流域治理視角下，構(gòu)建彈性城市排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制策略

　　導(dǎo)語：在雨季面對(duì)水環(huán)境和水安全雙重壓力下，如何提升城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的可靠性、彈性與可持續(xù)性，對(duì)保障城鎮(zhèn)水系統(tǒng)安全日益重要。城市排水系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性、多目標(biāo)性和不確定性特征，從面向流域治理的角度，在進(jìn)一步削減合流制溢流污染、最大程度發(fā)揮排水系統(tǒng)“源頭-過程-末端”能力等多目標(biāo)協(xié)同下，系統(tǒng)的運(yùn)行控制日益復(fù)雜且控制難度日益增大。實(shí)時(shí)控制技術(shù)（Real Time Control，簡稱RTC）根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，對(duì)排水管網(wǎng)附屬設(shè)施及污水處理廠進(jìn)行干預(yù)，以最大程度挖潛和發(fā)揮排水設(shè)施的調(diào)蓄和處理能力，為排水系統(tǒng)運(yùn)行提供了智能化的解決方案。

　　提升排水防澇能力、減少管網(wǎng)沿途溢流污染、最大限度發(fā)揮管網(wǎng)調(diào)蓄能力和末端污水處理能力一直是集中式城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)追求的方向。尤其是隨著全球氣候變化，極端降雨事件增加，傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，城鎮(zhèn)水系統(tǒng)安全成為城市管理最基礎(chǔ)性要素。而通過基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增加排水系統(tǒng)的處理能力，不僅投資成本高回報(bào)期長，并且受土地使用等問題限制，不能廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)地區(qū)。為了應(yīng)對(duì)上述復(fù)雜情況，如何在現(xiàn)有硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有彈性、可靠性和可持續(xù)性的現(xiàn)代排水系統(tǒng)架構(gòu)，是傳統(tǒng)排水系統(tǒng)面臨的和必須尋求突破的課題。同時(shí)，隨著城市水環(huán)境治理體系的日益復(fù)雜，排水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、多目標(biāo)和不確定性逐漸被認(rèn)識(shí)，但是排水系統(tǒng)通常是在靜態(tài)條件下設(shè)計(jì)，并在靜態(tài)規(guī)則下運(yùn)行，這就造成了傳統(tǒng)的運(yùn)行方式在應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境時(shí)，要么設(shè)施無法充分發(fā)揮作用造成資源浪費(fèi)；要么設(shè)施能力不足導(dǎo)致合流制管網(wǎng)溢流（CSO）和內(nèi)澇；也有些情況是在同一系統(tǒng)內(nèi)，部分設(shè)施不能充分發(fā)揮作用的同時(shí)其他設(shè)施已超出負(fù)荷。因此，找到一種動(dòng)態(tài)的控制方式，充分利用現(xiàn)有設(shè)施實(shí)現(xiàn)CSO消減和內(nèi)澇控制等目標(biāo)，為解決城市排水問題提供了智能化方案。排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制（Real Time Control,簡稱RTC）是優(yōu)化城市排水系統(tǒng)運(yùn)行的可行方式。

　　01 實(shí)時(shí)控制及發(fā)展歷程

　　1.1 實(shí)時(shí)控制定義

　　很多文獻(xiàn)都對(duì)排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制進(jìn)行過定義。通常認(rèn)為，排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制為：在排水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在線監(jiān)測(cè)重要的過程變量（雨量、液位、流量、水質(zhì)等），依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、在線模型動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，通過控制設(shè)備（閥門、水泵等執(zhí)行器）對(duì)排水設(shè)施及污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)干預(yù)，實(shí)現(xiàn)廠-網(wǎng)、廠-網(wǎng)-河最優(yōu)能力匹配，進(jìn)而提高整個(gè)排水系統(tǒng)運(yùn)行效率的優(yōu)化控制方式。實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)控制有以下要點(diǎn)：①要有優(yōu)化點(diǎn)位的過程變量在線監(jiān)測(cè)；②需要?jiǎng)討B(tài)制定控制策略以及具有可靠的過程控制系統(tǒng)；③管網(wǎng)-處理廠等調(diào)節(jié)設(shè)施具有協(xié)同可控性、硬件設(shè)施能力有匹配度；④排水系統(tǒng)快速實(shí)時(shí)的響應(yīng)特性及反饋控制機(jī)制。這一定義明確了排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的基本架構(gòu)、建設(shè)內(nèi)容、方法和目標(biāo)。

　　實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器和控制中心等硬件要素和控制模型、控制算法以及降雨預(yù)測(cè)等軟件要素組成，具體見圖1。

