monitoring network of raw water well group was established, and on-line monitoring of water quality, quantity and pressure was realized. The optimal raw water distribution system was established based on the control of arsenic concentration. The arsenic of inflow could be controlled to less than 30 μg/L effectively, and the arsenic concentration could meet the national standards in the outlfow.

arsenic; monitoring of raw water; optimal distribution