論地表水流分質(zhì)排放方法

林萬泉，章應(yīng)霖，林萬新

（1．深圳市蘭德瑪水環(huán)境工程科技有限公司，廣東深圳 518004；2．武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072）

論地表水流分質(zhì)排放方法

林萬泉1，章應(yīng)霖2，林萬新2

（1．深圳市蘭德瑪水環(huán)境工程科技有限公司，廣東深圳 518004；2．武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072）

水質(zhì)和水量分割在不同體系進(jìn)行監(jiān)測和管理的傳統(tǒng)水污染治理技術(shù)，使水域只能被動接納水體。為此，提出了一種創(chuàng)新技術(shù)體制——水流分質(zhì)排放方法，建立了水質(zhì)、水量監(jiān)測和水體分流設(shè)施一體化的智能感知與控制系統(tǒng)。論述了實現(xiàn)該法的技術(shù)難點；運用相關(guān)性原理分析發(fā)現(xiàn)水質(zhì)項目間存在多向相關(guān)項目，論證了從多向相關(guān)項目中選取能進(jìn)行快速在線監(jiān)測的項目以及求取和分級的方法；并按其監(jiān)測速度分成若干優(yōu)先監(jiān)測級別，使被保護(hù)水域能快速選擇性接納符合水質(zhì)管理目標(biāo)的水體，實現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)體制。查新報告表明，在國內(nèi)外未見相同文獻(xiàn)。實踐證明，該方法能快速靈敏選擇水體，有效防止污染擴(kuò)散和輸移。

水污染；水質(zhì)；相關(guān)性；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；分質(zhì)排放

在30年的社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)中，全國廢污水排放總量從1998年的593億t，上升到2011年的807億t，增長36．0%。全國劣Ⅴ類水質(zhì)河流長度，從1．86萬km，增加到3．25萬km以上；絕對值增長了74．7%。數(shù)據(jù)說明，盡管在水污染預(yù)防和治理上已經(jīng)做出巨大努力，劣Ⅴ類水質(zhì)河流長度，萬公里數(shù)的增長率仍遠(yuǎn)超過污水排放總量的增長率，被嚴(yán)重污染的地表水域范圍仍在擴(kuò)大。

這一現(xiàn)象說明，當(dāng)前的地表水環(huán)境保護(hù)和治理水污染的措施還不能扼制污染發(fā)展的勢頭。變革傳統(tǒng)的水污染防治基本技術(shù)體制，創(chuàng)建新的技術(shù)體制應(yīng)是遏止這勢頭的措施之一。

圖1 水流污染防治基本技術(shù)體制Fig．1 Traditionalwater pollution control and managem ent system

1 雨污混流狀態(tài)下地表水流的污染防治技術(shù)體制

1．1 當(dāng)前對地表水流污染防治的基本技術(shù)體制

我國當(dāng)前對水流污染防治的基本技術(shù)體制，如圖1。

按照傳統(tǒng)的職能，政府水務(wù)部門負(fù)責(zé)水資源的調(diào)配和防治洪災(zāi)，這些功能都是通過相應(yīng)的水利工程設(shè)施來實現(xiàn)的。

基于傳統(tǒng)技術(shù)，截污和治理工程大多仍是建立在對水體物理量控制基礎(chǔ)之上，排污系統(tǒng)和溢流裝置的確定，按初雨水形成的地表徑流量的一定倍率，截流至污水處理系統(tǒng)；在形成的地表徑流量小于設(shè)定的倍率時，即水位低于溢流裝置時，將全部水流截流，引入排污系統(tǒng)，經(jīng)過凈化處理后排放到下游水域；當(dāng)形成的地表徑流量大于設(shè)定的倍率時，即在水位超過溢流裝置高時，水流翻越溢流裝置進(jìn)入需保護(hù)的水域。