　　傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)排水過程，包括流量、水位、水質(zhì)和降雨量等，并將數(shù)據(jù)傳送給控制器；控制器主要執(zhí)行傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理/校正、控制動(dòng)作計(jì)算，與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并將控制策略（動(dòng)作）傳送至執(zhí)行器；執(zhí)行器是執(zhí)行控制動(dòng)作的設(shè)備，用來調(diào)節(jié)流量或液位，通常包括：水泵、可調(diào)堰、可調(diào)閘門、充氣壩、閥門和分流設(shè)施等。一些執(zhí)行器也可以對(duì)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如化學(xué)加藥設(shè)備和曝氣設(shè)備?？刂浦行氖菍?shí)時(shí)控制的中央處理模塊。主要通過協(xié)調(diào)傳感器、控制器和執(zhí)行器等子模塊完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、處理，控制指令的計(jì)算和遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)督和控制整個(gè)排水系統(tǒng)的作用。其中控制指令的計(jì)算涉及控制模型和控制算法兩個(gè)核心元素。控制模型是用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，是設(shè)計(jì)和執(zhí)行實(shí)時(shí)控制的重要預(yù)測(cè)工具?？刂颇Ｐ统Ｊ褂煤喕Ｐ停ㄓ绕溽槍?duì)復(fù)雜的大規(guī)模排水系統(tǒng)），以足夠快的計(jì)算效率滿足實(shí)時(shí)控制的時(shí)間需求。控制算法是執(zhí)行實(shí)時(shí)控制策略的另一核心元素，通過預(yù)先設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)在策略計(jì)算過程中實(shí)現(xiàn)從控制目標(biāo)到執(zhí)行器控制命令的轉(zhuǎn)化?？刂扑惴ㄒ部煞Q為控制程序。另外，降雨預(yù)測(cè)也是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)執(zhí)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，不是所有的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)都需要包含降雨預(yù)測(cè)和模型。

　　1.2 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的級(jí)別

　　借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，按照系統(tǒng)實(shí)際控制(管理)的范圍，將實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)分成局部響應(yīng)控制、全局優(yōu)化控制和流域聯(lián)合調(diào)度三種級(jí)別。

　?、倬植宽憫?yīng)控制:定位于單個(gè)匯水分區(qū)，實(shí)現(xiàn)本區(qū)域廠-網(wǎng)就地響應(yīng)控制，只利用本地或相鄰傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的控制算法計(jì)算出控制動(dòng)作，進(jìn)而通過執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)受控過程的控制。這種控制方式一般適用于規(guī)模較小的排水系統(tǒng)、單一“廠-網(wǎng)”設(shè)施或單一綠色設(shè)施。

　?、谌謨?yōu)化控制：定位于跨排水分區(qū)或者整個(gè)城市層面的排水系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)控，這種情況下對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)要求較高，要求相互關(guān)聯(lián)的執(zhí)行器具備更高的執(zhí)行效率，或者執(zhí)行器間必須聯(lián)合運(yùn)行，此時(shí)需考慮采用全局控制策略。相比于局部響應(yīng)控制，全局優(yōu)化控制覆蓋設(shè)施更廣，考慮的過程變量更多，能夠?qū)ε潘到y(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化控制。

　?、哿饔蚵?lián)合調(diào)度：針對(duì)大流域管理尺度，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)、水資源、洪澇災(zāi)害防控。這種情況下排水系統(tǒng)的組成跨越多個(gè)城市、管理單位之間，需要不同城市、單位、系統(tǒng)之間聯(lián)合調(diào)度，并制定流域聯(lián)合調(diào)度策略。流域聯(lián)合調(diào)度能夠?qū)崿F(xiàn)大流域尺度下的整體最優(yōu)，但因涉及技術(shù)、管理、地域政策等方面的融合而給系統(tǒng)建模、集成方法，協(xié)調(diào)策略以及計(jì)算效率帶來不小的挑戰(zhàn)。

　　實(shí)際應(yīng)用層面，不同的控制級(jí)別可以在一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中同時(shí)耦合存在。

　　1.3 實(shí)時(shí)控制發(fā)展歷程

　　協(xié)同于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的級(jí)別變化，實(shí)時(shí)控制的發(fā)展歷程大致可以分成三個(gè)階段：管網(wǎng)CSO和內(nèi)澇控制階段、廠-網(wǎng)聯(lián)合優(yōu)化控制階段和水系統(tǒng)綜合控制研究階段。

