“十三五”水專項“金澤水庫供水水質保障技術集成與綜合示范(2017ZX07207005)”課題成果介紹

提標改造、優化工藝、精細管理等一系列手段使上海市飲用水水質邁上了一個新的臺階。此次“十三五”水專項對服務人口達1 082萬人的西南五區(747萬)及推廣應用區(335萬)設立了500個用戶端水質采樣點，并委托有資質的第三方檢測機構進行了連續半年以上的采樣檢測。經檢測分析，各項指標全面穩定達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求，對照GB 5749—2006,供水水質年綜合合格率由“十二五”末期的98.58%上升到2020年的100%；對照上海市地標DB31/T 1091—2018，2020年常規7項合格率為99.98%。此外，“飲用水水質綜合評價指數”等評估指標和方法的引入，使水質管理者擁有了更豐富的管理工具，拓展了管理維度，助推了管理水平的提升。

建成水專項示范工程上海市多水源供水信息化平臺并投入業務化運行。本示范工程在“十一五”和“十二五”供水信息化建設的基礎上，整合各類已有系統和新建系統，打造了從水源地到居民龍頭的一體化、全流程、智慧化的綜合管理平臺，通過跨流域、跨區域監測數據共享平臺可實現從源頭到龍頭的全過程數字化管理，極大的支撐了智慧水務建設，完善了整個城市供水系統的使用功能，確保上海市供水安全、穩定、優質、經濟的運行，為推動長三角智慧城市發展做出貢獻。同時在示范工程建設過程中，及時總結項目經驗，形成一套成熟的可復制推廣的工程經驗，可在全國范圍內做進一步推廣應用。

1 研究背景

上海依水而建，因水而興，安全優質的自來水供應，是促進上海城市發展、構建和諧幸福社會的基礎，是保障人民生活健康的重要工作。作為中國供水歷史最長，供水能力最大的城市，上海的公共供水全面覆蓋城區和郊區，“十二五”期間完成了城鄉一體集約化供水，基本實現了城鄉統籌發展。在市委市政府的積極推動和水專項的持續支持下，上海形成了“兩江并舉、多源互補、多庫聯動、一網調度”的水源格局，實現了陸域區域的原水管道互聯互通，建立了多水源聯合調度系統，持續推進水廠深度處理工藝改造和老舊管網更新改造，完成3輪二次供水設施改造；“十二五”末期，中心城區供水水質已全面達標。2016年底，位于長三角一體化核心示范區的金澤水庫建成通水，供水區域覆蓋上海西南五區747萬郊區人口。“十三五”水專項上海項目針對太浦河金澤水源地水質安全保障開展綜合示范研究，本課題是上海項目里的集成課題，針對金澤水庫供水區原水系統智能調度、水廠深度處理工藝優化、管網水質安全保鮮、二次供水在線監管等開展技術研究和集成示范，全面保障西南五區飲用水安全，為實現全市供水水質全面穩定達標補齊最后一塊短板。相關成果輻射長三角，服務長三角一體化高質量發展。

2 研究成果

在水專項的實施過程中，上海市開展了“從源頭到龍頭”飲用水安全保障關鍵技術研究與示范，在關鍵水質指標識別與標準提升、城市多水源水質預警與綜合調配、水廠處理工藝優化與提升、超大城市供水管網輸配維持與穩定、二次供水運行優化與監管等方面取得了一系列技術突破，構建了超大城市飲用水安全保障技術體系，頒布了一批技術與管理標準，實施了多個飲用水安全示范工程，有力支撐了上海市飲用水安全。

本課題構建了超大城市飲用水安全保障技術體系成套技術(圖1)，突破了原水智能調度技術和二次供水監管技術2項關鍵技術，研制了2個自主知識產權技術產品和裝置樣機，構建了原水水量預測模型、原水系統水力模型和原水智能調度模型等計算機模型，開發了二次供水監管平臺和多水源供水信息化業務平臺(圖2)，編制了3項技術標準和管理標準，申請了3項專利，其中申請發明專利1項，授權實用新型專利2項，發表論文23篇。

