水专项巡礼 | “十三五”水专项“金泽水库供水水质保障技术集成与综合示范（2017ZX07207005）”课题成果介绍
提标改造、优化工艺、精细管理等一系列手段使上海市饮用水水质迈上了一个新的台阶。此次“十三五”水专项对服务人口达1082万人的西南五区（747万）及推广应用区（335万）设立了500个用户端水质采样点，并委托有资质的第三方检测机构进行了连续半年以上的采样检测。经检测分析，各项指标全面稳定达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）要求，对照GB 5749,供水水质年综合合格率由十二五末期的98.58%上升到2020年的100%；对照上海市地标DB 31/T 1091，2020年常规7项合格率为99.98%。此外，“饮用水水质综合评价指数”等评估指标和方法的引入，使水质管理者拥有了更丰富的管理工具，拓展了管理维度，助推了管理水平的提升。
建成水专项示范工程上海市多水源供水信息化平台并投入业务化运行。本示范工程在“十一五”和“十二五”供水信息化建设的基础上，整合各类已有系统和新建系统，打造了从水源地到居民龙头的一体化、全流程、智慧化的综合管理平台，通过跨流域、跨区域监测数据共享平台可实现从源头到龙头的全过程数字化管理，极大的支撑了智慧水务建设，完善了整个城市供水系统的使用功能，确保上海市供水安全、稳定、优质、经济的运行，为推动长三角智慧城市发展做出贡献。同时在示范工程建设过程中，及时总结项目经验，形成一套成熟的可复制推广的工程经验，可在全国范围内做进一步推广应用。
上海依水而建，因水而兴，安全优质的自来水供应，是促进上海城市发展、构建和谐幸福社会的基础，是保障人民生活健康的重要工作。作为中国供水历史最长，供水能力最大的城市，上海的公共供水全面覆盖城区和郊区，“十二五”期间完成了城乡一体集约化供水，基本实现了城乡统筹发展。在市委市政府的积极推动和水专项的持续支持下，上海形成了“两江并举、多源互补、多库联动、一网调度”的水源格局，实现了陆域区域的原水管道互联互通，建立了多水源联合调度系统，持续推进水厂深度处理工艺改造和老旧管网更新改造，完成3轮二次供水设施改造；“十二五”末期，中心城区供水水质已全面达标。2016年底，位于长三角一体化核心示范区的金泽水库建成通水，供水区域覆盖上海西南五区747万郊区人口。“十三五”水专项上海项目针对太浦河金泽水源地水质安全保障开展综合示范研究，本课题是上海项目里的集成课题，针对金泽水库供水区原水系统智能调度、水厂深度处理工艺优化、管网水质安全保鲜、二次供水在线监管等开展技术研究和集成示范，全面保障西南五区饮用水安全，为实现全市供水水质全面稳定达标补齐最后一块短板。相关成果辐射长三角，服务长三角一体化高质量发展。
在水专项的实施过程中，上海市开展了“从源头到龙头”饮用水安全保障关键技术研究与示范，在关键水质指标识别与标准提升、城市多水源水质预警与综合调配、水厂处理工艺优化与提升、超大城市供水管网输配维持与稳定、二次供水运行优化与监管等方面取得了一系列技术突破，构建了超大城市饮用水安全保障技术体系，颁布了一批技术与管理标准，实施了多个饮用水安全示范工程，有力支撑了上海市饮用水安全。
本课题构建了超大城市饮用水安全保障技术体系成套技术，突破了原水智能调度技术和二次供水监管技术2项关键技术，研制了2个自主知识产权技术产品和装置样机，构建了原水水量预测模型、原水系统水力模型和原水智能调度模型等计算机模型，开发了二次供水监管平台和多水源供水信息化业务平台，编制了3项技术标准和管理标准，申请了3项专利，其中申请发明专利1项，授权实用新型专利2项，发表论文23篇。