　　實(shí)時(shí)控制研究從20世紀(jì)60年代末開始，以SWMM（Storm Water Management Model）為代表的排水管網(wǎng)模型也同時(shí)出現(xiàn)。到20世紀(jì)80年代，歐美發(fā)達(dá)國家的排水系統(tǒng)日趨完善，CSO成為水污染的主要原因。因此，早期的合流制排水系統(tǒng)的運(yùn)行以充分發(fā)揮管網(wǎng)系統(tǒng)在線調(diào)蓄能力，盡量避免和減少CSO，同時(shí)兼顧內(nèi)澇控制，實(shí)時(shí)控制算法則以規(guī)則控制（Rule Based Control，簡稱RBC）為主。隨著歐美國家對(duì)CSO管控標(biāo)準(zhǔn)要求的逐步提高，發(fā)現(xiàn)僅僅依靠發(fā)揮管網(wǎng)能力進(jìn)行CSO和內(nèi)澇的削減還不能充分發(fā)揮整個(gè)排水系統(tǒng)及處理單元的綜合效率，治理工藝出現(xiàn)了以調(diào)蓄池為代表的過程調(diào)蓄策略，和以污水廠雨天處理工藝為代表的末端處理工藝，硬件設(shè)施進(jìn)一步豐富和完善，排水系統(tǒng)運(yùn)行工況也日趨復(fù)雜。廠網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制成為第二階段實(shí)時(shí)控制研究和應(yīng)用的主要內(nèi)容，控制目標(biāo)也更加多樣化。如在瑞典克拉格斯港，采用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)不但充分利用了管道的在線蓄水能力，得到了4000～5000m3的額外在線蓄水空間，還避免了污水廠雨季活性污泥從二沉池的大幅溢出。這一階段有很多實(shí)時(shí)控制案例實(shí)施，出現(xiàn)了多個(gè)用于排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的軟件，如C-Soft、CORAL、Simba等，污水處理廠模型也日漸成熟，各種基于（模糊）規(guī)則的優(yōu)化的算法也開始應(yīng)用于排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。隨著CSO治理效果的進(jìn)一步體現(xiàn)，源頭-過程-末端體系的完善，歐美水環(huán)境治理的要求進(jìn)一步提高，廠-網(wǎng)-河的集成化綜合控制逐漸成為近幾年的研究熱點(diǎn)。對(duì)哥倫比亞波哥大、丹麥倫多特和比利時(shí)莫斯奈特幾個(gè)案例的研究表明，廠-網(wǎng)-河聯(lián)合調(diào)度可以改善CSO問題和城市內(nèi)澇問題，也有助于提高河道水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率。同時(shí)，在這一階段，通信技術(shù)日趨發(fā)達(dá)、監(jiān)控成本降低、排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的技術(shù)日趨成熟。

　　這三個(gè)階段并沒有明顯的時(shí)間界限區(qū)分，內(nèi)容也存在交叉。比如，早在20世紀(jì)90年代就有研究人員開始研究城市排水系統(tǒng)的綜合控制技術(shù)，在第三階段也有基于規(guī)則的控制算法的應(yīng)用。但從整個(gè)發(fā)展歷程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵技術(shù)研究可明顯分為工藝和策略、控制模型以及控制算法三個(gè)方面，見圖2。實(shí)時(shí)控制研究和應(yīng)用案例見表1。

02 實(shí)時(shí)控制工藝及策略

　　實(shí)時(shí)控制工藝指系統(tǒng)采用的設(shè)施和設(shè)施之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，通過控制工藝實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的可靠性和彈性；控制策略指系統(tǒng)執(zhí)行控制達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的描述性方法，通過控制策略提升排水系統(tǒng)的彈性?？刂乒に嚭筒呗允菆?zhí)行實(shí)時(shí)控制的重要基礎(chǔ)。

　　2.1 在線控制工藝和策略

　　排水系統(tǒng)中的在線調(diào)蓄和處理主要利用具有雨天調(diào)蓄能力的常規(guī)管道或深隧等管網(wǎng)設(shè)施，雨天快速、持續(xù)存儲(chǔ)設(shè)施和超量混合污水處理設(shè)施等構(gòu)成。

　?、俟艿涝诰€調(diào)蓄

　　管道在線控制主要是充分利用管網(wǎng)剩余空間進(jìn)行水量調(diào)度，適用于管網(wǎng)存在充分可用空間的情況，尤其是在下游存在瓶頸的情況下，對(duì)上游設(shè)施進(jìn)行流量動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)削減CSO和城市內(nèi)澇的目標(biāo)。在實(shí)時(shí)控制改造項(xiàng)目中，在線控制通常作為優(yōu)先考慮選項(xiàng)。管道在線控制原理示意見圖3。

　　20世紀(jì)90年代，哥本哈根在管道關(guān)鍵部位安裝閘門和帶有邏輯運(yùn)算能力的控制器，根據(jù)降雨量和下游管網(wǎng)水位來控制閘門啟閉，盡可能使下游不發(fā)生溢流。第一階段實(shí)時(shí)控制實(shí)施后，CSO削減80%，排空時(shí)間由40h減少到2～3h。加拿大魁北克Westerly排水系統(tǒng)對(duì)三條截流干管和兩條地下隧道進(jìn)行在線控制?？刂浦行慕邮諄碜?7個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并將制定好的設(shè)定值下發(fā)至5個(gè)可控閘門的控制站，系統(tǒng)CSO削減可達(dá)70%。