圖1 超大城市飲用水安全保障技術體系圖

圖2 超大城市多水源供水信息化平臺示范工程

通過水專項技術研發和成果推廣應用，在原水方面，上海市已形成了多水源聯合調度系統，安全預警系統，水源地突發應急方案；在水廠方面，完成水源切換條件下的水廠適應性技術方案，全面推進了水廠深度處理工藝改造和工藝優化，完成了城鄉一體集約化供水工程建設；在輸配環節，完成供水管網水質維持與穩定技術方案，完成了居民二次供水優化改造和監管技術方案，并進行了高品質飲用水的探索和實踐。最終，使上海市水質不但滿足國標《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，并繼續提升達到上海地標《上海市生活飲用水水質標準》(DB31/T 1091—2018)，形成了一套具有上海多水源特色的超大城市飲用水安全保障技術體系和管理方案(圖1)，為《上海市供水規劃(2019-2035年)》建成“節水優先、安全優質、智慧低碳、服務高效”城市供水系統的目標奠定了堅實基礎。

2.1 原水智能調度技術

基于包括泵站、水泵、閥門、管道、調節池、調壓池、分水點等要素的水力仿真模型，結合需水量預測模型，在決策過程中充分考慮調度運行的實際要求，根據當前水泵運行情況，智能篩選方案，減少水泵的切換，保持調度運行方案的延續性；將水泵狀態(停役、檢修)納入決策影響因素中；支持變頻泵的同頻與差頻運行，支持調壓池擋水堰非滿流時的壓力流與重力流混合供應，構建包括全系統和多因素的智能調度決策模型。決策模型啟發式算法和梯度算法結合，實現優化方案自動決策，方案優化計算秒級響應。具體技術內容如下。

(1)水量預測模型建立

通過建立供水量預測模型進行郊區短期水量預測，并對預測的結果進行修正、獲取完整的供水量預測模型并進行循環預測。

(2)原水系統微觀水力模型建立

建立包括原水輸水泵站、提升泵站、各分水點、受水點、相關管路及各管配件的精細化管網微觀水力模型，精確模擬原水供水系統，作為智能調度決策算法的輔助計算模型。

(3)調度決策算法模型研究

根據確定的決策目標，確定決策變量和決策約束條件，構建多目標的決策模型，并選用“混合專家梯度法”求解算法。

主要創新點如下。

(1)基于相關影響因素耦合相關性分析，采用時間序列和長短期循環神經網絡CNN-LSTM模型組合相結合的方法進行多尺度需水量組合預測，進而結合節假日等影響因素進一步進行二次在線修正，實現中原水需水量短期在線需預測，預測精度控制在3%左右。

(2)基于構建包括泵站、水泵、閥門、管道、調節池、調壓池、分水點，進行全系統高精度水力仿真模型，結合需水量預測結果，在決策過程中充分考慮調度運行的實際要求，根據當前水泵運行情況，智能篩選方案，減少水泵的切換，保持調度運行方案的延續性；將水泵狀態(停役、檢修)納入決策影響因素中；支持變頻泵的同頻與差頻運行，支持調壓池擋水堰非滿流時的壓力流與重力流混合供應，構建包括全系統和多因素的智能調度決策模型。決策模型以啟發式算法與梯度算法結合，實現優化方案自動決策，方案優化計算秒級響應。

(3)實現了大規模復雜原水系統的智能調度。原水智能調度技術成果應用于金澤原水系統日常調度，總共包含受水單位14家、原水增壓泵站3座(共計29臺大型輸水機泵設備)、分水點4個、調節池5座、前池6座、調壓池2座、調節閥9個，主要管、渠道單線長度共計71.4 km，壓力流與重力流混合供應，體量龐大，工藝復雜。

主要成果形式如下。

(1)申請發明專利：2020116367001 一種同型號調速泵泵站節能運行的優化方法。

(2)軟件著作權登記：2020SR1270770 黃浦江上游金澤原水智能調度決策系統。

2.2 二次供水監管技術

二次供水監管技術聚焦二次供水環節水質風險防范和綜合管理，降低生物風險，提升信息化能力和服務水平，保障居民用水安全。

依據水質監測情況開展實地考察和調研分析，明確以水池(箱)為監管重點，加強總氯和濁度兩項指標的日常監測，建立基于在線監測-日常檢測-事故檢測的多層次監管指標體系；形成提出小區二次供水水質監管點的設置原則、設置位置與方式、監測方法與頻次、管理與維護等內容，形成了可應用推廣的二次供水水質監管點設置導則，編制了《二次供水水質監管點設置技術規程》。在此基礎上，進一步編制了二次供水管理的標準化指導性技術文件《居民小區二次供水管理標準(試行)》。

