摘要：排水系統(tǒng)在城市雨水、污水輸送，控制水體污染和內(nèi)澇溢流方面發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)往往不能和污水處理設(shè)施實(shí)現(xiàn)一體化聯(lián)動(dòng)控制，即廠網(wǎng)一體化，并主要以基于流量的控制方法為主，缺少對水質(zhì)的建模和優(yōu)化，導(dǎo)致城市內(nèi)澇在許多發(fā)展中國家成為雨季的常態(tài)事件，同時(shí)也導(dǎo)致水體污染得不到有效控制。本文通過三位作者對智慧排水系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的闡述和案例分析或許能為業(yè)界以及主管部門提供一些有益借鑒。

一、概述

近年來，中國城市內(nèi)澇事件頻發(fā)，暴雨來臨時(shí)，很多城市開啟“看海模式”，成為普遍性的城市災(zāi)難事件。據(jù)央視報(bào)道，2015年上半年全國有98個(gè)城市因暴雨內(nèi)澇受淹，而雨季溢流是城市、河道水體的主要污染源。國家為此推動(dòng)海綿城市建設(shè)，其中包含排水管渠設(shè)施和排澇除險(xiǎn)設(shè)施。排水系統(tǒng)的智能化、智慧化是解決問題的關(guān)鍵。

我國目前污水的排水方式一般分為合流制和分流制兩種類型。分流制排水系統(tǒng)把雨水和污水在兩套各自獨(dú)立的管渠中排除，一方面減少雨水對污水處理系統(tǒng)的沖擊，另一方面避免污水通過雨水系統(tǒng)污染河道。

雨污合流制城市中的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，可同時(shí)收集生活污水、工業(yè)廢水以及雨水(簡稱雨污水)。雨污水由管網(wǎng)系統(tǒng)輸送到污水處理廠，經(jīng)處理后重新排放到接收水體或大自然中。

在暴雨過程中，因短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量雨污水，城市排水系統(tǒng)以及污水處理廠很容易產(chǎn)生容量超載，導(dǎo)致未經(jīng)處理的污水外流，造成城市內(nèi)澇或雨污水溢流，污染環(huán)境 (圖1)。

圖1：排水管網(wǎng)與暴雨溢流產(chǎn)生示意圖

針對排水溢流污染問題，國家出臺(tái)了一系列關(guān)于水污染、黑臭水體政治的工作指南，這些指南都將城市黑臭水體治理、合流制溢流污染問題作為重點(diǎn)問題進(jìn)行研究，沿河截排系統(tǒng)雨季溢流污染問題已經(jīng)成為當(dāng)前需要著力解決的重難點(diǎn)問題。

—《城市黑臭水體整治工作指南》中提出2017年底前直轄市、省會(huì)城市、計(jì)劃單列市建成區(qū)基本消除黑臭水體，2020 年底前地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)的目標(biāo)。

—《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(國發(fā)〔2015〕17號)：直轄市、省會(huì)城市、計(jì)劃單列市建成區(qū)要于2017年底前基本消除黑臭水體，到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。

—《城市黑臭水體整治工作指南》由住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、環(huán)境保護(hù)部、水利部、農(nóng)業(yè)部2015年8月印發(fā)，該指南提出了“控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)”的技術(shù)路線，其中“控源截污“是根本措施。

二、研究現(xiàn)狀

合流制排水系統(tǒng)暴雨季所存在的隱患，總結(jié)而言主要有水量、水質(zhì)兩方面問題：(一) 水量-內(nèi)澇問題;(二)水質(zhì)-溢流問題。為解決由此引發(fā)的城市內(nèi)澇，水體污染，國內(nèi)根據(jù)相關(guān)政策，主要從排水系統(tǒng)溢流口采取措施減輕溢流對水體造成的污染傷害，國外則主要在管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用中尋找解決方案：