　　目前我國很多城市已建成的排水管網(wǎng)存在大量混錯(cuò)接、管線淤積、腐蝕破損等情況，由此帶來的高水位運(yùn)行問題十分嚴(yán)重，很多城市管網(wǎng)系統(tǒng)可用剩余空間有限。因此，應(yīng)優(yōu)先開展排水管網(wǎng)的提質(zhì)增效工作，清污分流，降低城市河道水系水位，騰出管網(wǎng)容量，在此基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)運(yùn)行調(diào)度的優(yōu)化。另外，也有一些城市的地下箱涵具備較大的調(diào)蓄和排水能力，可作為管網(wǎng)在線調(diào)蓄空間使用。

　?、谖鬯畯S雨天處理工藝

　　實(shí)現(xiàn)“廠-網(wǎng)”能力匹配，使實(shí)時(shí)控制真正發(fā)揮有效作用，前提條件是下游污水廠要具有承接上游管網(wǎng)流量的能力。因此，對(duì)雨季合流制系統(tǒng)，污水廠必須具有雨季超量混合污水的處理能力，而我國絕大多數(shù)污水廠設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮雨季超量混合流量的處理。流域治理視角下，為建立廠-池（站）-網(wǎng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)控機(jī)制，我國必須補(bǔ)足污水廠雨季處理設(shè)施及處理能力。污水廠雨天峰值流量處理策略和工藝主要有：雨天一級(jí)強(qiáng)化處理、分點(diǎn)進(jìn)水工藝（Step-feed）、側(cè)流活性污泥工藝、活性污泥快速生物吸附-高效澄清工藝等。

　　雨天物理-化學(xué)處理工藝主要是指干季流量全部經(jīng)過生化二級(jí)處理工藝，雨季峰值流量則通過與二級(jí)生物處理段并行的輔助處理設(shè)施進(jìn)行處理。近些年還出現(xiàn)將高負(fù)荷活性污泥法與高效固液分離技術(shù)融合的工藝，目前商業(yè)化的工藝包如威立雅的BioActiflo?、BioMagTM等。分點(diǎn)進(jìn)水工藝通過生物池沿程多點(diǎn)配水方式實(shí)現(xiàn)雨季峰值流量的提升，同時(shí)避免了峰值流量期間，因采用生物池首端單點(diǎn)進(jìn)水的傳統(tǒng)工藝，導(dǎo)致隨二沉池固體負(fù)荷陡升可能出現(xiàn)的大量活性污泥溢出。俄亥俄州Akron市再生水廠采用的Step-feed工藝、日本的“3W”法本質(zhì)上也是分點(diǎn)進(jìn)水工藝，可實(shí)現(xiàn)雨天2～3倍旱天流量的處理能力。側(cè)流活性污泥工藝集合了吸附-再生工藝、Step-feed及活性污泥發(fā)酵工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用存量設(shè)施并保持原排放標(biāo)準(zhǔn)情況下在雨季可以進(jìn)一步提升30%～60%（個(gè)別項(xiàng)目處理能力提升達(dá)100%）的處理能力。

　　③廠-網(wǎng)集成控制

　　實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)將管網(wǎng)的控制和污水廠的控制相結(jié)合，使污水廠處理能力與管網(wǎng)系統(tǒng)出水量相匹配，可進(jìn)一步提升排水系統(tǒng)的效能。例如，瑞典克拉格斯港通過使用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)有效利用廠前管網(wǎng)在線調(diào)蓄空間來實(shí)現(xiàn)CSO削減以及調(diào)節(jié)污水廠的入流量的目標(biāo)。污水廠根據(jù)入流量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，啟用分點(diǎn)進(jìn)水工藝，在保證出流水質(zhì)的前提下，降低運(yùn)行成本，將污泥損失頻率從平均27次/a下降到4次/a。