相應(yīng)的水環(huán)境管理部門負(fù)責(zé)對水域水質(zhì)的監(jiān)督和監(jiān)測、評估，對于造成污染的水域發(fā)出責(zé)令整改的指令。這一過程，僅揭示了水體在某一時間點上，某特定空間的水質(zhì)狀態(tài)，但是，它不承擔(dān)對水體運動和流向的實時控制。這就極大地削弱了對水污染發(fā)生與擴(kuò)散的管理作用，不能遏止水污染狀況在更大范圍發(fā)生。

上述的水流污染防治技術(shù)體制對水體的水量與水質(zhì)控制，始終是處于2個不同體系。特別是當(dāng)截污工程系統(tǒng)建成后，它既不能控制隨機(jī)變化的水質(zhì)，也不能合理利用水資源，導(dǎo)致被嚴(yán)重污染的水域范圍擴(kuò)大。

1．2 與水質(zhì)控制同步的地表水流污染防治創(chuàng)新技術(shù)體制

針對當(dāng)前對水流污染防治的基本技術(shù)體制，建立自主創(chuàng)新的技術(shù)體制——地表水流分質(zhì)排放。

這個全新的技術(shù)體制將水質(zhì)在線監(jiān)測和水務(wù)工程水流執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合（如圖2）。由實時監(jiān)測的水質(zhì)狀態(tài)決定水體的實時運動狀態(tài)和水流實時流向，使被保護(hù)水域具有選擇接納符合水質(zhì)管理目標(biāo)水體的能力；建立水流與水質(zhì)管理目標(biāo)相結(jié)合的水污染防治新技術(shù)體制［1］，有望遏止上述地表水域水質(zhì)持續(xù)惡化的局面。

圖2 地表水流污染防治創(chuàng)新技術(shù)體制Fig．2 The innovative control and management system for surface water pollution

圖2 中，把對水域的水質(zhì)和水流的在線監(jiān)測、在線識別以及對水務(wù)設(shè)施的水流執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制匯集在統(tǒng)一的平臺。當(dāng)水量小于泄洪流量標(biāo)準(zhǔn)時，水流執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作，完全是根據(jù)水質(zhì)在線監(jiān)測和識別的結(jié)果，在線自動對水流進(jìn)行分質(zhì)排放控制。它克服了圖1架構(gòu)的缺陷，形成以實時水質(zhì)狀態(tài)決定水體實時運動狀態(tài)及水流實時流向的一體化技術(shù)體制——水流分質(zhì)排放［1］。

創(chuàng)新技術(shù)體制——水流分質(zhì)排放的核心特點在于：利用現(xiàn)代的檢測、自動化和信息技術(shù)，實現(xiàn)把水質(zhì)實時感知量與水流實時感知量一起都作為控制水務(wù)工程水流執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的依據(jù)，即決定水體運動狀態(tài)和流向的依據(jù)。按水質(zhì)、水量控制水流執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作［1］。

圖2中表明：關(guān)于泄洪問題，當(dāng)水量大于泄洪流量時，除了執(zhí)行泄洪，也能即時報告實時水質(zhì)，控制納污總量，賦予下游水域選擇性接納水體的功能。

2 實施水流分質(zhì)排放的關(guān)鍵突破點

完全實現(xiàn)水流分質(zhì)排放的創(chuàng)新技術(shù)體制，在于以下關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的突破：

（1）地表水水質(zhì)類別的國家標(biāo)準(zhǔn)是用24個項目的檢測水平來定義。為了確定當(dāng)前水體的水質(zhì)類別是否符合水域功能管理目標(biāo)，原則上就應(yīng)該在線快速監(jiān)測這24個項目，并即時地確認(rèn)這24個項目是否都滿足了管理目標(biāo)規(guī)定的水平。

（2）由于上述24個項目大多是化學(xué)量，還有部分是生物量。其中生物量需要數(shù)天甚至更長時間培養(yǎng)才能獲得結(jié)果，不可能為識別當(dāng)前水體的水質(zhì)提供在線的即時的監(jiān)測結(jié)果。即使是化學(xué)量的監(jiān)測也需要較長時間，有的長達(dá)數(shù)十分鐘。