開發了具有自主知識產權的移動組合式、即插即用的多參數二次供水水質在線監測裝置，具備數據傳輸、采集、分析與跨平臺顯示功能。產品穩定連續運行17個月，數據完好率>88.4%。總氯、濁度、COD等指標精準度均通過了實驗室人工檢測校驗，有效彌補了二次供水水質投訴響應等異常情況的監管短板。

依據不同供水方式，采取分層抽樣和按比例分配方法，在原有中心城區監測點基礎上新增西南五區110個水質監測點，形成了包含實時監測系統、信息公開系統和設施進度/運維管理系統的二次供水水質監管信息化平臺，通過水質實時統計、篩選、分析和預警功能，為應急處置提供決策支持，實現水務行業大數據智慧化應用。

關鍵技術通過構建監管評估指標體系、制定二次供水管理相關辦法、固定監管點與移動式二次供水水質監管裝置相結合，集成擴建了覆蓋西南五區和中心城區的二次供水監管信息化平臺，實現業務化運行，形成區域二次供水水質信息化監管，破解二次供水監管難題(圖3)。

圖3 二次供水監管技術流程圖

2.3 示范工程和示范區成果

(1)在“十一五”、“十二五”青草沙、陳行原水系統調度系統基礎上，新建金澤原水智能調度系統，與青草沙、陳行原水系統調度平臺對接，形成上海市原水聯合調度系統并業務化運行，實現可調配原水水量1 000萬t/d。在上述聯合調度平臺基礎上，接入金澤水源水質水量監測與預警業務化平臺、供水調度信息系統(包括水廠、管網監測數據)、二次供水監管平臺等數據，實現西南五區原水、供水聯動，形成上海市多水源供水信息化業務平臺，進行業務化運行。圖4為二次供水水質示范線。

圖4 二次供水水質示范線

(2)平臺由金澤原水智能調度、多水源應急聯動調配、二次供水(西南五區)水質監管點、二次供水(青浦、奉賢)水質示范線，以及金澤藻類預警(水庫水質的監測與預警)、供水調度信息(包括水廠、管網的數據監測)構建而成。系統整體上采用B/S的技術模式，貫徹MVC設計思想，采用三層應用部署方式。服務器端通過后臺產品加工廠，實現數據的加工和產品的生成，通過Web Service、Rest和一般處理程序發布功能服務，為各研究模型計算提供數據服務。

示范工程成效如下。

(1)通過原水智能調度和多水源應急調配，“兩江并舉，三源互動”，保證三大水源地原水供應。

(2)通過集成100多個二次供水水質在線監管點，保障共計不少于 1 000 萬人口龍頭水水質全面達到國家《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求。

(3)與2018年基準年相比，金澤水庫原水泵站運行噸水電耗(kW·h/m3)降低5%。

示范區應用成效如下。

上海西南五區及推廣應用區共計1 082萬人，設立了500個用戶端水質采樣點，按照主題專家組評審通過的水質監測方案，委托有資質的第三方檢測機構進行了連續半年以上的采樣檢測。經檢測分析，各項指標全面穩定達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求，達標率為100%。

3 成果應用

3.1 典型成果應用(點)

一種移動水質檢測消毒藥劑投加設備(ZL2019223568173)是一套可移動式市政供水管網自動加藥清洗系統，可移動、自動配藥、自動投加、小型化、可由系統派單的管網消毒自動一體投藥裝置。具有可移動、自動配藥、自動投加、小型化等特點。解決了傳統人工清洗市政管網時加藥計量不準確，加藥不均勻，消毒不徹底，沖洗時不能連續監測水質造成水量浪費的現象。移動水質檢測消毒藥劑投加設備已在上海市管網清洗消毒業務中多次應用，其中在上海臨港新片區管網清洗消毒業務中作業時間最長，清洗管道長度21.2 km，詳情如下：

地點：兩港大道、妙香路、兩港西大道、正嘉路、滄海路、云水路、江山路、玉宇路；管徑/長度：DN1000/10.34 km，DN800/10.86 km。目前，已與寧水集團簽訂裝備開發和成果轉讓合作協議，將在浙江省乃至全國推廣應用。

3.2 青浦-奉賢成果應用(線)

