摘要：排水系统在城市雨水、污水输送，控制水体污染和内涝溢流方面发挥着重要作用。传统的排水系统往往不能和污水处理设施实现一体化联动控制，即厂网一体化，并主要以基于流量的控制方法为主，缺少对水质的建模和优化，导致城市内涝在许多发展中国家成为雨季的常态事件，同时也导致水体污染得不到有效控制。本文通过三位作者对智慧排水系统关键技术的阐述和案例分析或许能为业界以及主管部门提供一些有益借鉴。
一、概述
近年来，中国城市内涝事件频发，暴雨来临时，很多城市开启“看海模式”，成为普遍性的城市灾难事件。据央视报道，2015年上半年全国有98个城市因暴雨内涝受淹，而雨季溢流是城市、河道水体的主要污染源。国家为此推动海绵城市建设，其中包含排水管渠设施和排涝除险设施。排水系统的智能化、智慧化是解决问题的关键。
我国目前污水的排水方式一般分为合流制和分流制两种类型。分流制排水系统把雨水和污水在两套各自独立的管渠中排除，一方面减少雨水对污水处理系统的冲击，另一方面避免污水通过雨水系统污染河道。
雨污合流制城市中的排水管网系统，可同时收集生活污水、工业废水以及雨水(简称雨污水)。雨污水由管网系统输送到污水处理厂，经处理后重新排放到接收水体或大自然中。
在暴雨过程中，因短时间内产生大量雨污水，城市排水系统以及污水处理厂很容易产生容量超载，导致未经处理的污水外流，造成城市内涝或雨污水溢流，污染环境 (图1)。
图1：排水管网与暴雨溢流产生示意图
针对排水溢流污染问题，国家出台了一系列关于水污染、黑臭水体政治的工作指南，这些指南都将城市黑臭水体治理、合流制溢流污染问题作为重点问题进行研究，沿河截排系统雨季溢流污染问题已经成为当前需要着力解决的重难点问题。
—《城市黑臭水体整治工作指南》中提出2017年底前直辖市、省会城市、计划单列市建成区基本消除黑臭水体，2020 年底前地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内的目标。
—《水污染防治行动计划》(国发〔2015〕17号)：直辖市、省会城市、计划单列市建成区要于2017年底前基本消除黑臭水体，到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除。
—《城市黑臭水体整治工作指南》由住房城乡建设部、环境保护部、水利部、农业部2015年8月印发，该指南提出了“控源截污、内源治理、生态修复”的技术路线，其中“控源截污“是根本措施。
二、研究现状
合流制排水系统暴雨季所存在的隐患，总结而言主要有水量、水质两方面问题：(一) 水量-内涝问题;(二)水质-溢流问题。为解决由此引发的城市内涝，水体污染，国内根据相关政策，主要从排水系统溢流口采取措施减轻溢流对水体造成的污染伤害，国外则主要在管网系统优化应用中寻找解决方案：
2.1国内通过排口控制溢流的对策
关于截排系统雨季溢流污染的控制措施，国内主要以控制排放口溢流为主，排水口治理必须有效解决雨污混接、修复排水管道及检查井各类缺陷、堵地下水，以及设施维护管理统筹进行。可结合“海绵城市”建设和其它措施，有效削减初期雨水污染负荷。对于不同的排水系统，其排放口的控制措施有所不同，目前国内常见的几类排放口控制措施有：
1)分流制污水直排排水口：封堵、截污、送入污水处理厂。
2)分流制雨水直排排水口：当地面清扫、浇洒、绿化、餐饮、洗车等通过雨水口的非直接接入污水和初期雨水是引起水体黒臭的主要原因时，可在排水口前或在系统内设置截污调蓄设施。
3)分流制雨污混接雨水直排排水口：不能够简单地封堵，可增设混接污水截流管道或设置截污调蓄池。混接污水截流是分流制排水系统，雨污分流治理措施的补充和完善。
4)分流制雨污混接截流溢流排水口：应在重点实施排水管道雨污混接改造的同时，按照能够有效截流的要求，对已有混接污水截流设施进行改造或增设截污调蓄设施。排水口改造时，应采取防水体水倒灌措施。在沿河道无管位的情况下，混接污水截流河底截污管管道可敷设在河床下;敷设在河床下的混接污水截流管需要采取严格的防水体水入渗措施。
5)合流制直排排水口：按照要求增设截流设施，截流污水接入污水处理系统。排水口改造时，要采取防水体水倒灌措施。
6)合流制截流溢流排水口：应有效提高合流制截流系统的截流倍数，保证旱天不向水体溢流。
7)泵站排水口：在排水管道系统完善和治理的同时，根据现有泵站排水运行情况，优化运行管理，特别是要降低运行水位，减少污染物排放量。