（3）監(jiān)測項目多，各個項目監(jiān)測速度差別很大，大多數(shù)情況水流是動態(tài)的，其水質(zhì)變化是隨機(jī)的。結(jié)合國家地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的評定原則，還需要合理解決對在線監(jiān)測儀器和其結(jié)果在線識別的自動管理、快速識別及即時控制。

部分項目不可能及時取得監(jiān)測結(jié)果，各個項目監(jiān)測速度差別很大，是阻礙根據(jù)在線監(jiān)測結(jié)果即時執(zhí)行分質(zhì)排放控制的最大技術(shù)難點。

3 地表水水質(zhì)項目的相關(guān)性分析和快速在線水質(zhì)監(jiān)測項目的創(chuàng)立

3．1 地表水水質(zhì)項目的相關(guān)性

地表水國家標(biāo)準(zhǔn)中各水質(zhì)項目盡管都是獨立的概念，但從這些概念、項目的組成、形成機(jī)制以及實際統(tǒng)計等方面可以預(yù)計某些項目間可能存在著相關(guān)性［2］。若這種相關(guān)性被證實，那么就可以利用這些相關(guān)性省略部分需要監(jiān)測的水質(zhì)項目，尤其是那些不可能快速監(jiān)測的項目。為此曾經(jīng)對南方某地區(qū)10條城市河流，2006—2009年的4萬余組水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）所有10條河流各監(jiān)測斷面各時間段內(nèi)，水質(zhì)項目超出國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限量的概率（以下簡稱超標(biāo)率）都具有如圖3所示的特點。

圖3中，左側(cè)的溶解氧至總磷7個項目以及右側(cè)的糞大腸桿菌群和陰離子表面活化劑的超標(biāo)率很高，而其余項目的超標(biāo)率極低。這就可以認(rèn)為對于城市河流，主要是生活污水導(dǎo)致的。銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚等12項的超標(biāo)率非常低，很多情況下其超標(biāo)率為0，這些污染物主要來自工業(yè)污染?？蓪⑦@些超標(biāo)概率低于20%的項目稱為低超標(biāo)率項目。

（2）對每條河流的高超標(biāo)率項目監(jiān)測值間的相關(guān)性進(jìn)行了計算分析，發(fā)現(xiàn)高超標(biāo)率項目的監(jiān)測值間存在一定的相關(guān)性，表1是某河流4年間各高超標(biāo)率項目監(jiān)測值的相關(guān)性計算結(jié)果。計算結(jié)果表示，除了COD－DO、COD－糞大腸桿菌群和BOD－氨氮相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)不顯著，其他各項目的R2α值都大于90%可信度相關(guān)關(guān)系對應(yīng)的臨界值，還有許多的可信度達(dá)到99%。例如氨氮－糞大腸桿菌群等，如表1中黑體字表示的各項［2］。

圖3 大沙河2008年全年地表水水質(zhì)項目超標(biāo)率分布Fig．3 Unqualified probability distribution of surface water pollutant in Dasha river in 2008

表1 某河流域2006—2009年高超標(biāo)率項目間的相關(guān)系數(shù)R2（n＝47）Table 1 Correlation coefficients R2ofmonitored pollutants which exceed the control standard of a water area in 2006－2009（n＝47）

表1還顯示，高超標(biāo)率項目中有些項目，如高錳酸鹽指數(shù)、COD、氨氮、總磷等，同時和多個項目具有良好的相關(guān)性，這些項目很值得注意，把它稱為“多向相關(guān)的高超標(biāo)率項目”。

所有其他各條河流也都具有類似的特點。歸納起來，按照存在多向相關(guān)性關(guān)系最廣的項目次序排列時，其次序為：高錳酸鹽指數(shù)→總磷→COD→氨氮→溶解氧。