2.1國內(nèi)通過排口控制溢流的對策

關(guān)于截排系統(tǒng)雨季溢流污染的控制措施，國內(nèi)主要以控制排放口溢流為主，排水口治理必須有效解決雨污混接、修復(fù)排水管道及檢查井各類缺陷、堵地下水，以及設(shè)施維護(hù)管理統(tǒng)籌進(jìn)行?？山Y(jié)合“海綿城市”建設(shè)和其它措施，有效削減初期雨水污染負(fù)荷。對于不同的排水系統(tǒng)，其排放口的控制措施有所不同，目前國內(nèi)常見的幾類排放口控制措施有：

1)分流制污水直排排水口：封堵、截污、送入污水處理廠。

2)分流制雨水直排排水口：當(dāng)?shù)孛媲鍜?、澆灑、綠化、餐飲、洗車等通過雨水口的非直接接入污水和初期雨水是引起水體黒臭的主要原因時(shí)，可在排水口前或在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置截污調(diào)蓄設(shè)施。

3)分流制雨污混接雨水直排排水口：不能夠簡單地封堵，可增設(shè)混接污水截流管道或設(shè)置截污調(diào)蓄池。混接污水截流是分流制排水系統(tǒng)，雨污分流治理措施的補(bǔ)充和完善。

4)分流制雨污混接截流溢流排水口：應(yīng)在重點(diǎn)實(shí)施排水管道雨污混接改造的同時(shí)，按照能夠有效截流的要求，對已有混接污水截流設(shè)施進(jìn)行改造或增設(shè)截污調(diào)蓄設(shè)施。排水口改造時(shí)，應(yīng)采取防水體水倒灌措施。在沿河道無管位的情況下，混接污水截流河底截污管管道可敷設(shè)在河床下;敷設(shè)在河床下的混接污水截流管需要采取嚴(yán)格的防水體水入滲措施。

5)合流制直排排水口：按照要求增設(shè)截流設(shè)施，截流污水接入污水處理系統(tǒng)。排水口改造時(shí)，要采取防水體水倒灌措施。

6)合流制截流溢流排水口：應(yīng)有效提高合流制截流系統(tǒng)的截流倍數(shù)，保證旱天不向水體溢流。

7)泵站排水口：在排水管道系統(tǒng)完善和治理的同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有泵站排水運(yùn)行情況，優(yōu)化運(yùn)行管理，特別是要降低運(yùn)行水位，減少污染物排放量。

8)沿河居民排水口：對近期保留的居民住房，可采用沿河堤掛管、沿河底敷設(shè)管道的方法收集污水，但沿河掛管方式存在坡度不足的問題。

9)設(shè)施應(yīng)急排水口：增加備用電源和加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，特別是加強(qiáng)事先保養(yǎng)工作，降低停電、設(shè)備事故發(fā)生引起的污水直排。

2.2國外通過智慧排水系統(tǒng)控制溢流的對策

國外則主要通過智慧化排水系統(tǒng)，優(yōu)化應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施而減少溢流，在暴雨季節(jié)，采用具有儲(chǔ)水功能的沉淀池定向存儲(chǔ)污水，并通過控制閘門，水泵等控制部件逐漸向污水處理廠輸送并凈化污水。城市排水基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營控制基于遙測遙控系統(tǒng)，而實(shí)時(shí)控制(Real Time Control-RTC)因及時(shí)高效而成為當(dāng)前有效的管理策略。

迄今為止，實(shí)時(shí)控制的策略多以流量管理為主，并沒有考慮在整個(gè)降雨過程和儲(chǔ)存期間變化很大的污水中的污染負(fù)荷。除此以外，對于排水系統(tǒng)與污水處理廠的管理，大多數(shù)城市處于分離階段，從而很難在整體上提高排水系統(tǒng)的應(yīng)用。

三、關(guān)鍵技術(shù)的理論框架

本文將以巴達(dá)洛納(西班牙)城市排水系統(tǒng)為例，介紹如何利用先進(jìn)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)，集成控制城市排水管網(wǎng)與污水處理廠，并同時(shí)優(yōu)化污水溢流與污染負(fù)荷，可在暴雨環(huán)境下，充分利用現(xiàn)有設(shè)施資源，最大化較少城市溢流，并在溢流不可避免時(shí)，最大程度降低溢流中的污染含量。

