基于集中控制的管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用與運(yùn)行管理探討

周華，李正，夏海波，鐘澤樺

（廣東省廣業(yè)環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，廣州 510000）

截流式合流制系統(tǒng)是將街道管渠中合流的生活污水、工業(yè)廢水和雨水一起排向沿河的截流干管，晴天時(shí)全部輸送到污水處理廠；雨天時(shí)，當(dāng)雨水、生活污水和工業(yè)廢水的混合水量超過一定量時(shí)，超出部分通過溢流井泄入周邊水體。

目前，越來越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于合流制截流井系統(tǒng)中，如雨量、液位、流量的感知技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及云服務(wù)技術(shù)將傳統(tǒng)截流井設(shè)計(jì)為可感知、可自動(dòng)控制、可遠(yuǎn)程管理維護(hù)的云端一體化裝備和系統(tǒng)，可以根據(jù)感知數(shù)據(jù)自動(dòng)關(guān)起閥門，智能控制污水管進(jìn)水量、排水方向，防止河水倒灌等，并且可將汛期超過截流能力的水排至水體的附屬構(gòu)筑物，還可以實(shí)現(xiàn)與泵站、污水處理廠、排水系統(tǒng)及水體控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，從而改善城市排水系統(tǒng)整體運(yùn)行情況。

管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行管理對(duì)改善城市排水系統(tǒng)相當(dāng)重要，本文主要介紹了基于集中控制的管網(wǎng)系統(tǒng)所應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，以期為相關(guān)的管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行管理提供參考。

1 國內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)的研究

楊曉磊[1]以城市管理云平臺(tái)整體考慮了未來的城市信息化建設(shè)；梁向鋒等[2]提出了智慧排水系統(tǒng)建設(shè)的基本模型，同時(shí)提出了一些探索性試驗(yàn)；江楠等[3]指出了智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題，同時(shí)提出建立地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)一體化監(jiān)控平臺(tái)的必要性，總結(jié)出應(yīng)建立基于“一張圖”的數(shù)據(jù)外業(yè)務(wù)采集與數(shù)據(jù)整理入庫一體化作業(yè)平臺(tái)；李晴[4]提出了應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)并落實(shí)有效的管理措施，在提高管網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，對(duì)資源進(jìn)行合理分配和使用。

2 建設(shè)項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為全流域項(xiàng)目，干流全長(zhǎng)71.1km，流域面積1353km2，包括14 條重要支流，涉及3 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，常住人口約為430 萬人。

《廣東省環(huán)境保護(hù)廳關(guān)于練江流域水環(huán)境綜合整治方案（2014—2020 年）》提出，2020 年年底前，流域內(nèi)所有建制鎮(zhèn)建成污水處理設(shè)施，全流域城鎮(zhèn)生活污水處理率達(dá)到95%以上。

將污水收集管網(wǎng)建設(shè)與城市開發(fā)、舊城改造等工作統(tǒng)籌考慮，采取清污分流與沿河截污相結(jié)合的措施，加快完善污水處理廠的配套管網(wǎng)，切實(shí)提高污水處理設(shè)施運(yùn)行負(fù)荷和進(jìn)水濃度。2015 年年底前，合計(jì)建設(shè)污水收集管網(wǎng)515km（含沿河截污223km），確?？h城級(jí)污水處理廠負(fù)荷率達(dá)到75%以上，鎮(zhèn)級(jí)污水處理廠負(fù)荷率達(dá)到65%以上，化學(xué)需氧量、氨氮的進(jìn)、出水濃度差分別達(dá)到110mg/L 和12mg/L 以上。2017年年底前，完成人口數(shù)量超過15 萬的建制鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)沿河截污系統(tǒng)建設(shè)，新增污水收集管網(wǎng)583km（含沿河截污63km），城鎮(zhèn)污水處理廠負(fù)荷率達(dá)到80%以上。2020 年年底前，建成所有鎮(zhèn)區(qū)沿河截污系統(tǒng)，并完善截污支管建設(shè)，新增污水收集管網(wǎng)332km（含沿河截污33km），城鎮(zhèn)污水處理廠負(fù)荷率達(dá)到90%以上。