（3）匯集各河流2006—2009年水質(zhì)監(jiān)測項目的不超標(biāo)概率，可進(jìn)一步說明這些高超標(biāo)率監(jiān)測項目間的相關(guān)性和多向相關(guān)項目的意義（見表2）。表2中COD和氨氮2個監(jiān)測項目分別100%不超標(biāo)時，可以有其他3個項目100%不超標(biāo)。即當(dāng)COD100%不超標(biāo)時，除了溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、BOD53個項目100%不超標(biāo)外，還可以有陰離子表面活性劑和糞大腸桿菌群分別達(dá)到75%和58%的概率不超標(biāo)。當(dāng)氨氮100%不超標(biāo)時，除了溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5100%不超標(biāo)外，總磷也可有92%的概率不超標(biāo)，還使糞大腸桿菌群的不超標(biāo)概率達(dá)到75%。此外，總氮顯然會和氨氮有顯著的相關(guān)性。由此可以推測：如果COD不超標(biāo)，則DO、BOD5和高錳酸鹽不超標(biāo)的概率會很高；同時也會影響陰離子表面活化劑和糞大腸桿菌群，使它們具有超過50%的不超標(biāo)概率。如果氨氮不超標(biāo)，同樣也會使DO、BOD5、高錳酸鹽指數(shù)和TP大致不會超標(biāo)，而且還會影響糞大腸桿菌群和陰離子表面活化劑，使它們的不超標(biāo)概率達(dá)到70%左右。

3．2 確立地表水流水質(zhì)在線快速監(jiān)測項目

圖4為“在線快速監(jiān)測項目選擇方法”的選擇分析。通過圖4所述8個組合選擇，分析獲得水域水質(zhì)的重要項目組合，重要組合中所含的項目就是該水域必須在線監(jiān)測的高超標(biāo)率項目。顯然，這些被選定的項目已經(jīng)不存在長時間化學(xué)反應(yīng)和生物培養(yǎng)的需求。此外，利用“多向相關(guān)的高超標(biāo)率項目”的特點提出的“在線快速監(jiān)測項目選擇方法”［4］，既省略了部分在線監(jiān)測項目又不會由于省略而造成對水質(zhì)的錯判。

表2 各河流2006—2009年水質(zhì)監(jiān)測項目的不超標(biāo)概率（合格率）統(tǒng)計Table 2 Statistics of the rate ofmonitored pollutantswhich did not exceed the standard（qualified rate）of 10 rivers in 2006－2009

圖4 在線快速監(jiān)測項目的選擇分析Fig．4 Procedures of selecting pollutants which are rapid ly monitored online

3．3 創(chuàng)建分級監(jiān)測和分級識別體系

“在線快速監(jiān)測項目選擇方法”使在線快速監(jiān)測成為可能，但要切實做到為控制水務(wù)設(shè)施的水流執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作提供實時的水質(zhì)變化，必須保證所有監(jiān)測項目的監(jiān)測和識別在短短的數(shù)分鐘內(nèi)完成。尤其是水質(zhì)在符合水質(zhì)管理目標(biāo)的情況下，發(fā)生突發(fā)性污染事件時，更需即時識別和反應(yīng)。但是，大部分化學(xué)量監(jiān)測都需要耗用相對較長時間。另一方面，按地表GB3838—2002標(biāo)準(zhǔn)的原則，在監(jiān)測項目中只要有一個項目不符合管理目標(biāo)，該水體即應(yīng)判定為不符合水質(zhì)管理目標(biāo)；只有當(dāng)所有項目都符合水質(zhì)管理目標(biāo)時，該水體才符合水質(zhì)管理目標(biāo)。由此為了提升在線監(jiān)測和識別的速度，地表水流分質(zhì)排放采用了筆者提出的“地表水受控在線測試分級識別和分質(zhì)排放監(jiān)控系統(tǒng)及方法”［3］。

圖5 分級監(jiān)測分級識別流程Fig．5 Flow chart ofmonitoring and identification in different priority levels