　　2.2 離線控制工藝和策略

　　排水系統(tǒng)中應(yīng)用較多的離線調(diào)蓄處理設(shè)施主要為調(diào)蓄池和具有強(qiáng)化處理功能的設(shè)施。

　　①離線調(diào)蓄設(shè)施控制

　　從20世紀(jì)80年代末開始，德國混合污水的滯留開始通過合流制排水系統(tǒng)中的調(diào)蓄池實(shí)現(xiàn)以達(dá)到CSO排放要求。調(diào)蓄池在管網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到一定條件時(shí)開啟，收納合流制污水，在管網(wǎng)恢復(fù)輸送能力時(shí)將污水排回管網(wǎng)或者用于其他用途。按調(diào)蓄池所處管網(wǎng)位置可分為分散處理調(diào)蓄池和集中處理調(diào)蓄池兩種，主要控制機(jī)制見圖4。如20世紀(jì)90年代開始，哥本哈根興建了大量的調(diào)蓄池和泵站，數(shù)量達(dá)到了80個(gè)。在這一階段，通過實(shí)時(shí)控制項(xiàng)目提升了管道和調(diào)蓄池的利用率，縮短了調(diào)蓄池的排空時(shí)間，還降低了泵站在旱天的電耗。又如昆明市曾在主城區(qū)修建多個(gè)調(diào)蓄池，對(duì)城市內(nèi)澇和溢流控制起到了重要作用，同時(shí)建立了系統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，開展了一池一策的控制策略研究，總結(jié)了成套的運(yùn)行規(guī)則，正在開展聯(lián)合調(diào)度研究。

②分散式綠色基礎(chǔ)設(shè)施控制

　　綠色基礎(chǔ)設(shè)施尤其是隨著源頭雨水控制、雨水就地回用技術(shù)的推廣，可以大幅度削減雨季上游超量雨水對(duì)下游排水管網(wǎng)的流量沖擊，同時(shí)綠色基礎(chǔ)設(shè)施可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的就地利用。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)可采用基于降雨預(yù)測(cè)的主動(dòng)控制策略來最大程度利用系統(tǒng)的凈化能力和調(diào)蓄空間。如Bolivar Park雨水管理項(xiàng)目建設(shè)徑流收集、凈化、存儲(chǔ)系統(tǒng)，使用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)-流量進(jìn)行控制，控制雨水徑流凈化效果，為灌溉提供干凈水源，同時(shí)提升受納水體水質(zhì)。該項(xiàng)目通過構(gòu)建水質(zhì)模型，評(píng)估系統(tǒng)對(duì)污染物的凈化潛力；通過監(jiān)測(cè)蓄水池水質(zhì)，實(shí)時(shí)調(diào)整入流量，保證水質(zhì)凈化效果；通過監(jiān)測(cè)蓄水池水位，判斷上游預(yù)測(cè)降雨-徑流量與蓄水池剩余能力的關(guān)系。當(dāng)預(yù)測(cè)蓄水池能力即將不足時(shí)，通過降低分流率，提升灌溉量、地下水補(bǔ)水量，或排回Los Cerritos渠的方式，為預(yù)測(cè)徑流提供處理空間。該項(xiàng)目的實(shí)施每年可以節(jié)約400萬加侖飲用水，提升了超過50%的污染物去除率。Bolivar Park雨水管理項(xiàng)目工藝見圖5。

　　隨著海綿城市的推廣，人工濕地等綠色基礎(chǔ)設(shè)施在我國也逐步得到了應(yīng)用，如鎮(zhèn)江海綿公園多級(jí)生物濾池、玉溪出水口濕地等。對(duì)這些設(shè)施采用實(shí)時(shí)控制技術(shù)可最大限度提高設(shè)施利用效率。

　　2.3“廠-網(wǎng)-河”綜合控制

　　廠-網(wǎng)-河系統(tǒng)的聯(lián)合控制，進(jìn)一步將受納水體水質(zhì)信息納入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；趯?duì)系統(tǒng)內(nèi)澇、CSO、污水廠運(yùn)行以及河道水質(zhì)的綜合影響，廠-網(wǎng)-河綜合控制通過模擬預(yù)測(cè)和過程控制規(guī)則，為各控制單元和模塊、控制機(jī)構(gòu)如閘閥、孔口、堰門、處理單元設(shè)施及設(shè)備提供輸出指令，為管網(wǎng)-調(diào)蓄池-泵站-污水廠的各個(gè)組成單元存儲(chǔ)及處理工藝制定最優(yōu)運(yùn)行控制規(guī)則。

　　早在20世紀(jì)90年代后期，Schütze等就開始開展污水系統(tǒng)綜合控制的研究，提出并構(gòu)建了實(shí)時(shí)控制基準(zhǔn)模型（Baseline Model）。基準(zhǔn)模型中的管網(wǎng)部分由來自德國合流制管道設(shè)計(jì)指南的真實(shí)案例概化而來，污水處理廠部分來自于英國諾維奇污水處理廠，并添加45km虛擬河流。該基準(zhǔn)模型可實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)水量和水質(zhì)的優(yōu)化模擬，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　該基準(zhǔn)模型涵蓋了城市排水系統(tǒng)中的基本控制要素、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式，為日后的廠-網(wǎng)-河聯(lián)合控制研究提出了一個(gè)概化的、綜合的、有代表性的研究框架。多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)基于基準(zhǔn)模型開展了以污水系統(tǒng)綜合管理為目標(biāo)的實(shí)時(shí)控制相關(guān)策略和算法的研究。例如，Gao等人以基準(zhǔn)模型為研究對(duì)象，利用Simba軟件分析了3400場降雨下CSO、污水廠尾水與河道水質(zhì)指標(biāo)（NH3-N，DO）以及降雨強(qiáng)度的關(guān)系，為不同降雨條件下，污水廠處理量控制、CSO控制和河道水質(zhì)達(dá)標(biāo)控制提供了決策依據(jù)。