本項(xiàng)目所屬地區(qū)屬于城鎮(zhèn)和城鄉(xiāng)接合部，原管網(wǎng)建設(shè)并不完善，因此管網(wǎng)系統(tǒng)在建設(shè)過程中，以合流制管網(wǎng)為主。項(xiàng)目于2020 年年底初步建成，排水管網(wǎng)系統(tǒng)采用集中控制管理。

3 集中控制管網(wǎng)系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)應(yīng)用

3.1 廠網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺(tái)

本項(xiàng)目主要以流域性的廠網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺(tái)作為主要業(yè)務(wù)控制手段。流域性的廠網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，用于污水處理設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制，從而提高污水處理管理的效率。

廠網(wǎng)一體化的控制均在中心污水處理廠監(jiān)控中心管網(wǎng)服務(wù)器及操作員站上完成，各鎮(zhèn)雨量數(shù)據(jù)均由廠網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺(tái)收集再下發(fā)到各個(gè)截流井、溢流井、格柵井及泵站。在監(jiān)控中心的畫面上，可對(duì)每座截流井的截污閘進(jìn)行控制并設(shè)置開啟度；可將若干截流井歸類，每一類截流井的截污閘可以同時(shí)開關(guān)、同時(shí)調(diào)節(jié)；歸類的截流井?dāng)?shù)量可以任意增減；可以對(duì)每座泵站進(jìn)行監(jiān)控并控制恒定水位或恒流量。

3.2 建立基于“一張圖”的管網(wǎng)系統(tǒng)

基于“一張圖”的管網(wǎng)系統(tǒng)可支撐管網(wǎng)分類標(biāo)準(zhǔn)化、信息臺(tái)賬化、分布可視化管理。管網(wǎng)系統(tǒng)主要提供了管網(wǎng)臺(tái)賬、管網(wǎng)巡檢、自定義查詢、管網(wǎng)編輯、信息導(dǎo)入/導(dǎo)出等管網(wǎng)基礎(chǔ)信息管理。通過調(diào)用GIS的初始化環(huán)節(jié)，在界面上默認(rèn)加載地圖，用于控制地圖上空間設(shè)施、業(yè)務(wù)管理、固定要素圖層的顯示與否。

3.3 采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的截流井系統(tǒng)

截流井內(nèi)設(shè)置有合流管，一側(cè)連接溢流管，位置高于合流管，另一側(cè)通過連接管連接截污管，截污管位置較合流管平高或低于合流管，溢流管和截污管與合流管垂直設(shè)置，在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同的來水量對(duì)污水進(jìn)行處理。當(dāng)來水量小時(shí)，溢流管關(guān)閉，截污管開啟；當(dāng)來水量大時(shí)，根據(jù)水位大小控制溢流閘和截污閘開度，對(duì)來水進(jìn)行分流，從而減小污水處理廠的負(fù)荷。截流井結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 截流井結(jié)構(gòu)

當(dāng)河流水位高于截流井時(shí)，河流水會(huì)發(fā)生倒灌，通過設(shè)置的防倒灌裝置，可防止河流中的清水倒灌至截流井中。防倒灌裝置包括多個(gè)呈扇形結(jié)構(gòu)且設(shè)置了半徑大于溢流管內(nèi)側(cè)半徑的擋板，當(dāng)多個(gè)擋板相互接觸時(shí)，呈錐形，擋板鉸接在溢流管的內(nèi)壁上。擋板由硬橡膠材質(zhì)制成，具有軟質(zhì)特性，在雨水倒灌時(shí)，可以更好地貼合，對(duì)雨水進(jìn)行充分阻流，可避免雨水從其他位置倒灌。

3.4 建立截流井的詳情模式

如圖2 所示，截流井的詳情模式主要為運(yùn)行人員提供截流井的實(shí)時(shí)狀態(tài)，總體能清晰顯示各污水處理廠所屬的截流井狀態(tài)，可顯示通訊、閘門位置、水位、報(bào)警等狀態(tài)，指導(dǎo)運(yùn)行人員進(jìn)行操作或調(diào)整相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 截流井的詳情模式