8)沿河居民排水口：对近期保留的居民住房，可采用沿河堤挂管、沿河底敷设管道的方法收集污水，但沿河挂管方式存在坡度不足的问题。
9)设施应急排水口：增加备用电源和加强设备维护，特别是加强事先保养工作，降低停电、设备事故发生引起的污水直排。
2.2国外通过智慧排水系统控制溢流的对策
国外则主要通过智慧化排水系统，优化应用基础设施而减少溢流，在暴雨季节，采用具有储水功能的沉淀池定向存储污水，并通过控制闸门，水泵等控制部件逐渐向污水处理厂输送并净化污水。城市排水基础设施的运营控制基于遥测遥控系统，而实时控制(Real Time Control-RTC)因及时高效而成为当前有效的管理策略。
迄今为止，实时控制的策略多以流量管理为主，并没有考虑在整个降雨过程和储存期间变化很大的污水中的污染负荷。除此以外，对于排水系统与污水处理厂的管理，大多数城市处于分离阶段，从而很难在整体上提高排水系统的应用。
三、关键技术的理论框架
本文将以巴达洛纳(西班牙)城市排水系统为例，介绍如何利用先进的实时控制技术，集成控制城市排水管网与污水处理厂，并同时优化污水溢流与污染负荷，可在暴雨环境下，充分利用现有设施资源，最大化较少城市溢流，并在溢流不可避免时，最大程度降低溢流中的污染含量。
3.1系统框架
针对城市排水管网和污水处理厂的集成控制采用闭环模式(图2)，主要步骤如下 [1]：
首先对排水管网及污水厂建立水流、水质简化模型用以代表水流、水质在排水系统中的主要动态变化;
采用预测降雨量(约半小时之内)，结合水流、水质简化模型，管网优化目标以及物理约束等计算出一段采样时间内的最优控制策略(主要针对水阀水泵)并赋给管网仿真系统或真实管网系统，优化控制软件采用自主研发平台MPCTool;
最后，利用当前真实降雨量，最优控制策略，在排水系统或者虚拟现实仿真器中计算出测量值(主要指蓄水池中水流水质总量)并作为初始值赋给下一次优化计算。仿真软件主要采用SWMM5、MOUSE、InfoWorks等。
图2：闭环优化仿真模型
3.2系统建模
现有的复杂的液压、水文模型可以很好的模拟管网中水流、水质的真实状态，但考虑实时校验优化计算的目标，水流、水质均以可代表主要动态、简单灵活可扩展、可在线校准优化原则等建立简化模型。
排水系统中的水流简化模型以线性模型为主，如降雨径流模型，将每一个支流集水区虚拟成蓄水池，用上下游的水流差与集水区的雨水收集来计算集水区水量变化。
如图3所示，Linear Tank代表集水区，I 为降雨强度，S为集水区表面积，Lup，Ldown为上下游水位值，通过水位水流转换系数，可计算的上游、下游水流量Qup，Qdown，其中Lup，Ldown以及I降雨强度分别由水位传感器和雨量计测量提供，是模型校验的训练数据集 [2]。
图3：降雨径流虚拟蓄水池模型
在排水系统中，涉及到的水质元素有很多种，本文以固体悬浮物密度(Total Suspended Solid-TSS)为例建立水质简化模型。TSS因与可连续测量的污水浊度相关，并可估计其他水质变量，被选为水质的代表性变量。
在TSS简化模型中，管道被表示为网络中两个节点之间一定长度的连接，控制部件被视为没有腐蚀或沉积发生的零长度链接。除此，TSS在管道中是一维的，悬浮沉积物的浓度在导管截面上完全混合。TSS在传输过程中，沉淀、侵蚀等动态变化被整合计算为与TSS输入/输出/延迟之间的线性关系 [3]。TSS水质模型的校验数据集，取自SWMM-TSS [4] 或InfoWorks在系统网络中产生的TSS数据。
3.3关键技术
模型预测控制(Model Preditive Control)是城市排水集成控制系统中用于优化计算的关键算法。MPC的特别之处在于每一次优化计算，不仅考虑当前状态，并能考虑给定时间内系统未来状态。如果把控制算法比作开车(图4)，传统的PID(Proportional-Integral-Derivative)利用历史数据和差别调整控制输入，而MPC则根据当前和未来预测的系统状态计算最优值，从而保证系统能够在当前状态优化的前提下，及时的对未来情况做出反应。具体到排水系统中，MPC控制可对未来30-60分钟预测的降雨强度下排水系统的状态进行优化，从而对不同降雨情况及早反应，及时避免或降低内涝、溢流、超负荷污染的发生。
图4：MPC控制与PID(比例积分微分控制器)控制
