公共机构节水监测及用水管理技术研究与应用

王 康，郑泳杰，张 真，唐燕平，宋文豪，郭晓明

(1.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广东 广州 510611；2.水利部珠江水利委员会技术咨询(广州)有限公司，广东 广州 510611)

中国公共机构数量众多、人员较为集中，公共机构具有公众关注度较高、社会影响大的特点，公共机构率先开展节水工作具有重要的示范作用。提高水资源利用率和用水效率，创建节水型单位，对于促进全社会节水意识的提高，建设资源节约型、环境友好型社会，建设美丽中国具有十分重要的意义[1-2]。

公共机构在用水方面也存在着一定的用水特点，大量行业的公共机构仍存在用水粗放式管理的特点[3-4]，同时，部分公共机构由于建设时期较早，存在用水器具老旧、用水计量设备落后的问题[5]。公共机构的用水粗放管理容易造成公共资源的浪费，公共机构的管理与技术水平对于节约用水具有关键的作用，因此，公共机构的节水改造对于用水管理水平、节水观念意识以及节水技术的应用都有较高的要求。中国近年来，逐渐开始出现了智能传感器[6-7]、物联网[8]等技术在供水管网上的应用，开展节水改造工作，取得了一定成效。在节水改造前，公共机构用水及监控管理普遍存在的问题主要体现在以下方面：①用水计量设备落后，主要通过机械式水表计量，计数不够精准，且需要人工定期抄表获取，用水信息获取时效性差，水费计算方式传统、耗时耗力；②用水单元计量率低，无法实现用水的分楼层、分功能区统计；③管网漏损率无法计算，管网间存在跑、冒、滴、漏现象，次水表用水量之和与总表可能相差较大，管网漏损情况难以溯源统计；④用水计划不够科学，水量分配相对平均、人均用水量偏高，用水管理计划制定过程数据支撑薄弱，可供参考的用水分析数据较少。

研究重点关注公共机构用水监控与管理技术的实际应用，研究物联网、数据库、云部署等新技术在节水机关建设中的应用，切实解决公共机构当前节约用水管理面临的问题，以生态文明建设为指导，积极响应国家节水行动方案，推动建设一批“节水意识强、节水制度完备、节水器具普及、节水标准先进、监控管理严格”的公共机构标杆单位，进而带动全社会节水。

1 技术方法

主要包括节水改造硬件方案以及数据与平台建设两方面的内容。

1.1 硬件改造

对于公共机构节水改造的硬件方案设计，主要包括监控、器具改造、非常规水源利用措施等内容。公共机构用水量主要集中在卫生间、食堂以及绿化等几个方面，因此用水器具情况、再生水利用效率等对于公共机构的节水效果具有关键影响。节水器具的安装普及、雨水中水的回收利用以及绿化灌溉设备的改造均需要用水设备的硬件改造，并需要根据公共机构用水特点、用水规模、主要用水用户等具体情况针对性地制定全面合理的硬件改造方案。各部分改造内容如下。

1.1.1用水监控模块

目前许多公共机构仍大量使用传统的机械式水表，计量手段较为落后，为了提高用水计量的精确性和高效性，在用水计量上采用物联网技术，硬件上选用NB-Iot智能水表对原有机械式水表进行替换改造[9]，对传统的用水计量方式进行多项改进，具有在线监测、读表自动化、计量精度高等优点，可实现用水管理的智能化与信息化。

在此基础上对供水管网的计量上进行分级设计，首先根据供水的不同用途，进行生活区、办公区、绿化区等功能区的划分，对不同功能区的用水量进行分别计量，同时对办公区等用水单元较多的分区自上而下逐级划分，各用水单元进行分别计量，监控各功能区与各单元的用水量与用水特征。

1.1.2节水设施器具

2015年国家标准委发布的GB/T 31436—2015《节水型卫生洁具》为公共区域的节水器具改造提供了完善的指导。根据以往的研究，节水器具的节水效果明显，且经济效益较高，如红外节水控制器、脚踏冲洗阀等公共建筑常用的卫生用水器具，节水能力20%～50%，投资回收期为3～5 a[10-11]。

通过调查公共区域原有用水器具的情况，合理评估改造成本与节水效果，遵循实用性原则，选取合适的节水器具，对各个用水功能区分别提出改造方案，包括卫生间、食堂的用水器具、绿化地等区域的部分用水器具按照标准进行器具改造。

1.1.3非常规水源利用系统

对于非常规水源利用措施的设计，需要结合当地气候特点及办公区自身条件开展。充分发挥雨水收集设施作用，收集利用雨水，同时结合公共机构食堂等生活区的灰水、空调冷凝水、直饮水灰水特点，建设灰水利用装置，考虑经济适用的原则，其主要用于水质要求不高的绿化浇洒等。