3.1系統(tǒng)框架

針對城市排水管網(wǎng)和污水處理廠的集成控制采用閉環(huán)模式(圖2)，主要步驟如下 [1]：

首先對排水管網(wǎng)及污水廠建立水流、水質(zhì)簡化模型用以代表水流、水質(zhì)在排水系統(tǒng)中的主要?jiǎng)討B(tài)變化;

采用預(yù)測降雨量(約半小時(shí)之內(nèi))，結(jié)合水流、水質(zhì)簡化模型，管網(wǎng)優(yōu)化目標(biāo)以及物理約束等計(jì)算出一段采樣時(shí)間內(nèi)的最優(yōu)控制策略(主要針對水閥水泵)并賦給管網(wǎng)仿真系統(tǒng)或真實(shí)管網(wǎng)系統(tǒng)，優(yōu)化控制軟件采用自主研發(fā)平臺(tái)MPCTool;

最后，利用當(dāng)前真實(shí)降雨量，最優(yōu)控制策略，在排水系統(tǒng)或者虛擬現(xiàn)實(shí)仿真器中計(jì)算出測量值(主要指蓄水池中水流水質(zhì)總量)并作為初始值賦給下一次優(yōu)化計(jì)算。仿真軟件主要采用SWMM5、MOUSE、InfoWorks等。

圖2：閉環(huán)優(yōu)化仿真模型

3.2系統(tǒng)建模

現(xiàn)有的復(fù)雜的液壓、水文模型可以很好的模擬管網(wǎng)中水流、水質(zhì)的真實(shí)狀態(tài)，但考慮實(shí)時(shí)校驗(yàn)優(yōu)化計(jì)算的目標(biāo)，水流、水質(zhì)均以可代表主要?jiǎng)討B(tài)、簡單靈活可擴(kuò)展、可在線校準(zhǔn)優(yōu)化原則等建立簡化模型。

排水系統(tǒng)中的水流簡化模型以線性模型為主，如降雨徑流模型，將每一個(gè)支流集水區(qū)虛擬成蓄水池，用上下游的水流差與集水區(qū)的雨水收集來計(jì)算集水區(qū)水量變化。

如圖3所示，Linear Tank代表集水區(qū)，I 為降雨強(qiáng)度，S為集水區(qū)表面積，Lup，Ldown為上下游水位值，通過水位水流轉(zhuǎn)換系數(shù)，可計(jì)算的上游、下游水流量Qup，Qdown，其中Lup，Ldown以及I降雨強(qiáng)度分別由水位傳感器和雨量計(jì)測量提供，是模型校驗(yàn)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集 [2]。

圖3：降雨徑流虛擬蓄水池模型

在排水系統(tǒng)中，涉及到的水質(zhì)元素有很多種，本文以固體懸浮物密度(Total Suspended Solid-TSS)為例建立水質(zhì)簡化模型。TSS因與可連續(xù)測量的污水濁度相關(guān)，并可估計(jì)其他水質(zhì)變量，被選為水質(zhì)的代表性變量。

在TSS簡化模型中，管道被表示為網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間一定長度的連接，控制部件被視為沒有腐蝕或沉積發(fā)生的零長度鏈接。除此，TSS在管道中是一維的，懸浮沉積物的濃度在導(dǎo)管截面上完全混合。TSS在傳輸過程中，沉淀、侵蝕等動(dòng)態(tài)變化被整合計(jì)算為與TSS輸入/輸出/延遲之間的線性關(guān)系 [3]。TSS水質(zhì)模型的校驗(yàn)數(shù)據(jù)集，取自SWMM-TSS [4] 或InfoWorks在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的TSS數(shù)據(jù)。

3.3關(guān)鍵技術(shù)