通过水专项技术研发和成果推广应用，在原水方面，上海市已形成了多水源联合调度系统，安全预警系统，水源地突发应急方案；在水厂方面，完成水源切换条件下的水厂适应性技术方案，全面推进了水厂深度处理工艺改造和工艺优化，完成了城乡一体集约化供水工程建设；在输配环节，完成供水管网水质维持与稳定技术方案，完成了居民二次供水优化改造和监管技术方案，并进行了高品质饮用水的探索和实践。最终，使上海市水质不但满足国标《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），并继续提升达到上海地标《上海市生活饮用水水质标准》（DB 31/T 1091），形成了一套具有上海多水源特色的超大城市饮用水安全保障技术体系和管理方案（详见图1），为《上海市供水规划（2019-2035年）》建成“节水优先、安全优质、智慧低碳、服务高效”城市供水系统的目标奠定了坚实基础。
2.1原水智能调度技术
基于包括泵站、水泵、阀门、管道、调节池、调压池、分水点等要素的水力仿真模型，结合需水量预测模型，在决策过程中充分考虑调度运行的实际要求，根据当前水泵运行情况，智能筛选方案，减少水泵的切换，保持调度运行方案的延续性；将水泵状态（停役、检修）纳入决策影响因素中；支持变频泵的同频与差频运行，支持调压池挡水堰非满流时的压力流与重力流混合供应，构建包括全系统和多因素的智能调度决策模型。决策模型启发式算法和梯度算法结合，实现优化方案自动决策，方案优化计算秒级响应。具体技术内容如下。
（1）水量预测模型建立
通过建立供水量预测模型进行郊区短期水量预测，并对预测的结果进行修正、获取完整的供水量预测模型并进行循环预测。
（2）原水系统微观水力模型建立
建立包括原水输水泵站、提升泵站、各分水点、受水点、相关管路及各管配件的精细化管网微观水力模型，精确模拟原水供水系统，作为智能调度决策算法的辅助计算模型。
（3）调度决策算法模型研究
根据确定的决策目标，确定决策变量和决策约束条件，构建多目标的决策模型，并选用“混合专家梯度法”求解算法。
主要创新点：
（1）基于相关影响因素耦合相关性分析，采用时间序列和长短期循环神经网络CNN-LSTM模型组合相结合的方法进行多尺度需水量组合预测，进而结合节假日等影响因素进一步进行二次在线修正，实现中原水需水量短期在线需预测，预测精度控制在3%左右。
（2）基于构建包括泵站、水泵、阀门、管道、调节池、调压池、分水点，进行全系统高精度水力仿真模型，结合需水量预测结果，在决策过程中充分考虑调度运行的实际要求，根据当前水泵运行情况，智能筛选方案，减少水泵的切换，保持调度运行方案的延续性；将水泵状态（停役、检修）纳入决策影响因素中；支持变频泵的同频与差频运行，支持调压池挡水堰非满流时的压力流与重力流混合供应，构建包括全系统和多因素的智能调度决策模型。决策模型以启发式算法与梯度算法结合，实现优化方案自动决策，方案优化计算秒级响应。
（3） 实现了大规模复杂原水系统的智能调度。原水智能调度技术成果应用于金泽原水系统日常调度，总共包含受水单位14家、原水增压泵站3座（共计29台大型输水机泵设备）、分水点4个、调节池5座、前池6座、调压池2座、调节阀9个，主要管、渠道单线长度共计71.4公里，压力流与重力流混合供应，体量庞大，工艺复杂。
主要成果形式：
申请发明专利：2020116367001 一种同型号调速泵泵站节能运行的优化方法。
软件著作权登记：2020SR1270770 黄浦江上游金泽原水智能调度决策系统。
2.2 二次供水监管技术
二次供水监管技术聚焦二次供水环节水质风险防范和综合管理，降低生物风险，提升信息化能力和服务水平，保障居民用水安全。
依据水质监测情况开展实地考察和调研分析，明确以水池(箱)为监管重点，加强总氯和浊度两项指标的日常监测，建立基于在线监测-日常检测-事故检测的多层次监管指标体系；形成提出小区二次供水水质监管点的设置原则、设置位置与方式、监测方法与频次、管理与维护等内容，形成了可应用推广的二次供水水质监管点设置导则，编制了《二次供水水质监管点设置技术规程》。在此基础上，进一步编制了二次供水管理的标准化指导性技术文件《居民小区二次供水管理标准（试行）》。
