生產廢水精準智能噴灌控制系統研究

李 柱 劉子厚 紀秀玲

（1.上海城投水務（集團）有限公司制水分公司，上海 200086；2.上海有源實業有限公司，上海 200245）

傳統的凈水廠養護方式一般通過人工澆灌，存在浪費水、用工多、效果差以及植物成活率低等問題，同時在澆灌養護作業中容易對敞開式工藝構筑物造成污染，對局部道路因澆灌過多，導致積水等現象。隨著凈水廠在線檢測儀表的配置增多，從原水、過程水到出廠水都配備了大量的實時檢測儀表，不同儀表的進水量和進水壓力均有所不同。考慮水樣的實時性，在儀表進水側開通旁通管方式實現保證進水壓力穩定，實時檢測水質[1]。旁通管所排放的水樣直接排放到生產廢水系統，會產生一定的浪費。該排放水屬于一般自來水，可以作為綠化使用。為了打造節水型自來水廠，充分挖掘回用水潛力，南市水廠利用智能物聯網技術，通過收集存儲檢測儀表廢水，全面感知、檢測綠化環境，實現自動噴灌作業。

1 自動噴灌系統設計

南市水廠占地0.107 3 km2，綠化面積占比約為25%，多次榮獲上海市花園單位稱號，廠區內生態環境良好。毗鄰清水泵房敷設著一片綠地，清水泵房的儀表采樣水從3根出廠水管接出，且各自設有旁通管，多余的儀表廢水排出后匯入泵房間集水坑，再由排污泵進行排放。

1.1 噴灌技術簡介

噴灌是經過管道輸送將水通過各式的噴頭進行噴灑澆灌，主要特點是將水噴射到空中形成細小的水滴，然后再均勻地灑落在綠化帶中[2]。噴灌具有供水壓力足、射程遠、可滿足大面積草坪灌溉需求的特點[3]。

噴頭選擇固定式或伸縮式。伸縮式噴頭一般由噴嘴、伸縮桿、外殼、驅動機構和調節機構等5個部分組成[4]。在灌溉時伸出，水力驅動機構依靠水壓驅動齒輪推動伸縮桿旋轉，確保灌溉均勻；平時藏于地下不影響草坪景觀和割草機作業。通過集成土壤濕度檢測儀和雨量傳感器實時數據采集，通過控制系統實現按需噴灌或人工定時噴灌。因此該噴灌方式具有靈活多變、操作簡單的特點。

1.2 系統架構設計

自動噴灌系統由檢測系統、數據處理系統、控制系統和執行系統等4個部分組成。通過土壤濕度檢測儀和TRS雨量傳感器采集實時數據，并將數據傳輸到數據處理系統，在滿足觸發條件時控制系統自動啟動增壓泵，開啟閥門進行噴灌作業，同時通過壓力傳感器實時監測噴灌質量和系統是否異常，在完成噴灌操作后系統自動停止[5]。

自動噴灌工藝原理如圖1所示。

圖1 自動噴灌工藝原理

1.3 收集及消耗水量計算

清水泵房3根出廠水管的采樣管徑均為DN32，采樣管的壓力穩定在230～250 kPa，按照管道經濟流速估算采集總水量約為17 m3/d。儀表間供應的儀表為1720E濁度儀1臺、CL17余氯儀1臺、氨氮儀1臺等。根據儀表的額定進水量計算（如1720E濁度儀進水流量200～750 mL/min；CL17余氯儀進水流量200～500 mL/min），采樣管的有效使用水量合計為2.16 m3/d，通過實測旁通管的排放水總量大約為14.80 m3/d，根據初步核算滿足附近綠化區域使用，該水量可以收集并用于綠化噴灌使用。

1.4 設備設施選型

儀表檢測廢水收集水箱采用不銹鋼水箱，容積為10 m3，并設置有進水管、溢流管及放空管，配置液位計及檢修閥門等附屬設備。管道采用PPR管材，耐壓不低于1.25 MPa，產品規范，符合ISO9001國際標準，耐酸堿、不易被腐蝕、管壁光滑且管道最大承受壓力大于12.5 kg/m2，PVC管件為S5級。

根據綠化的長度、面積及使用的噴頭參數，計算噴頭數量，保證灌溉全面覆蓋。該區域設計4排干管，每排設置10個支管并配置2個噴頭。噴頭使用的是5100及1804系列噴頭（射程5～10 m）。控制器為TMC站控制器，水泵使用國產離心泵，水泵流量12 m3/h，揚程50 m，功率5.5 kW。