模型預(yù)測控制(Model Preditive Control)是城市排水集成控制系統(tǒng)中用于優(yōu)化計(jì)算的關(guān)鍵算法。MPC的特別之處在于每一次優(yōu)化計(jì)算，不僅考慮當(dāng)前狀態(tài)，并能考慮給定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)未來狀態(tài)。如果把控制算法比作開車(圖4)，傳統(tǒng)的PID(Proportional-Integral-Derivative)利用歷史數(shù)據(jù)和差別調(diào)整控制輸入，而MPC則根據(jù)當(dāng)前和未來預(yù)測的系統(tǒng)狀態(tài)計(jì)算最優(yōu)值，從而保證系統(tǒng)能夠在當(dāng)前狀態(tài)優(yōu)化的前提下，及時(shí)的對未來情況做出反應(yīng)。具體到排水系統(tǒng)中，MPC控制可對未來30-60分鐘預(yù)測的降雨強(qiáng)度下排水系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，從而對不同降雨情況及早反應(yīng)，及時(shí)避免或降低內(nèi)澇、溢流、超負(fù)荷污染的發(fā)生。

圖4：MPC控制與PID(比例積分微分控制器)控制

因排水系統(tǒng)集成控制對傳感器、制動(dòng)器等原件異常敏感。因此，針對系統(tǒng)控制的故障診斷需要包含在監(jiān)控模塊以確保控制系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)異常結(jié)果，當(dāng)故障發(fā)生并被診斷出來時(shí)采用容錯(cuò)控制機(jī)制(Fault-tolerant control)，進(jìn)而確保避免影響環(huán)境、成本的重大異常的發(fā)生。

一種實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的方法是在監(jiān)控階段應(yīng)用實(shí)時(shí)在線故障診斷和隔離(FDI) 方案并與控制系統(tǒng)融合。當(dāng)有故障發(fā)生被監(jiān)測并隔離，F(xiàn)DI模塊會(huì)出發(fā)控制器并激活控制器做出相應(yīng)調(diào)整(如圖5)。

圖5：故障診斷與模型預(yù)測控制融合

3.4控制平臺(tái)MPCTool

MPCTool是由西班牙科學(xué)院與加泰羅尼亞理工大學(xué)共同開發(fā)的城市排水系統(tǒng)集成在線控制平臺(tái) (圖6)。MPCTool基于上述水流、水質(zhì)簡化模型和魯棒MPC控制方法，通過一定時(shí)間內(nèi)預(yù)測降雨優(yōu)化系統(tǒng)目標(biāo)，并產(chǎn)生針對閥門水泵等可控部件的最優(yōu)策略來實(shí)現(xiàn)最小化城市內(nèi)澇、減少溢流及污染物泄露等現(xiàn)象。

圖6：MPCTool基本模塊

MPCTool中的模型管理模塊可由系統(tǒng)負(fù)責(zé)人手動(dòng)定義、更新、修改網(wǎng)絡(luò)模型 (圖7);并在后臺(tái)自動(dòng)生成由GAMS優(yōu)化求解器語言描述的優(yōu)化問題，不需要人為編寫代碼;

系統(tǒng)自動(dòng)通過迭代優(yōu)化模塊產(chǎn)生滿足目標(biāo)的最優(yōu)控制策略;控制模塊與SCADA實(shí)時(shí)連接;

在線遞歸參數(shù)校驗(yàn)?zāi)K使水流、水質(zhì)模型參數(shù)更準(zhǔn)確的描述真實(shí)動(dòng)態(tài);通過基于Access/ Oracle的數(shù)據(jù)庫，連接商業(yè)化仿真軟件SWMM/ Mouse/ InfoWorks等來實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)。

圖7：MPCTool自定義網(wǎng)絡(luò)模型

四、案例分析：巴達(dá)洛納城市排水系統(tǒng)優(yōu)化控制

巴達(dá)洛納位于西班牙東北部，巴索斯(Besò)河口，臨地中海，是全國最大工業(yè)中心巴塞羅那的東北部衛(wèi)星城市 (圖8)，擁有21.2平方公里土地和約22萬人口。

巴達(dá)洛納得益于地中海氣候影響，冬季明亮涼爽，夏季明媚炎熱，但偶爾會(huì)遭遇強(qiáng)降雨和洪暴事件;年平均降雨量573mm，其中50%由夏秋兩季兩到三次強(qiáng)降雨事件產(chǎn)生。