开发了具有自主知识产权的移动组合式、即插即用的多参数二次供水水质在线监测装置，具备数据传输、采集、分析与跨平台显示功能。产品稳定连续运行17个月，数据完好率>88.4%。总氯、浊度、COD等指标精准度均通过了实验室人工检测校验，有效弥补了二次供水水质投诉响应等异常情况的监管短板。
依据不同供水方式，采取分层抽样和按比例分配方法，在原有中心城区监测点基础上新增西南五区110个水质监测点，形成了包含实时监测系统、信息公开系统和设施进度/运维管理系统的二次供水水质监管信息化平台，通过水质实时统计、筛选、分析和预警功能，为应急处置提供决策支持，实现水务行业大数据智慧化应用。
关键技术通过构建监管评估指标体系、制定二次供水管理相关办法、固定监管点与移动式二次供水水质监管装置相结合，集成扩建了覆盖西南五区和中心城区的二次供水监管信息化平台，实现业务化运行，形成区域二次供水水质信息化监管，破解二次供水监管难题。
2.3 示范工程和示范区成果
（1）在“十一五”、“十二五”青草沙、陈行原水系统调度系统基础上，新建金泽原水智能调度系统，与青草沙、陈行原水系统调度平台对接，形成上海市原水联合调度系统并业务化运行，实现可调配原水水量1000万吨/天。在上述联合调度平台基础上，接入金泽水源水质水量监测与预警业务化平台、供水调度信息系统（包括水厂、管网监测数据）、二次供水监管平台等数据，实现西南五区原水、供水联动，形成上海市多水源供水信息化业务平台，进行业务化运行。
（2）平台由金泽原水智能调度、多水源应急联动调配、二次供水（西南五区）水质监管点、二次供水（青浦、奉贤）水质示范线，以及金泽藻类预警（水库水质的监测与预警）、供水调度信息（包括水厂、管网的数据监测）构建而成。系统整体上采用B/S的技术模式，贯彻MVC设计思想，采用三层应用部署方式。服务器端通过后台产品加工厂，实现数据的加工和产品的生成，通过Web Service、Rest和一般处理程序发布功能服务，为各研究模型计算提供数据服务。
示范工程成效：
1、通过原水智能调度和多水源应急调配，“两江并举，三源互动”，保证三大水源地原水供应。
2、通过集成100多个二次供水水质在线监管点，保障共计不少于 1000 万人口龙头水水质全面达到国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的要求。
3、与2018年基准年相比，金泽水库原水泵站运行吨水电耗（kWh/m³）降低5%。
示范区应用成效：
上海西南五区及推广应用区共计1082万人，设立了500个用户端水质采样点，按照主题专家组评审通过的水质监测方案，委托有资质的第三方检测机构进行了连续半年以上的采样检测。经检测分析，各项指标全面稳定达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求，达标率100%。
3.1 典型成果应用（点）
一种移动水质检测消毒药剂投加设备（ZL2019223568173）是一套可移动式市政供水管网自动加药清洗系统，可移动、自动配药、自动投加、小型化、可由系统派单的管网消毒自动一体投药装置。具有可移动、自动配药、自动投加、小型化等特点。解决了传统人工清洗市政管网时加药计量不准确，加药不均匀，消毒不彻底，冲洗时不能连续监测水质造成水量浪费的现象。移动水质检测消毒药剂投加设备已在上海市管网清洗消毒业务中多次应用，其中在上海临港新片区管网清洗消毒业务中作业时间最长，清洗管道长度21.2 km，详情如下：
地点：两港大道、妙香路、两港西大道、正嘉路、沧海路、云水路、江山路、玉宇路；管径/长度：DN1000/10.34 km，DN800/10.86 km。目前已与宁水集团签订装备开发和成果转让合作协议，将在浙江省乃至全国推广应用。
3.2青浦-奉贤成果应用（线）