　　03 實(shí)時(shí)控制模型及算法

　　3.1 模型研究

　　模型是進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)的重要工具，排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制使用到的模型可分為面向過程的模型和面向控制的模型。最常見的面向過程的模型主要是排水管網(wǎng)模型，以EPA-SWMM模型應(yīng)用最為廣泛。SWMM模型主要使用圣維南方程,模擬管道中水流質(zhì)量和能量的守恒關(guān)系。圣維南方程精確描述了城市排水管網(wǎng)及附屬設(shè)施中的水力過程，但是計(jì)算的復(fù)雜性決定了這類模擬需要消耗較長的運(yùn)算時(shí)間。此外，也有一些案例中用到了污水處理廠模型與管網(wǎng)模型綜合分析。污水處理廠模型可以模擬包括生物反應(yīng)池、生物膜工藝、厭氧反應(yīng)工藝、初沉池、二沉池等處理過程。

　　與面向過程的模型不同，面向控制的模型復(fù)雜性低，從而減少了計(jì)算時(shí)間，主要適用于復(fù)雜的大規(guī)模排水系統(tǒng)。面向控制的模型主要是簡化模型和概念模型。由于簡化了一部分系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，所以面向控制的模型計(jì)算精度降低。

　　①簡化模型：圣維南方程在穩(wěn)態(tài)條件下可以線性化表示流量和液位的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)的線性化簡化模型可以模擬出相似的結(jié)果。

　?、诟拍钅Ｐ椭饕ㄌ摂M水箱模型、納什模型、馬斯京根模型和積分器-延遲模型等，主要原理是對(duì)城市排水系統(tǒng)中主要設(shè)施進(jìn)行概化，可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以提高模擬結(jié)果的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control,簡稱MPC）常與眾多優(yōu)化算法結(jié)合，為系統(tǒng)計(jì)算出最佳的控制指令。而MPC特有的有限時(shí)域滾動(dòng)優(yōu)化機(jī)制，可以抵消因模型簡化而帶來的不精確。以MPC為控制核心的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在歐洲、加拿大、美國等地都有廣泛的研究和應(yīng)用。

　　3.2 控制算法研究

　　控制算法將預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器的控制命令。排水系統(tǒng)常用的實(shí)時(shí)控制算法，可以分為啟發(fā)式算法和基于優(yōu)化的算法兩類。

　　啟發(fā)式算法是基于經(jīng)驗(yàn)或知識(shí)的算法，復(fù)雜性程度低，但無法保證得到最優(yōu)解。啟發(fā)算法主要包含規(guī)則控制法RBC和模糊邏輯控制法（Fuzzy Logic Control,簡稱FLC）。RBC是最簡單的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)方式，但是規(guī)則設(shè)計(jì)、運(yùn)行效果和維護(hù)都依賴專家經(jīng)驗(yàn)。與RBC相比，F(xiàn)LC可以為系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供更多控制方案。在德國的威廉港，F(xiàn)LC系統(tǒng)根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制兩座泵站的抽水量，從而充分利用管網(wǎng)調(diào)蓄能力，在穩(wěn)定控制污水進(jìn)水量的同時(shí)降低了40%的溢流量。

　　常見的優(yōu)化控制算法主要包括種群動(dòng)力學(xué)控制算法、進(jìn)化策略（Evolutionary Strategy，簡稱ES）和線性二次型最優(yōu)控制（Linear Quadratic Regulator，簡稱LQR)等。Ramírez-Llanos等應(yīng)用種群動(dòng)力學(xué)控制算法在調(diào)蓄池進(jìn)水過程中根據(jù)各調(diào)蓄池的剩余蓄水能力,分配調(diào)蓄池進(jìn)水量，結(jié)合PID控制調(diào)節(jié)各調(diào)蓄池的水位達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；調(diào)蓄池排空時(shí)，根據(jù)下游管網(wǎng)最大能力，分配各調(diào)蓄池的出水量。丹麥哥本哈根排水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)，采用了遺傳算法對(duì)復(fù)雜的目標(biāo)函數(shù)求解，為系統(tǒng)各受控位置計(jì)算設(shè)定值。Marinaki等人研究了LQR在排水系統(tǒng)削減CSO和均勻分配水量方面的效果。