圖5 表明了該分級監(jiān)測和分級識別系統(tǒng)的基本原理。該系統(tǒng)首先將多向相關(guān)的高超標(biāo)率項目分級，可以將傳感器直接浸在匯入水域的水流內(nèi)，即時得到在線高頻度監(jiān)測結(jié)果的項目設(shè)為第一級，例如：pH、溶解氧、電導(dǎo)率，雖然不是GB3838中規(guī)定的項目，但與高超標(biāo)率有緊密的相關(guān)性。把需要抽取樣品進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，多向相關(guān)的高超標(biāo)率項目設(shè)為第二級，例如COD、氨氮、TP等。把本文3．1中所述的低超標(biāo)率項目（如重金屬等）設(shè)為第三級，如圖5。第一級的監(jiān)測項目都可以即時獲得監(jiān)測和識別的結(jié)果，如果所有項目全部符合被保護(hù)水域水質(zhì)管理目標(biāo)，則系統(tǒng)指令啟動第二級監(jiān)測；否則不僅毋需啟動二級和三級監(jiān)測，而且將開啟排污閘、關(guān)閉排放閘。分級監(jiān)測、分級識別顯著提高了監(jiān)測和識別速度，同時還避免了貴重精密的二級、三級監(jiān)測儀器作不必要的啟動。

4 地表水分質(zhì)排放的應(yīng)用

“在線快速監(jiān)測項目選擇方法”和分級監(jiān)測分級識別措施，使地表水流污染防治創(chuàng)新技術(shù)體制得以完全實現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上再添加水量監(jiān)測和控制、信息的遠(yuǎn)程傳輸?shù)龋O(shè)計研制了水流分質(zhì)排放成套設(shè)備集成系統(tǒng)。

圖6是深圳市飲用水源水庫之一的石巖水庫工程應(yīng)用分質(zhì)排放集成系統(tǒng)的示意。工程通過分質(zhì)排放集成系統(tǒng)的監(jiān)控管理，使設(shè)置在水庫4個入水口的閘門按照設(shè)定的水質(zhì)控制指標(biāo)，把超過控制指標(biāo)的雨污混合水體，截流到不同區(qū)域；當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)符合規(guī)定控制指標(biāo)時，把水體直接排放入水庫。系統(tǒng)已經(jīng)在該工程中連續(xù)無故障自動運行了15個月。圖7顯示了系統(tǒng)運行中每10 s滾動一次的實時數(shù)據(jù)。圖中白字是相應(yīng)監(jiān)測項目的電子閾值。

圖6 石巖水庫工程示意圖Fig．6 Schem atic diagram of the app lication to Shiyan reservoir

5 討 論

圖7 水流分質(zhì)排放集成系統(tǒng)實時滾動頁面Fig．7 A real-time page of integrated discharge system according to water quality

（1）根據(jù)地表水流分質(zhì)排放技術(shù)體制研制的分質(zhì)排放成套設(shè)備集成系統(tǒng)，集合了在線的水質(zhì)分級監(jiān)測、在線的分級識別、在線分級管理，根據(jù)識別結(jié)果，對水流執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出的控制指令并實時執(zhí)行，切實賦予了水域選擇性接納水體的功能。

該系統(tǒng)通過分級監(jiān)測和分級識別，確認(rèn)各級監(jiān)測項目的所有結(jié)果都符合管理目標(biāo)時，在線啟動水流執(zhí)行機(jī)構(gòu)接納上游來水。逐級監(jiān)測識別中一旦發(fā)現(xiàn)有不符合管理目標(biāo)的結(jié)果時，即使是一個項目，立即開啟排污閘，關(guān)閉排放閘，拒絕接納來水；同時也停止這一輪的下一級監(jiān)測和識別。可見，這個系統(tǒng)對接納水體是很慎重的，需要全體項目合格，這一過程的時間步長，取決于受檢項目數(shù)和各級監(jiān)測儀器的監(jiān)測速度。

現(xiàn)代的快速在線監(jiān)測速度可以做到在10 min／次以內(nèi)，這對于拒絕接納水體的速度，還不夠令人滿意。水流分質(zhì)排放成套設(shè)備集成系統(tǒng)設(shè)置的一級監(jiān)測項目，都是用直接浸入受檢水體的傳感器連續(xù)快速獲取監(jiān)測結(jié)果。因此選擇好一級監(jiān)測項目、設(shè)置好他們的閾值就能使系統(tǒng)靈敏地預(yù)告和防止突發(fā)污染事件。

