供水管网在线监测及事故预警系统设计研究

李晓旭

(辽宁辽东水务经营管理有限责任公司，辽宁 本溪 117000)

城市供水系统关系到城市的生存和发展，供水管网渗漏控制一直是众多专家学者长期研究的重点，但长期以来一直像“疑难杂症”一样顽固不化。在环保呼声日益高涨的今天，城市居民饮用水的安全卫生已逐渐成为人们高度关注和敏感的社会话题。长期以来，水一直以来是我们维护公众健康的主要考量因素，并且正迅速发展成为影响世界各国经济发展的一个重要制约因素。近年来，城市经济的快速发展与地下隧道管线站的建设使得规模过小、管理混乱的矛盾日益突出。内涝、道路主体坍塌甚至地下管道污水泄漏和大爆炸等交通事故频发，严重影响了城市居民人身财产安全以及城市健康正常运行。管网对居民饮用水的长期污染原因是由外部环境污染物的大量进入、内部环境污染物的长期持续化学反应和供水管材破损造成的。外来管道污染物的大量进入主要原因是由于污水管道工程施工运行过程中管道运行不规范、管道污水泄漏等多种原因从而造成外来管道污水的大量流入。内部空气污染物的排气持续催化反应一般是指排气管网中持续发生的一系列复杂的气体物理、化学和自然生物催化反应。管材的环境影响作用主要指钢材管体的材质破坏对管内环境水质的整体二次污染抑制作用。

1 在线监测及事故预警系统硬件设计

本监测系统技术研发的主要研究目标之一是构建成熟的地下供水运输管网安全实时运行管控监测管理系统，建立我国地下水运输管网中的压力、流量、声波监测信息实时运行监测安全检测管理系统。系统配套设备主要内容包括：将控管理中心网络数据流的传输处理设备、调制解调器、监控管理中心网络通讯管理控制器、监控管理中心和水质环境分析监测服务器。相关分析软件选用国际先进的Sensor传感器，分别安装在城市监控分析中心的scscada服务器和城市水质监测分析中心服务器上。哈希公司的1720系列产品是国内公认的最成熟、最稳定的智能在线污水浊度测量监测仪，因此，我们可以选择：hach的1 720 d作为浊度计。快速准确评估城市供水系统管网管道运行安全状态，准确及时定位供水管网管道泄漏的所在位置和风险状况，有效实现对供水管道管网泄漏可能引起的二次漏水事件以及风险范围区域的快速动态识别和快速风险预警，大大降低城市供水系统管网管道漏损的概率，实现节水减损节能增效，实现智慧水务目标。地下管网室内水质的具体测量参数情况可以直接通过现场设备安装的相关设备配件进行直接测量[1]。这也就是整个在线安全监控管理系统的技术基础。它对信息数据的传输准确性和信息系统正常运行的安全稳定性等都具有不可决定性的直接影响。这部分监测设备主要产品包括：在线管网水质质量监测仪、管网水质监测点在线数据采集系统rtu、调制解调器和在线管网水质监测点在线数据采集传输线等设备。

2 在线监测及事故预警系统软件设计

2.1 建立在线监测信息数据库

数据库系统用于存储与供水管网运行和监控密切相关的各种信息。采用统一的数据库结构，监测数据、预警信息、事件信息、地理信息和模型。数据等同于水质质量监测点实时监测整个管网局部水质，根据局部管网中只有少数点的管网水质，结合管网水质监测模型实时计算局部整体管网水量，反映管网局部整个管网整体水质从而可以达到实时监控管网整体水质的主要目的。在供水管网中至少设置一个水质质量监测点的原则，就是用较少的水质监测点人数，及时反映较大比例企业供水的管网水质质量状况。由于不同管网中分别设立的各个监测点的主要功能不同，监测点进行选择的主要理论依据也不同[2]。监测点主要分为大型工厂地区水质监测点、水质易发生恶化污染地区用水监测点、代表点三类。不同监测类型的天气监测点可以采用不同的方式选择监测原则。因此，需要在企业工厂现场内部设置一个监测点，不仅可以直接主动测量企业工厂内饮用水的生产质量，还同时可以根据饮用水质量的变化及时主动调整企业生产工艺，调整企业加氯的质量，并直接负责指导企业生产。在一个工厂内部设置一个在线质量监测点也同样可以有效避免人工在线操作可能造成的质量检测结果误差。

2.2 构建供水管网事故预警模块

事故预警模块用于存储传感器和视频监控系统采集的监控数据、传感器地址等信息。控制供水管网中的微生物指标是事故预警模块中最重要的一个环节，遵循供水管网的拓扑结构，采用化学物质扩散方法中的pH值指标检测，供水管网中降低化学物质的计算，如式(1)所示：

(1)

式中：∂表示化学物质在管道扩散的速度；Ui表示时间参数与管长参数的相关参数；l表示供水系统中管网水质恶化事故的概率；v表示在系统检测时供水产生的阻力参数[3]。根据上公式对供水官网中化学物质的计算，进一步监测化学物质流出节点的浓度。如式(2)所示：

(2)

式中：C表示供水管网中物质的浓度；i表示外界的水流速度；w表示物质混合发生的平均速度；Ui表示水中的有机化合物参数。构建供水管网事故预警模块，实时监测得出水质误差范围，误差达到允许范围后，可将供水管网水质监测预警系统应用于科研和工程。

2.3 设计系统登录界面

供水系统的显示界面采用简单、生动的设计理念，主要用于显示给水管网三维模型。实时显示前端返回的视频图像、监控数据以及全屏显示和分辨率叠加、集成应用系统界面、图像画面等[4]。用户可以通过简单快捷的操作实现全屏、分区、分屏、横屏、开窗、叠加、叠加等显示等一系列功能，以及屏幕缩放和漫游，系统登录界面，如下图1所示。

图1 供水管网监测及事故预警系统

图1中，城市供水安全监测系统的登录模块，分别设有登录和重置选项，登录选项是为了验证用户以及管理员身份，进一步使用或管控该系统，而重置模块设置的目的是，防止用户在密码输入错误的情况，点击重置按钮就可以重新输入[5]。

3 系统监测模块应用

3.1 预设置监测指标

监控报警系统启动后，系统选择某城市中需要实时监控的位置，预设检测指标，具体设置值如图2所示。

在列表框中显示监控该指标的监控点，然后为其配置参数选择监控点。系统选择监测指标余氯的原因是，余氯是微生物中关乎水质量的关键物质，其在一定程度上能够带来致癌产物，因此，监测余氯在水中既不能数量过高，亦不能过低。根据余氯水质指标的变化，系统将实时判断该点水质是否异常。

图2 监测指标限值设置

3.2 监测余氯变化趋势

为验证文中系统监测模块对指标余氯的有效监测，将上述设置的监测指标点击确定，展开对“人民站”监测点的余氯变化趋势监测，监测结果如图3所示。

图3 人民路点余氯变化趋势

观察图3余氯变化趋势可知，监测提示窗口对余氯超标率以及异常率，都采用不同的方式标记出数据。可以供我们直观的观测出监测指标是否合格，超标多少。因此，得出文中系统的监测模块能够非常直观地了解水质状况。为供水管网在线监测及事故预警系统，提供有效参考。

4 结语

在城市供水系统中，常常因为各种污染，造成水质恶化事故，本文根据此问题设计了供水管网监测预警系统，本系统对于常规的水质恶化事故有着实时监测报警功能，通过实验测试得出，文中系统能够直观的了解水质中余氯的超标率以及异常率。可供各大中小城市针对供水管网水质问题选用本系统，并为今后的监测系统提供新思路。