在青浦、奉賢兩條線開展從源頭到龍頭飲用水安全保障典型示范應用。形成上海市多水源供水信息化業務平臺，實現原水供水聯動和二次供水監管。青浦、奉賢作為該成套技術的典型示范應用區域，開展了從源頭到龍頭的飲用水安全保障技術的推廣和應用，主要集中于水廠工藝優化、管網及二次供水更新改造及監測工作。圖5為奉賢采樣點水質情況。

圖5 奉賢采樣點水質情況

在水廠環節，通過金澤原水水廠工藝集成優化關鍵技術研究，形成了金澤水庫水源水廠技術示范運行優化技術方案，其中青浦三水廠以生物安全風險控制的生物活性炭和超濾膜組合工藝進行優化技術示范，該示范工程的實施，穩定達到國標基礎上，消毒副產物、微生物指標、濁度、等指標達到了上海市《生活飲用水水質標準》要求。在示范應用基礎上，形成《制水廠運行規程》、《金澤水源水廠適應性技術方案》、《上海市飲用水嗅味控制技術方案》成果，為青浦及奉賢區其他水廠運行提供了技術支撐和經驗。

在管網及二次供水環節，構建完成了供水管網和二次供水監管體系。此外，結合“十一五”和“十二五”上海市中心城區供水管網優化運行和二次供水改造工程的經驗，青浦、奉賢區域開展了全市范圍內的供水管網及二次供水改造更新示范。青浦區十三五期間年共改造更新供水管網436.5 km，改造二次供水小區405個；奉賢區十三五期間年共改造更新供水管網752 km，改造二次供水小區213個。管網和二供環節示范技術包括管網布局優化技術、多級加氯消毒技術、管道非開挖修復技術、多相流管道沖洗技術和二次供水在線監測技術等。

在上述工作基礎上，以青浦二水廠、青浦三水廠和奉賢一水廠為供水水廠，以青浦、奉賢大型居住區為示范，建立了3條從源頭到龍頭水質達標信息系統。

3.3 西南五區及推廣應用區成果應用(面)

在多水源調度超大城市飲用水安全保障技術體系的基礎上，結合在“十一五”、“十二五”的研究成果，構建了示范工程“上海市多水源供水信息化業務平臺”，進行業務化運行。平臺跨流域(長江、黃浦江、太湖)、跨省市(上海、江浙)、跨業務(水務集團、區縣公司)實現業務數據的共享互通，加強水質抗風險能力；全面覆蓋原水、水廠、管網到二供，實現從源頭到龍頭全流程的一體化業務管理，提高供水安全保障能力；多水源應急調配實現“兩江并舉，三源互動”的應急聯動，形成18個應急調配方案，提升供水應急處置能力；金澤原水智能調度提高方案的科學性和合理性，提升了機泵的運行效率，降低了生產能耗，提升智能調度水平。形成以安全、高效、經濟、優化、智能為特點的五位一體的多水源供水信息化業務平臺。

基于上海市“兩江并舉、多源互補”水資源格局，開展了多水源調度技術研究，形成了上海市多水源供水信息化業務平臺，實現了原水供水的聯動，可調配原水水量1 000萬t/d，滿足了上海超大城市的供水需求。針對超大城市供水管網復雜，二次供水設施存量較大的情況，開展了相應的更新改造技術研究，結合改造工程的配套開展，進一步實現了城市管網及二次供水的數字化監管，為保障龍頭水穩定達標提供數據支撐。通過江河庫多水源調控超大城市飲用水安全保障技術集成與綜合應用，最終實現上海市不少于1 000萬人口龍頭水質穩定達標。

工程示范組織管理方式和經驗、技術推廣應用情況如下。

平臺數據由跨流域(長江、黃浦江、太湖)，跨省市(上海、江浙)，跨業務(水務集團、區縣公司)，實現互聯互通的共享機制。實現了從太浦閘、吳江水質數據、市水文總站數據、海事船舶數據、金澤水庫水質數據、以及水廠、泵站、管網的數據交換、數據的集成展示，形成了從原水，水廠、管網到二次供水,全流程的精細化業務管理，集成和優化了金澤供水示范區從源頭到龍頭飲用水安全保障系統技術體系，形成以安全、高效、經濟、優化、智能為特點的五位一體飲用水安全保障技術體系，保障共計不少于1 000萬人口龍頭水水質全面達到國家《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求，全面提高了上海市金澤供水示范區供水安全保障能力。