（2）傳統(tǒng)的截污治理工程體系通常設(shè)置有污水處理廠、生態(tài)池、人工濕地等配套設(shè)施。在這個體系中合理配以水流分質(zhì)排放成套設(shè)備集成系統(tǒng)，將獲得以下效果：防止雖經(jīng)治理但未達(dá)標(biāo)的水體排入被保護(hù)水域，確保一定污染濃度的水體進(jìn)入相應(yīng)功能的治理單元；提高污染治理效率和控制合理的治理單元規(guī)模；使體系中各個部門有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 林萬泉．城市河流雨污混流管網(wǎng)水流分質(zhì)排放的方法：中國，ZL200610061376．9［P］．2008－10－25．（LIN Wan-quan．Method of Water Flow Discharge According toWater Quality for Rain and Waste Mixed Drainage Network：China，ZL200610061376．9［P］．2008－10－25．（in Chinese））

［2］ 李秀珍，胡炳清，惠仲威．地表水水生生物指標(biāo)與水質(zhì)理化指標(biāo)相關(guān)性研究［J］．森林工程，2003，19（4）：7－11．（LIXiu-zhen，HU Bin-qing，HUIZhong-wei．Relation of Aquatic Biology Indexes and Water Quality Indexes in Underground Water［J］．Forest Engineering，2003，19（4）：7－11．（in Chinese））

［3］ 林萬泉，章應(yīng)霖，林萬新．地表水受控在線分級測試識別和分質(zhì)排放監(jiān)控系統(tǒng)及方法：中國，ZL200910109601．5［P］．2012－05－25．（LIN Wanquan，ZHANG Ying-lin，LIN Wan-xin．Invention Patent：System and Method of Controlled Monitoring of Surface Water Quality by Levels and Water Discharge According to Water Quality：China，ZL200910109601．5［P］．2012－05－25．（in Chinese））

［4］ 林萬泉，章應(yīng)霖，林萬新．受控在線多向相關(guān)測試項目分級監(jiān)測方法及系統(tǒng)：中國，ZL200910110351．7［P］．2012－11－06．（LINWan-quan，ZHANG Ying-lin，LIN Wan-xin．Invention Patent：Method and System of Online Classified Monitoring of Multi-correlated Test Item：China，ZL200910110351．7［P］．2012－11－06．（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

M ethod of Surface Flow Discharging According to W ater Quality

LINWan-quan1，ZHANG Ying-lin2，LINWan-xin2
（1．Shenzhen Landmark Water Environment Engineering Co．Ltd．， 518004，China；2．School ofWater Resources and Hydropower Engineering，Wuhan University 430072，China）

A new water pollution control system which intelligently integrates the water quality and water quantity monitoring and the discharge device is proposed to replace the traditional polluted water treatment in which thewater quality and quantity monitoring and discharge device were segmented into different systems．It is effective to curb water pollution spread and transport．The technical difficulties of this new system is discussed in this paper．Statistical analysis based on relevance principle proves that there are some pollutants（named multi-related pollutant）whose quantities are respectively related to several pollutant quantities simultaneously．The pollutants which can be rapidlymeasured on-line are selected from themulti-related pollutants，and themeasurement priority is divided into different levels according to the measuring speed．The method of seeking multi-related pollutants and classifying different priority levels are expounded in this paper．Factual engineering application shows that the new system not only enables the water area to actively choose water flow according to the water quality，but also sensitively refuses unqualified water flow and therefore the emergent pollution could be avoided effectively．

water pollution；water quality；relevance；discharge device；discharging according to water quality

X52

A

1001－5485（2013）04－0011－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．04．003

2013，30（04）：11－16

2012－09－26；

2013－02－18

林萬泉（1945－），男，上海市人，研究員，主要從事水利與水環(huán)境的研究及建設(shè)工作，（電話）13603080803（電子信箱）lwq7040＠163．com。