在青浦、奉贤两条线开展从源头到龙头饮用水安全保障典型示范应用。形成上海市多水源供水信息化业务平台，实现原水供水联动和二次供水监管。青浦奉贤作为该成套技术的典型示范应用区域，开展了从源头到龙头的饮用水安全保障技术的推广和应用，主要集中于水厂工艺优化、管网及二次供水更新改造及监测工作。
在水厂环节，通过金泽原水水厂工艺集成优化关键技术研究，形成了金泽水库水源水厂技术示范运行优化技术方案，其中青浦三水厂以生物安全风险控制的生物活性炭和超滤膜组合工艺进行优化技术示范，该示范工程的实施，稳定达到国标基础上，消毒副产物、微生物指标、浊度、等指标达到了上海市《生活饮用水水质标准》要求。在示范应用基础上，形成《制水厂运行规程》、《金泽水源水厂适应性技术方案》、《上海市饮用水嗅味控制技术方案》成果，为青浦及奉贤区其他水厂运行提供了技术支撑和经验。
在管网及二次供水环节，构建完成了供水管网和二次供水监管体系。此外，结合“十一五”和“十二五”上海市中心城区供水管网优化运行和二次供水改造工程的经验，青浦、奉贤区域开展了全市范围内的供水管网及二次供水改造更新示范。青浦区十三五期间年共改造更新供水管网436.5 km，改造二次供水小区405个；奉贤区十三五期间年共改造更新供水管网752 km，改造二次供水小区213个。管网和二供环节示范技术包括管网布局优化技术、多级加氯消毒技术、管道非开挖修复技术、多相流管道冲洗技术和二次供水在线监测技术等。
在上述工作基础上，以青浦二水厂、青浦三水厂和奉贤一水厂为供水水厂，以青浦、奉贤大型居住区为示范，建立了3条从源头到龙头水质达标信息系统。
3.3 西南五区及推广应用区成果应用（面）
在多水源调度超大城市饮用水安全保障技术体系的基础上，结合在“十一五”、“十二五”的研究成果，构建了示范工程“上海市多水源供水信息化业务平台”，进行业务化运行。平台跨流域（长江、黄浦江、太湖）、跨省市（上海、江浙）、跨业务（水务集团、区县公司）实现业务数据的共享互通，加强水质抗风险能力；全面覆盖原水、水厂、管网到二供，实现从源头到龙头全流程的一体化业务管理，提高供水安全保障能力；多水源应急调配实现“两江并举，三源互动”的应急联动，形成18个应急调配方案，提升供水应急处置能力；金泽原水智能调度提高方案的科学性和合理性，提升了机泵的运行效率，降低了生产能耗，提升智能调度水平。形成以安全、高效、经济、优化、智能为特点的五位一体的多水源供水信息化业务平台。
基于上海市“两江并举、多源互补”水资源格局，开展了多水源调度技术研究，形成了上海市多水源供水信息化业务平台，实现了原水供水的联动，可调配原水水量1 000万t/d，满足了上海超大城市的供水需求。针对超大城市供水管网复杂，二次供水设施存量较大的情况，开展了相应的更新改造技术研究，结合改造工程的配套开展，进一步实现了城市管网及二次供水的数字化监管，为保障龙头水稳定达标提供数据支撑。通过江河库多水源调控超大城市饮用水安全保障技术集成与综合应用，最终实现上海市不少于1 000万人口龙头水质稳定达标。
工程示范组织管理方式和经验、技术推广应用情况：
平台数据由跨流域（长江、黄浦江、太湖），跨省市（上海、江浙），跨业务（水务集团、区县公司），实现互联互通的共享机制。实现了从太浦闸、吴江水质数据、市水文总站数据、海事船舶数据、金泽水库水质数据、以及水厂、泵站、管网的数据交换、数据的集成展示，形成了从原水，水厂、管网到二次供水,全流程的精细化业务管理，集成和优化了金泽供水示范区从源头到龙头饮用水安全保障系统技术体系，形成以安全、高效、经济、优化、智能为特点的五位一体饮用水安全保障技术体系，保障共计不少于1 000万人口龙头水水质全面达到国家《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的要求，全面提高了上海市金泽供水示范区供水安全保障能力。
供稿单位：上海城投水务（集团）有限公司
基金项目：国家科技重大专项(2017ZX07207-005）
排版：西贝
校对：万梓薇