1.2 数据与平台建设

对于数据与平台建设方面，主要分为供水漏损识别、数据分析与部署、用水管理平台建设、新媒体应用等。

1.2.1水量平衡与漏损识别

a)用水分级计量。用水分级计量网络主要基于水量平衡原理与连续性方程，用于识别供水管网中的漏损现象。根据供水管网水量平衡原理，供水管网在正常情况下供水不存在泄漏时，管道入口与出口流量最大差值ΔQ有：

ε=|ΔQmax(t)|

(1)

式中ε——可能存在的仪器最大测量误差等因素。

在供水管网中，理论上总水表与各分水表的水量总和相等，即：

(2)

式中Q——总表流量；qj——第j个分表流量；n——分水表总数。

实际出现漏损情况下，漏损量即为总水表与各分水表水量总和的差值，即：

(3)

式中q——漏损水量。

b)DMA漏损计算法。根据公共机构的供水管网节点划分独立计量区域(即DMA，District Metering Area)，进行供水管网分区计量管理，对管网按照一定的原则划分成多个独立的计量区域，从而对每个分区分别进行流量和压力的监测[12-15]。泄漏评估主要在DMA分区上进行，计算得到漏失水量。DMA的漏损率可以按照下面的公式计算：

(4)

式中P——漏损率，%；VIN——1个时段内DMA分区的总进水量；VREC——1个时段内DMA分区被计费或记录的水量。

c)夜间最小流量法。通过统计方法测定夜间合理流量，将夜间测得的最小流量与日平均小时流量比较，如果夜间最小流量与夜间平均合理流量区间差距较大，则判定为夜间人为漏损，从而计算得出漏损率。通过监控区域内日内流量变化，统计夜间最小流量与日平均流量之间的关系，判断每日的夜间流量是否处于合理区间，分析夜间人为原因造成用水漏损的概率，及时发现问题。夜间最小流量法具体计算方法如下：

(5)

式中Qmin——日小时流量的最小值；Q′——日小时流量序列的平均值；X——夜间最小流量与平均流量的比值，将当日计算的X值与历史计算值进行比对，X值超过经验判断的历史合理区间，则判定为可能发生夜间人为漏损。

1.2.2数据库设计

收集节约用水标准、管网分布图、改造前历史用水数据，设备详细信息数据，整合自来水管网基础数据、实时计量数据、历史计量数据和日志等数据，建设成数据库。主要包括：①基础数据库，主要是静态的供水相关的基础信息；②实时监控数据库，主要用于存放各智能水表的实时监测数据，以及通过汇集各类用水历史数据和其他用水数据等；③空间库，主要是描述管网拓扑结构等。

通过数据库构建，开展数据的计算、分析和挖掘，完成长序列的用水量监测数据分析，分析公共机构用水量的变化特征和用水规律。实现用水数据精确计算，并通过对数据进行统计分析，深入数据挖掘指导节水业务，辅助精细化用水管理。

1.2.3平台及应用设计

平台应用及设计采用的技术主要包括Web三维可视化技术、云部署、移动应用等。基于TWaver3D引擎对建筑物输水管网、重点建筑、园区建立三维可视化模型；基于云端和本地部署，两端部署数据和应用互为补充和备份；通过微信小程序、二维码扫描等功能作为节水管理与宣传教育的新媒体工具。

2 技术应用及实现

以珠江委节水机关建设工作作为实践案例，取得了良好效果，经过9个月的建设改造，顺利通过水利部节水机关建设的验收工作，并获得广东省三部委联合遴选的“水效领跑者”称号，建设成果显著，为广大公共机构的节水改造工作提供成功示范。以珠江委节水的机关建设为例，从用水终端改造、用水计量网络设计、用水数据分析、用水管理平台建设等介绍公共机构的节水技术的应用与改造工作。

2.1 用水终端改造

硬件改造包括用水器具改造，监测设备改造以及再生水利用设施改造等。硬件改造采用“先试后行”模型。以机关单位用水特点谋划硬件改造工作，对节水改造的硬件采用先选择试点，再逐步安装替换的模式，首先统计用水器具类型及数量，按照器具类型在市场采购不同品牌的器具，选择具有代表性的位置进行试装试用，通过试装试用对比各品牌器具使用效果，最终确定批量购买器具的规格、型号参数，以实现选用优质器具的目的，避免了大规模采购安装后再发现问题时对人、财、物力的浪费。

2.2 计量网络设计

珠江委用水远程监控模块主要包括如下几个功能：布设用水计量设备及传感器等硬件监控办公区域内各分区的用水量及水压等用水指标；收集各类供水计量设备获取的参数并对用水数据进行分析；在用水管理平台上展示用水信息并提供监控管理辅助，执行管理人员的查询分析命令等。计量网络的设计是用水监控模块的硬件基础，基于NB-Iot智能远程水表实现用水监控的自动化和高效化。