4 基于集中控制的運(yùn)行管理措施的運(yùn)用

4.1 坐標(biāo)定位

查清截流井及管網(wǎng)設(shè)施的坐標(biāo)定位是最基礎(chǔ)的工作，應(yīng)組織相關(guān)人員，查清具體坐標(biāo)。該坐標(biāo)需要系統(tǒng)內(nèi)存檔，并在地圖中標(biāo)注，便于巡檢人員快速定位。

4.2 沿線水位正常標(biāo)高

如圖3 所示，沿線水位正常標(biāo)高是運(yùn)行人員在操作截流井閘門時(shí)的參考依據(jù)。在雨天時(shí)，可根據(jù)雨量情況以及累積的參考值來判斷哪些雨水閘不能開、哪些雨水閘能開或設(shè)置閘門的開啟度。

圖3 截流井的水位標(biāo)高

4.3 識(shí)別初雨?duì)顟B(tài)及雨天運(yùn)行模式

通過雨量及截流井水位（見圖4）可判斷初雨?duì)顟B(tài)及雨天運(yùn)行模式。在有雨的條件下（雨量計(jì)測(cè)定最近1h 降雨量≥0.2mm），當(dāng)D（截流井水位）≤B（合流管內(nèi)頂水深）+0.1m 時(shí)，可判斷為初雨?duì)顟B(tài)，溢流閘全關(guān)，通過截污閘截流污水并控制污水流量，以確保污水全部進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理，截污閘的開啟度受控于監(jiān)控平臺(tái)的給定值。

圖4 截流井的控制水位

雨量計(jì)顯示持續(xù)降雨，當(dāng)D ＞ B+0.1m 時(shí)，溢流閘全開，截污閘開啟度受控于上位機(jī)給出的信號(hào)；當(dāng)D ≥B+0.2m 時(shí)，向監(jiān)控平臺(tái)報(bào)警高水位。

雨天結(jié)束（雨量計(jì)顯示降雨結(jié)束，即雨量計(jì)測(cè)定最近1h 降雨量＜ 0.2mm，由監(jiān)控平臺(tái)發(fā)來信號(hào)），記錄降雨結(jié)束時(shí)的截流井水位D，并上傳至監(jiān)控平臺(tái)。當(dāng)D ≥A（合流管管內(nèi)底水深）+0.2m 時(shí)，廠外泵站及污水處理廠進(jìn)水泵房應(yīng)持續(xù)按對(duì)應(yīng)的晴天水量的2 倍抽水（管網(wǎng)管理部門應(yīng)將是否需要2 倍規(guī)模出水的信號(hào)發(fā)送給污水處理廠管理部門）；當(dāng)D ＜ A+0.2m后，廠外泵站及污水處理廠進(jìn)水泵房按晴天模式正常運(yùn)行，并按監(jiān)控平臺(tái)要求關(guān)閉溢流閘、調(diào)節(jié)截污閘開啟度。

4.4 溢流量和截流量控制

溢流量和截流量的控制主要是通過控制直系泵站水位和雨水閘、截污閘的開啟度來實(shí)現(xiàn)的。如圖5、圖6 所示，若每座泵站已將主用泵全部啟動(dòng)且實(shí)測(cè)液位（E）仍大于雨天報(bào)警液位（J）時(shí)，將泵站直系截流井群的截污閘開啟度統(tǒng)一調(diào)節(jié)為10%（形成經(jīng)驗(yàn)后可調(diào)），并持續(xù)觀察泵站集水池水位；當(dāng)泵站水位的啟泵液位（G）≤E ＜J-0.3m 時(shí)，穩(wěn)定各截流井截污閘開啟度；當(dāng)泵站水位E ＞J-0.3m 時(shí)，泵站直系截流井群的截污閘統(tǒng)一下調(diào)開啟度，暫以5%遞減，最終開啟度不小于5%；當(dāng)泵站水位E ＜G+0.3m 時(shí)，泵站直系截流井群的截污閘統(tǒng)一上調(diào)開啟度，暫以5%遞增，最終開啟度不大于30%，直至穩(wěn)定在G ≤E ＜J。通過積累經(jīng)驗(yàn)，形成泵站直系截流井群截污閘和雨水閘合適的開啟度。