圖8. 巴達(dá)洛納(圖中紫色)和巴塞羅那大都會(huì)區(qū)(圖中紅色)

巴達(dá)洛納城市排水管網(wǎng)約318.4km，排水管網(wǎng)以雨污合流為主(圖9)。為預(yù)防溢流，城市建有容量為30,000m3的沉淀池和巴索斯污水處理廠。巴索斯污水處理廠位于地中海岸，跨越巴塞羅那和Sant Adrià兩個(gè)城市，F(xiàn)òrum de les Cultures廣場下。巴索斯污水處理廠是西班牙規(guī)模最大，加泰羅尼亞污水處理能力最強(qiáng)的水廠，日處理量最大為525,000m3，最大處理流量為25,000 m3/h。巴塞羅那產(chǎn)生污水的四分之三，以及Sant Adrià de Besòs, Santa Coloma de Gramenet, Badalona等城市的所有雨污水都會(huì)被送到巴索斯污水處理廠。完全覆蓋并位于已建成城市的一部分，是巴索斯污水處理廠的另一特點(diǎn)所在。

圖9. 巴達(dá)洛納排水管(綠色)、水廠(藍(lán)色)、溢流(紅色)網(wǎng)示意圖

經(jīng)MPCTool平臺(tái)的模型管理模塊，將巴達(dá)洛納排水系統(tǒng)簡化(圖10)，其中VT為集水區(qū)模型，在每個(gè)集水區(qū)內(nèi)部又包含相關(guān)區(qū)域內(nèi)的具體管網(wǎng)圖;T1為沉淀池;G為閥門;P1為水泵;WWTP為相應(yīng)污水處理廠;CSO為污水溢流。其中兩個(gè)不同的集水區(qū)VT1，VT3通過閥門G1，G2將雨污水輸送至沉淀池，之后水泵P1將雨污水抽至污水處理廠經(jīng)處理后釋放至地中海中。當(dāng)污水處理廠超出容量后，污水溢流產(chǎn)生。巴達(dá)洛納排水系統(tǒng)集成控制目標(biāo)為：

1. 最大限度減少城市內(nèi)澇;

2. 最大限度減少管網(wǎng)溢流;

3. 通過控制城市排水管網(wǎng)的水力滯留和分流，盡量減少溢流中污染負(fù)荷

4. 最大化使用污水處理廠處理能力

圖10. 巴達(dá)洛納排水系統(tǒng)簡化圖

巴達(dá)洛納污水管網(wǎng)集成控制策略通過MPCTool實(shí)現(xiàn)，使在暴雨中，具有較大TSS負(fù)荷的污水有更高優(yōu)先權(quán)被送入沉淀池，并在雨后逐漸送至污水廠，從而減少整個(gè)系統(tǒng)CSO和污染物排放。經(jīng)MPCTool優(yōu)化后的排水系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的分離式流量管理，33%的污水廠處理能力得以提高，28%的城市內(nèi)澇被減少，20%的污染物負(fù)荷被減少 (圖11)。

圖11. MPCTool優(yōu)化結(jié)果

巴達(dá)洛納智慧排水系統(tǒng)的成功案例證明了智慧排水系統(tǒng)可以在城市雨水管理、污水收集和處理、內(nèi)澇防洪等方面發(fā)揮極其重要的作用。智慧排水系統(tǒng)除了減緩城市內(nèi)澇問題，借助于智慧管網(wǎng)系統(tǒng)還可對水環(huán)境污染事件溯源，實(shí)現(xiàn)科學(xué)監(jiān)管和精準(zhǔn)治污。隨著國家對大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)的重視，智慧排水系統(tǒng)對提高管網(wǎng)設(shè)施的運(yùn)維保養(yǎng)效率、實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的數(shù)字化和可視化，為城市管理者提供精準(zhǔn)、高效、直觀的工具，并滿足了整個(gè)城市水循環(huán)全過程監(jiān)管的需求。

來源:水基因  作者:孫聰聰?shù)?/span>

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