　　實(shí)時(shí)控制的算法有很多種，不存在絕對(duì)的適用任何項(xiàng)目實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的最佳算法，也不是越復(fù)雜先進(jìn)的算法就越是好的。每個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用都面臨具體的挑戰(zhàn)，算法選擇受污水系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性，污水系統(tǒng)的拓?fù)涮卣?，在線存儲(chǔ)空間，已有監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)現(xiàn)狀以及管理因素等影響。

　　3.3 降雨預(yù)測(cè)模型與實(shí)時(shí)控制的耦合

　　降雨預(yù)測(cè)也是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)執(zhí)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過未來一段時(shí)間內(nèi)的降雨強(qiáng)度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)未來各子匯水區(qū)的徑流量，進(jìn)而預(yù)測(cè)排水系統(tǒng)各位置的水量和水質(zhì)狀態(tài)，為優(yōu)化控制提供重要的決策信息。常見的降雨預(yù)測(cè)可以通過降雨雷達(dá)預(yù)測(cè)或數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)。在哥本哈根的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，利用雷達(dá)提供降雨預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，利用雨量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，從而為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)提供可靠的雨量輸入信息?；谀Ｐ偷慕涤觐A(yù)測(cè)可以使用自回歸滑動(dòng)平均模型等方式實(shí)現(xiàn)。不同項(xiàng)目對(duì)降雨預(yù)測(cè)的精度要求不同，在使用中也可以根據(jù)實(shí)際獲取數(shù)據(jù)的條件和要求選擇預(yù)測(cè)方法。

　　04 建設(shè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的效益

　　4.1 提升系統(tǒng)彈性和設(shè)施效能

　　實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)最主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)各要素能力的協(xié)同與匹配，發(fā)揮各單元最大效率，進(jìn)而降低洪澇、削減CSO并改善污水廠運(yùn)行效率，最終實(shí)現(xiàn)最低代價(jià)下對(duì)受納水體水質(zhì)的改善，也就是通過硬件設(shè)施與軟件控制系統(tǒng)協(xié)同構(gòu)建高效、穩(wěn)定和可持續(xù)的排水系統(tǒng)。歐美幾十年來已經(jīng)有大量案例證明了實(shí)時(shí)控制對(duì)提升系統(tǒng)彈性和設(shè)施效能的效果，如魁北克Westerly排水系統(tǒng)從1999年建成之初就是一個(gè)多目標(biāo)的全局優(yōu)化實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。通過截污干管、深隧和污水處理廠流量的優(yōu)化，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在2000年單場降雨的單體設(shè)施溢流量削減率可達(dá)40%～100%。又如在丹麥的倫多特，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)可以削減10%以上的合流制溢流，提升調(diào)蓄設(shè)施利用率。西班牙的巴達(dá)洛納，通過實(shí)時(shí)控制過程中對(duì)系統(tǒng)流量和水質(zhì)的同時(shí)考量，不僅使污水廠的處理能力提高33%，城市內(nèi)澇減少28%，并且使污染負(fù)荷減少20%，從而更好保護(hù)水體環(huán)境。在奧地利維也納，利用閘門和泵站對(duì)合流制系統(tǒng)的調(diào)蓄區(qū)域進(jìn)行全局優(yōu)化控制，不但穩(wěn)定了污水廠廠前泵站流量，也削減了全系統(tǒng)的合流制溢流。在區(qū)域性降雨條件下可實(shí)現(xiàn)13.26%溢流量削減，大范圍降雨條件下可實(shí)現(xiàn)2.4%溢流量削減。

　　4.2 建設(shè)和運(yùn)維成本削減

　　與傳統(tǒng)的控制方式相比，在相同的系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)下，采用實(shí)時(shí)控制可以顯著縮減調(diào)蓄池、泵站、污水廠等設(shè)施的新建規(guī)模，減少管網(wǎng)改造成本。Dirckx等比較了不同升級(jí)改造方案下溢流量削減率與投資成本的關(guān)系，實(shí)時(shí)控制的成本效益優(yōu)勢(shì)十分明顯?？笨薟esterly排水系統(tǒng)，通過建設(shè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，在同一控制目標(biāo)下，建設(shè)投資降低了83.2%。

　　實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的長期運(yùn)維成本與傳統(tǒng)控制方案相比也具有優(yōu)勢(shì)。一方面，實(shí)時(shí)控制降低了內(nèi)澇和溢流頻率，從而降低了設(shè)施維修成本；另一方面，實(shí)時(shí)控制長期運(yùn)行積累的數(shù)據(jù)可以幫助運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，由“事后補(bǔ)救”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆虑邦A(yù)防”，從而提升運(yùn)維效率和質(zhì)量。例如，魁北克的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的長期運(yùn)維投資相較傳統(tǒng)方案節(jié)約22%。