圖5 泵站控制

圖6 截流井的閘門開限

4.5 開關(guān)閘的順序控制

廠外泵站及污水處理廠進(jìn)水泵房水量在雨天時(shí)按對(duì)應(yīng)的晴天水量的2 倍抽水。通過計(jì)算雨量及河流水位，在無雨以及達(dá)到關(guān)閉溢流閘的條件下（見圖7），從下游截流井N 開始逐級(jí)打開截污閘，關(guān)閉溢流閘，以確保污水全部進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理；通過計(jì)算雨量及河流水位，在有雨的條件下，實(shí)測(cè)水位小于合流管內(nèi)部的頂水位，可判斷為初雨?duì)顟B(tài)，溢流閘全關(guān)，通過截污閘截流污水并控制污水流量，從而確保污水全部進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理；截污閘的開啟度受控于監(jiān)控平臺(tái)的給定值；通過計(jì)算雨量及河流水位，在有雨或達(dá)到開啟溢流閘的條件下，從下游截流井N 開始，逐級(jí)調(diào)節(jié)截污閘開啟度，打開溢流閘，確保雨水及時(shí)排入河流，防止造成污水處理廠負(fù)荷量過大。在有雨或達(dá)到開溢流閘的條件下，將流域的河流水位與截流井的標(biāo)高進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)流域的河流水位高于截流井的標(biāo)高時(shí)，從下游截流井N 開始逐級(jí)關(guān)閉溢流閘，防止河水倒灌，同時(shí)調(diào)節(jié)截污閘開啟度，并上傳監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行報(bào)警，安排排澇措施[5]。

圖7 流域內(nèi)截流井群

4.6 倒灌識(shí)別

倒灌識(shí)別較為困難，需要大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和多邊界的設(shè)定。如圖8 所示，本項(xiàng)目從保護(hù)設(shè)施的角度出發(fā)，初步設(shè)定一個(gè)超高水位報(bào)警作為倒灌識(shí)別的初始探索數(shù)據(jù)。在設(shè)定的高水位限值下，開啟了溢流閘（雨水閘），但水位不下降，反而快速上升到設(shè)定的超高水位值，可以判斷為倒灌現(xiàn)象發(fā)生，系統(tǒng)應(yīng)向運(yùn)行人員發(fā)出倒灌信號(hào)，需要人工干預(yù)。該超高水位可參照超聲波液位的盲區(qū)值進(jìn)行設(shè)定。

圖8 截流井的控制水位

4.7 數(shù)據(jù)報(bào)表要求

數(shù)據(jù)報(bào)表是運(yùn)行人員進(jìn)行運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和分析的重要依據(jù)，本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)報(bào)表主要有管線智能水位終端運(yùn)行狀態(tài)日?qǐng)?bào)表，泵站運(yùn)行日、月、年報(bào)表，設(shè)施故障日?qǐng)?bào)表，液位數(shù)據(jù)量曲線等。

管線智能水位終端運(yùn)行狀態(tài)日?qǐng)?bào)表可分析24 小時(shí)內(nèi)各水位終端的水位變化，為污水處理廠運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。

泵站運(yùn)行日、月、年報(bào)表可提供泵站的水位和流量，結(jié)合雨天情況，可分析運(yùn)行情況是否合理。

設(shè)施故障日?qǐng)?bào)表主要用于統(tǒng)計(jì)設(shè)施的完好性，特別是可統(tǒng)計(jì)經(jīng)常發(fā)生故障的設(shè)施。

液位數(shù)據(jù)量曲線可用于分析多種情況，如河水倒灌、水位快速上升的情況等。

5 總體運(yùn)行評(píng)價(jià)

運(yùn)用科學(xué)有效的技術(shù)手段進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行管理非常必要。本項(xiàng)目應(yīng)用了流域性廠網(wǎng)一體化監(jiān)控平臺(tái)，大大減少了人力成本，在應(yīng)用中保證了污水處理廠的平穩(wěn)運(yùn)行，也減少了對(duì)河流的污染，為保證流域斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)提供了重要支撐。

管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行復(fù)雜而分散，需要我們?cè)诠ぷ髦胁粩嗫偨Y(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，形成一套行之有效的運(yùn)行辦法，才能有效解決流域污染防治問題。