因排水系统集成控制对传感器、制动器等原件异常敏感。因此，针对系统控制的故障诊断需要包含在监控模块以确保控制系统不会出现异常结果，当故障发生并被诊断出来时采用容错控制机制(Fault-tolerant control)，进而确保避免影响环境、成本的重大异常的发生。
一种实现容错的方法是在监控阶段应用实时在线故障诊断和隔离(FDI) 方案并与控制系统融合。当有故障发生被监测并隔离，FDI模块会出发控制器并激活控制器做出相应调整(如图5)。
图5：故障诊断与模型预测控制融合
3.4控制平台MPCTool
MPCTool是由西班牙科学院与加泰罗尼亚理工大学共同开发的城市排水系统集成在线控制平台 (图6)。MPCTool基于上述水流、水质简化模型和鲁棒MPC控制方法，通过一定时间内预测降雨优化系统目标，并产生针对阀门水泵等可控部件的最优策略来实现最小化城市内涝、减少溢流及污染物泄露等现象。
图6：MPCTool基本模块
MPCTool中的模型管理模块可由系统负责人手动定义、更新、修改网络模型 (图7);并在后台自动生成由GAMS优化求解器语言描述的优化问题，不需要人为编写代码;
系统自动通过迭代优化模块产生满足目标的最优控制策略;控制模块与SCADA实时连接;
在线递归参数校验模块使水流、水质模型参数更准确的描述真实动态;通过基于Access/ Oracle的数据库，连接商业化仿真软件SWMM/ Mouse/ InfoWorks等来实现虚拟现实。
图7：MPCTool自定义网络模型
四、案例分析：巴达洛纳城市排水系统优化控制
巴达洛纳位于西班牙东北部，巴索斯(Besò)河口，临地中海，是全国最大工业中心巴塞罗那的东北部卫星城市 (图8)，拥有21.2平方公里土地和约22万人口。
巴达洛纳得益于地中海气候影响，冬季明亮凉爽，夏季明媚炎热，但偶尔会遭遇强降雨和洪暴事件;年平均降雨量573mm，其中50%由夏秋两季两到三次强降雨事件产生。
图8. 巴达洛纳(图中紫色)和巴塞罗那大都会区(图中红色)
巴达洛纳城市排水管网约318.4km，排水管网以雨污合流为主(图9)。为预防溢流，城市建有容量为30,000m3的沉淀池和巴索斯污水处理厂。巴索斯污水处理厂位于地中海岸，跨越巴塞罗那和Sant Adrià两个城市，Fòrum de les Cultures广场下。巴索斯污水处理厂是西班牙规模最大，加泰罗尼亚污水处理能力最强的水厂，日处理量最大为525,000m3，最大处理流量为25,000 m3/h。巴塞罗那产生污水的四分之三，以及Sant Adrià de Besòs, Santa Coloma de Gramenet, Badalona等城市的所有雨污水都会被送到巴索斯污水处理厂。完全覆盖并位于已建成城市的一部分，是巴索斯污水处理厂的另一特点所在。
图9. 巴达洛纳排水管(绿色)、水厂(蓝色)、溢流(红色)网示意图
经MPCTool平台的模型管理模块，将巴达洛纳排水系统简化(图10)，其中VT为集水区模型，在每个集水区内部又包含相关区域内的具体管网图;T1为沉淀池;G为阀门;P1为水泵;WWTP为相应污水处理厂;CSO为污水溢流。其中两个不同的集水区VT1，VT3通过阀门G1，G2将雨污水输送至沉淀池，之后水泵P1将雨污水抽至污水处理厂经处理后释放至地中海中。当污水处理厂超出容量后，污水溢流产生。巴达洛纳排水系统集成控制目标为：
1. 最大限度减少城市内涝;
2. 最大限度减少管网溢流;
3. 通过控制城市排水管网的水力滞留和分流，尽量减少溢流中污染负荷
4. 最大化使用污水处理厂处理能力
图10. 巴达洛纳排水系统简化图
巴达洛纳污水管网集成控制策略通过MPCTool实现，使在暴雨中，具有较大TSS负荷的污水有更高优先权被送入沉淀池，并在雨后逐渐送至污水厂，从而减少整个系统CSO和污染物排放。经MPCTool优化后的排水系统，相对于传统的分离式流量管理，33%的污水厂处理能力得以提高，28%的城市内涝被减少，20%的污染物负荷被减少 (图11)。
图11. MPCTool优化结果
巴达洛纳智慧排水系统的成功案例证明了智慧排水系统可以在城市雨水管理、污水收集和处理、内涝防洪等方面发挥极其重要的作用。智慧排水系统除了减缓城市内涝问题，借助于智慧管网系统还可对水环境污染事件溯源，实现科学监管和精准治污。随着国家对大数据、人工智能等前沿技术的重视，智慧排水系统对提高管网设施的运维保养效率、实现管网的数字化和可视化，为城市管理者提供精准、高效、直观的工具，并满足了整个城市水循环全过程监管的需求。
原标题：【技术聚焦】智慧排水在城市内涝污染减排中的应用