電磁閥采用P150電磁閥，材質為增強塑料，并帶有手動開啟功能。電磁閥工作電壓為24 V，保證了系統的安全性，電磁閥外部采用專用的閥門箱保護。

2 自動噴灌施工要點

2.1 施工工藝流程

智能自動噴灌工程包括廢水收集管道及水箱安裝、增壓泵及控制系統安裝、供水干管支管敷設及噴頭安裝、調試運行等環節。

自動噴灌施工工藝流程如圖2所示。

圖2 自動噴灌施工工藝流程

2.2 噴頭安裝要點

在噴頭下面安裝專用的千秋架，且各個方向均可以活動，便于調節噴頭的高度，特別是當發生沉降時可以直接進行調節，還可以緩沖來自噴頭頂部的壓力，保護噴頭和在草坪上進行養護作業的工作人員。

在每組噴灌的管道低點安裝手動泄水閥，保護管道在冬季泄水時不被凍裂。同時在管道水泵出口處安裝進排氣閥，使管道在進水時能夠排出管道中的空氣，減少水錘及氣堵現象的發生，保護管道和噴頭[6]。

2.3 噴頭調試注意要點

噴頭裝好后，根據需要調節好流量與角度，在灌溉系統全部安裝完成后，進行水泵連續運行試驗。啟動水泵，待管內空氣排出后，水泵以最大正常工作壓力運轉，此時灌溉系統僅開啟少許噴頭噴水，水泵連續運轉1～2 h，觀察管道所有接頭是否破裂或漏水。灌溉系統試驗完成后，即可把所有接頭填土壓實。

2.4 噴灌系統技術要點

自動噴灌系統的精準性主要體現在土壤濕度檢測儀安裝的位置和深度兩方面[7]。增壓泵的選型與噴頭的數量、干支管的布局相關性較大，壓力分配不均會對旋轉式噴頭的一致性產生影響，同時自動系統是否精準控制還取決于土壤檢測數據和空氣濕度數據的觸發設定值。

3 智能化控制設計

3.1 智能控制系統

智能控制系統選擇兩線制解碼器控制系統，包括有線和無線兩種同步傳輸模式。從系統穩定性而言有線更好，但無線模式在使用維護方面存在較大優勢。在前端設備的解碼器通過NR-DeS傳感器執行采集任務，實時采集前端信息（土壤溫濕度、管路壓力、流量等）用來反饋聯動或數據積累，控制主機的同時可以支持電磁閥、傳感器等感知設備，支持多級分叉串聯，增加隔離中繼功能。配套的管理軟件涵蓋了任務分組、遠程遙控、氣象信息、流量統計以及權限管理等模塊[8-9]。

智能化控制架構如圖3所示。

圖3 智能化控制架構

3.2 智能化控制流程

該系統自動收集儀表的廢水后存儲在水箱內，多余的廢水通過溢流的方式進入水廠回用水池。土壤濕度儀及空氣濕度儀實時檢測土壤和空氣干燥情況，高于設定值后觸發檢測系統。檢測系統將信號發送給數據傳輸系統，以配電自控箱內GPRS發送信號的方式發送至管理人員App終端。管理人員可以通過自動或手動方式管理噴灌系統，在自動狀態下通過數據處理系統產生指令后下放至智能處理中心，系統開啟電磁閥、增壓泵，輸送壓力至噴頭管網系統，通過水力驅動的方式實現噴頭的自動升高和旋轉噴灌。在系統作業過程中發生故障可以自動上傳至數據處理中心，并發送給管理人員。

4 經濟效益分析

自收集水質儀表廢水并應用到自動噴灌系統中后，該區域的草坪養護工作完成較好，植被生長良好。通過回收利用儀表檢測水節約了水資源，且實現了無人干預養護成本減少的目的。但與傳統人工澆灌相比，自動噴灌系統的增壓泵會增加電能消耗。

5 結語

凈水廠通過回收和使用在線檢測儀表廢水，實時采集土壤濕度和降雨量，以自動噴灌的方式實現了節約用水的目的。該控制系統實現了智能化控制，且遠程操作簡單、綠化效果較好，節省了勞動力，節約了用水量，經濟效益明顯。該技術適用于廠區、公路綠化帶或公園綠地等場景，具有較好的推廣應用價值。