　　4.3 改善受納水體水質(zhì)

　　研究表明，通過廠-網(wǎng)-河的聯(lián)合調(diào)度，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)可以削減合流制溢流量，改善溢流對(duì)受納水體的負(fù)面影響，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)耦合污水處理模型和污染物河道擴(kuò)散模型可以對(duì)受納水體水環(huán)境指標(biāo)和污染物濃度進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，如DO、NH3-N等，甚至可以建立起不同等級(jí)降雨事件對(duì)受納水體水質(zhì)的影響，進(jìn)而可以進(jìn)行降雨事件對(duì)受納水體的生態(tài)及毒理學(xué)評(píng)估。實(shí)時(shí)控制的短期運(yùn)行可能對(duì)水體水質(zhì)的提升效果有限，但是在長期運(yùn)行條件下，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)可以有效提升水環(huán)境質(zhì)量，有助于實(shí)現(xiàn)受納水體水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

　　05 討論和展望

　?、賹?shí)時(shí)控制具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。大量實(shí)際的工程案例已經(jīng)證明了實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有提高單體設(shè)施使用效能、減少系統(tǒng)污染水平、降低城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)、提升污水處理廠運(yùn)行穩(wěn)定性、減少系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維投資、提升水體水質(zhì)等綜合效應(yīng)。

　　②在我國，實(shí)時(shí)控制應(yīng)在做好污水系統(tǒng)提質(zhì)增效的基礎(chǔ)上逐步開展，并同步開展實(shí)時(shí)控制的評(píng)估和設(shè)計(jì)。盡管選擇實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)帶來許多優(yōu)勢(shì)，但是針對(duì)我國的排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，尤其是排水管網(wǎng)高水位運(yùn)行的問題，實(shí)時(shí)控制的實(shí)施仍面臨一些挑戰(zhàn)，因此污水系統(tǒng)的提質(zhì)增效工作是大部分城市開展實(shí)時(shí)控制的前提。其次，無論是從系統(tǒng)的運(yùn)行表現(xiàn)、生態(tài)環(huán)境效益還是投資成本控制方面考慮，實(shí)時(shí)控制的設(shè)計(jì)工作都應(yīng)該盡早啟動(dòng)，從而避免不合理的排水系統(tǒng)建設(shè)方案對(duì)日后實(shí)時(shí)控制的設(shè)計(jì)和實(shí)施造成困難，增加改造成本。然后，對(duì)城市排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制改造，應(yīng)先進(jìn)行現(xiàn)有排水系統(tǒng)設(shè)施的匹配性評(píng)估，以分析排水系統(tǒng)的瓶頸和實(shí)時(shí)控制實(shí)施的可行性。整體策略的制定應(yīng)由單體設(shè)施的優(yōu)化控制逐步擴(kuò)展到全局的聯(lián)合調(diào)度。

　?、蹖?shí)時(shí)控制下一步研究重點(diǎn)將以基于水質(zhì)目標(biāo)管理的排水系統(tǒng)綜合控制和相關(guān)實(shí)施技術(shù)為主。隨著水環(huán)境治理要求的提高和實(shí)時(shí)控制技術(shù)的成熟，以水質(zhì)優(yōu)化為目標(biāo)的實(shí)時(shí)控制策略逐步得到重視。基于水質(zhì)目標(biāo)管理的城市排水系統(tǒng)綜合實(shí)時(shí)控制相關(guān)技術(shù)，如策略研究和綜合模型研究將是未來一段時(shí)間的研究重點(diǎn)。在基于水質(zhì)目標(biāo)管理的實(shí)時(shí)控制項(xiàng)目實(shí)施中，合流制系統(tǒng)中嚴(yán)苛環(huán)境下的污染物在線監(jiān)測(cè)仍然是巨大的挑戰(zhàn)，傳感器的選擇、安裝和維護(hù)，管道沉積物的模擬和管理也需要?jiǎng)?chuàng)新的概念來實(shí)現(xiàn)。

　?、軐?shí)時(shí)控制也需要進(jìn)一步探索數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)給系統(tǒng)建模和優(yōu)化計(jì)算帶來的改進(jìn)空間。隨著傳感和通信技術(shù)的快速發(fā)展，大量數(shù)據(jù)的獲取使系統(tǒng)識(shí)別和優(yōu)化計(jì)算方面取得突破性進(jìn)展。排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制可以通過結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和分析方法來探索進(jìn)一步提高排水系統(tǒng)性能的建模和優(yōu)化方法。

作者簡介

　　王浩正（1980-），河北涿州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事城市排水系統(tǒng)數(shù)字化、智能化管理技術(shù)研究和開發(fā)，城市水環(huán)境及治理方案綜合模擬研究相關(guān)工作。

編輯：王媛媛