通过智能水表硬件改造后，NB-Iot智能用水数据采集硬件网络包括四级计量用水数据：第一级包括1个智能水表，为珠江委办公区域总表，记录总计用水情况；第二级包括8个智能水表，为珠江委办公区内主楼、南楼、水保楼3栋建筑以及绿化等其他设施的总表；第三级共34个智能水表，为建筑物各个楼层或各功能区的水表；第四级共4个，为各楼层下卫生间、沐浴间等不同功能区的分水表。合计47个智能水表，见图1。

2.3 漏损识别

珠江委办公区域管理系统的漏损计算主要包括两部分：①输水管网的系统漏损，包括供水管网输水过程中出现的管网破损、节点汇接不严密等环节造成的漏损；②用户用水习惯造成的漏损，如夜间忘关水龙头等。具体计算方法如下。

a)分级计量。根据珠江委大院办公区域的供水管网特点，分楼、分层、分功能区布设独立计量区域用于计量用水数据。用水计量网络自上而下存在四级智能水表，用于计量各级、各分区的用水情况，通过下一个级别的水表总和与上一级水表的差值定位管网系统漏损所在的层级。分析总水表与各分支水表之间的统计关系计算漏损。

b)夜间人为漏损。根据研究区域的实测用水量监测数据，珠江委办公区域日内用水量变化呈现明显的峰谷变化特征，用水高峰期主要出现在工作时间，夜间办公区域用水人数较少，用水量主要为冲厕、洗手等，夜间为用水低谷时间段，通过安装在办公区域各楼层的智能水表，基于夜间最小流量法计算夜间最小流量与日平均流量的比值，若当日的计算值偏离历史计算值的合理区间，则表示当日夜间最小用水量对比正常情况相差较大，则判定为可能发生夜间人为漏损，出现用水器具未关闭等行为。利用该方法及时发现夜间用水异常，在系统中提示用水异常告警，并定位用水量异常的水表区域，以采取相应的检查确认措施。

2.4 非常规水源利用

对于非常规水源的利用需要结合当地气候特点及办公区自身条件开展，主要分为灰水回收利用与雨水集蓄利用两方面。珠江委大院地处广州，雨水丰富，雨水利用是南方地区非常规水源利用的重要手段，同时存在直饮水废水、食堂场所灰水等非常规水源，且相比雨水具备较好的稳定性，合理利用灰水对公共机构非常规水源的利用具有重要意义。结合南方气候特点及珠江委办公区自身条件开展再生水利用设计，一方面充分发挥雨水收集设施作用，收集利用雨水，同时结合食堂灰水、空调冷凝水、直饮水灰水特点，建设灰水利用装置，考虑经济适用的原则，非常规水源的用途主要考虑水质要求不高的绿化浇洒等。

针对食堂所在建筑设置灰水利用桶，主要用于绿化浇洒，与雨水集蓄桶联动，共同浇洒南楼周边绿化区域。根据建筑情况开展雨水集蓄装置建设，在主要建筑的两侧雨水管处分别安装大容积雨水桶或考虑地埋式集水池方案，收集屋面雨水及中央空调冷凝水，设置的雨水集蓄桶及加压装置，与喷灌管网连接，用于绿化喷灌。

2.5 用水分析

公共机构的用水管理涉及多类用水相关数据，本研究在汇聚基础数据库、实时监控数据库的基础上，进一步开展数据的分析，一是用水数据的分析，通过人脸门禁数据、各单位人数等精确分析办公区用水人数数据；通过智能水表数据精确计量用水总量数据。二是对监测数据进行统计分析，如历史用水数据分析、用水漏损分析。三是挖掘数据信息指导节水工作，主要包括通过历史数据分析月用水量变化规律，精细制定用水计划；结合水利部和地方下达的用水定额要求，及历史用水情况，细化不同用水定额，具体包括功能区用水定额，单位用水定额等。

根据供水、输水、用水各环节的特点及监测数据进行定量分析，为制定用水计划提供辅助。在建成高精度的用水监测与计量网络的硬件基础上，持续监测和采集实时的用水数据，形成各楼层、各分区的历史用水时间序列。根据历史用水时间序列分析用水两变化规律，估算下一周期的用水量，辅助用水计划的制定。

2.6 用水管理平台

平台主要架构分为8层(图2)，包括用户层、应用层、应用支撑层、数据资源层、运行环境层、采集层、安全保障体系以及运维保障体系。平台基于云端和本地部署，两端部署数据和应用互为补充和备份，且各有侧重，可以保障数据和应用的安全。

图2 平台架构

珠江委智慧用水管理平台包括应用门户、监测预警、查询展示、统计分析、水费结算和系统管理等功能模块，各模块具体功能见表1，实现了用水管理监测的便捷查询、高效管理、辅助决策、直观展示功能(图3)。

表1 用水管理系统主要功能介绍

图3 用水数据统计分析界面示意

2.7 建筑管网三维模型

用水区域的三维建模范围包括珠江委办公区内主楼、南楼、水保楼等主要建筑物的设计建设资料等(图4)。通过构建珠江委大院内3栋大楼的三维模型，实现对珠江委三栋大楼的三维实景展示，基于三维模型对用水情况的实时实景监控，以及对用水管网和计量设施设备进行在线运行维护和管理，且能对跑、冒、滴、漏等现象及时地预警和定位，便于快速发现和查找解决问题，促进节约用水。

图4 建筑物三维模型总览

三维模型除了用于直观展示建筑内的供水管网以外，在用水管理系统中同时用于定位及展示珠江委办公区域各楼层分布，以及相应用水监控设施布设情况，如智能水表、节水用水设施的布设与位置分布、供水及排水管网布设情况及拓扑关系等，基于三维管网模型提供实时监测报警、用水异常定位等功能(图5)。

图5 建筑内部供水管网三维模型细节

2.8 节水观念宣传

应用手机端小程序对节水设备标识的二维码进行识别，通过对智能水表、管网以及其他用水器具张贴二维码，实现对节水设施设备的智慧管理。提供便捷易用的设备故障申报渠道，积极引导大众参与节约用水各个环节，提高管网设备运行维护效率。

开发移动端小程序，促进公众参与对用水设施设备的维护，在用水过程中发现节水设备发生故障时，可随时随地使用手机扫描二维码上报问题，节水管理人员第一时间安排工人现场检修。

2.9 节水改造效果分析

2.9.1改造前用水情况

节水机关建设前，珠江委办公区水表采用人工读表，全年总用水量需要寻找计量周期最接近的抄表日期的读数进行折算，2016—2018年全年用水量分别为22 420、22 530、22 062 m3。人均用水量根据《水利行业节水机关建设工作指南》计算，2018年人均日用水量约79 L/(人·d)。原有二级水表抄表数之和与总表抄表数相差较大，为4 547万m3，用水计量率仅为79.4%，用水计量率较低。

2.9.2改造后节水效果

珠江委节水机关建设改造工作于2019年9月份结束，试运行期为10、11月。按照《水利行业节水机关建设工作指南》指导意见的计算方法，试运行期间用水量折算全年用水量方法为：

(6)

根据上述方法，折算2019年度全年用水量即为19 839 m3，相比2018年度下降10.1%。计算人均用水量下降至63 L/(人·d)，下降了16.5%。用水计量率由79.4%升高至100%，根据水平衡测试成果，管网漏损率仅为0.8%。节水效果显著，见表2。

表2 珠江委办公区节水机关建设方案实施前后效果对比

3 结语

结合公共机构供水特点和用水模式设计了节水改造与用水智能监测分析方案，通过项目示范应用和技术推广以珠江委及其核心下属机构为载体建立示范典型，有效引导公共机构节水发展方向，主要研究成果如下。

a)根据公共机构建筑结构布局特点和供水需求，充分结合当前硬件和网络先进技术，定制智能水表、压力监测设备、流量监测设备等智能物联网设备，利用4G和Internet通讯技术形成对用水量、压力和流量数据一体化监测硬件体系，能明显提高公共机构用水的计量精度，有效提高用水管理的效率。

b)建成精细化用水分级计量硬件体系，实现分区域、分楼层、分功能区自动获取用水数据。完善的智能节水监测硬件体系有利于及时发现用水异常，分析漏损现象，根据各功能区用户用水数据制定合适的节水措施，为公共机构节水工作挖潜增效。

c)部署云端和本地节水数据库，主要存储和处理问题上报数据，且同步至本地，本地主要存储计划用水数据、实时监测数据和水费相关数据，两端部署数据和应用互为补充和备份，且各有侧重，保障数据和应用的安全。

d)充分考虑节水指标和用水定额，设计了精确供水监测技术方案，输水漏损监测分析技术方案、用水分析及决策辅助方案，根据封闭管道供水-输水-用水流量平衡原理，分析各分流节点流量变化和异常检测，同时，采集实时监测数据，通过对总用水量及各区、各时段用水量历史数据构建，科学分析用水规律，实现需水用水分析。

e)采用NB-Iot物联网技术，可视化三维建模等模块，开发针对公共机构的软硬件一体化智慧节水管理平台。同时集成了物联网和三维建模等技术增强了软件平台的交互能力、集成能力和服务能力。积极拓宽新媒体手段应用于用水节水管理工作，鼓励公众参与节水工作，推动社会节水观念的觉醒。