流域治理视角下构建弹性城市排水系统实时控制策略

提升排水防涝能力、减少管网沿途溢流污染、最大限度发挥管网调蓄能力和末端污水处理能力一直是集中式城镇排水系统追求的方向。尤其是随着全球气候变化，极端降雨事件增加，传统的排水系统面临日益严峻的挑战，城镇水系统安全成为城市管理最基础性要素。而通过基础设施建设增加排水系统的处理能力，不仅投资成本高回报期长，并且受土地使用等问题限制，不能广泛应用于城镇地区。为了应对上述复杂情况，如何在现有硬件设施的基础上，构建具有弹性、可靠性和可持续性的现代排水系统架构，是传统排水系统面临的和必须寻求突破的课题。同时，随着城市水环境治理体系的日益复杂，排水系统的动态性、多目标和不确定性逐渐被认识，但是排水系统通常是在静态条件下设计，并在静态规则下运行，这就造成了传统的运行方式在应对复杂多变的环境时，要么设施无法充分发挥作用造成资源浪费；要么设施能力不足导致合流制管网溢流（CSO）和内涝；也有些情况是在同一系统内，部分设施不能充分发挥作用的同时其他设施已超出负荷。因此，找到一种动态的控制方式，充分利用现有设施实现CSO消减和内涝控制等目标，为解决城市排水问题提供了智能化方案。排水系统实时控制（Real Time Control,简称RTC）是优化城市排水系统运行的可行方式。

01 实时控制及发展历程

1.1 实时控制定义

很多文献都对排水系统实时控制进行过定义。通常认为，排水系统的实时控制为：在排水系统运行过程中，在线监测重要的过程变量（雨量、液位、流量、水质等），依据监测数据、在线模型动态调整控制策略，通过控制设备（阀门、水泵等执行器）对排水设施及污水处理厂运行进行实时干预，实现厂-网、厂-网-河最优能力匹配，进而提高整个排水系统运行效率的优化控制方式。实现可靠的实时控制有以下要点：①要有优化点位的过程变量在线监测；②需要动态制定控制策略以及具有可靠的过程控制系统；③管网-处理厂等调节设施具有协同可控性、硬件设施能力有匹配度；④排水系统快速实时的响应特性及反馈控制机制。这一定义明确了排水系统实时控制的基本架构、建设内容、方法和目标。

实时控制系统由传感器、控制器、执行器和控制中心等硬件要素和控制模型、控制算法以及降雨预测等软件要素组成，具体见图1。

传感器负责监测排水过程，包括流量、水位、水质和降雨量等，并将数据传送给控制器；控制器主要执行传感器测量数据获取、数据预处理/校正、控制动作计算，与控制中心进行数据交换并将控制策略（动作）传送至执行器；执行器是执行控制动作的设备，用来调节流量或液位，通常包括：水泵、可调堰、可调闸门、充气坝、阀门和分流设施等。一些执行器也可以对水质进行调节，如化学加药设备和曝气设备。控制中心是实时控制的中央处理模块。主要通过协调传感器、控制器和执行器等子模块完成监测数据的收集、处理，控制指令的计算和远端设备的数据交换，从而实现监督和控制整个排水系统的作用。其中控制指令的计算涉及控制模型和控制算法两个核心元素。控制模型是用于实时控制系统规划设计和运行优化的数学模型，是设计和执行实时控制的重要预测工具。控制模型常使用简化模型（尤其针对复杂的大规模排水系统），以足够快的计算效率满足实时控制的时间需求。控制算法是执行实时控制策略的另一核心元素，通过预先设定优化目标在策略计算过程中实现从控制目标到执行器控制命令的转化。控制算法也可称为控制程序。另外，降雨预测也是实时控制系统执行的关键环节。但是，不是所有的实时控制系统都需要包含降雨预测和模型。

1.2 实时控制系统的级别

借鉴国外相关经验，按照系统实际控制(管理)的范围，将实时控制系统分成局部响应控制、全局优化控制和流域联合调度三种级别。

①局部响应控制:定位于单个汇水分区，实现本区域厂-网就地响应控制，只利用本地或相邻传感器的实时监测数据，通过内置的控制算法计算出控制动作，进而通过执行器实现对受控过程的控制。这种控制方式一般适用于规模较小的排水系统、单一“厂-网”设施或单一绿色设施。

②全局优化控制：定位于跨排水分区或者整个城市层面的排水系统联调联控，这种情况下对实时控制系统要求较高，要求相互关联的执行器具备更高的执行效率，或者执行器间必须联合运行，此时需考虑采用全局控制策略。相比于局部响应控制，全局优化控制覆盖设施更广，考虑的过程变量更多，能够对排水系统进行整体优化控制。

③流域联合调度：针对大流域管理尺度，实现城镇排水系统、水资源、洪涝灾害防控。这种情况下排水系统的组成跨越多个城市、管理单位之间，需要不同城市、单位、系统之间联合调度，并制定流域联合调度策略。流域联合调度能够实现大流域尺度下的整体最优，但因涉及技术、管理、地域政策等方面的融合而给系统建模、集成方法，协调策略以及计算效率带来不小的挑战。

实际应用层面，不同的控制级别可以在一个系统当中同时耦合存在。

1.3 实时控制发展历程

协同于实时控制系统的级别变化，实时控制的发展历程大致可以分成三个阶段：管网CSO和内涝控制阶段、厂-网联合优化控制阶段和水系统综合控制研究阶段。

实时控制研究从20世纪60年代末开始，以SWMM（Storm Water Management Model）为代表的排水管网模型也同时出现。到20世纪80年代，欧美发达国家的排水系统日趋完善，CSO成为水污染的主要原因。因此，早期的合流制排水系统的运行以充分发挥管网系统在线调蓄能力，尽量避免和减少CSO，同时兼顾内涝控制，实时控制算法则以规则控制（Rule Based Control，简称RBC）为主。随着欧美国家对CSO管控标准要求的逐步提高，发现仅仅依靠发挥管网能力进行CSO和内涝的削减还不能充分发挥整个排水系统及处理单元的综合效率，治理工艺出现了以调蓄池为代表的过程调蓄策略，和以污水厂雨天处理工艺为代表的末端处理工艺，硬件设施进一步丰富和完善，排水系统运行工况也日趋复杂。厂网联动控制成为第二阶段实时控制研究和应用的主要内容，控制目标也更加多样化。如在瑞典克拉格斯港，采用实时控制系统不但充分利用了管道的在线蓄水能力，得到了4000～5000m3的额外在线蓄水空间，还避免了污水厂雨季活性污泥从二沉池的大幅溢出。这一阶段有很多实时控制案例实施，出现了多个用于排水系统实时控制的软件，如C-Soft、CORAL、Simba等，污水处理厂模型也日渐成熟，各种基于（模糊）规则的优化的算法也开始应用于排水系统的实时控制。随着CSO治理效果的进一步体现，源头-过程-末端体系的完善，欧美水环境治理的要求进一步提高，厂-网-河的集成化综合控制逐渐成为近几年的研究热点。对哥伦比亚波哥大、丹麦伦多特和比利时莫斯奈特几个案例的研究表明，厂-网-河联合调度可以改善CSO问题和城市内涝问题，也有助于提高河道水质的达标率。同时，在这一阶段，通信技术日趋发达、监控成本降低、排水系统实时控制的技术日趋成熟。

这三个阶段并没有明显的时间界限区分，内容也存在交叉。比如，早在20世纪90年代就有研究人员开始研究城市排水系统的综合控制技术，在第三阶段也有基于规则的控制算法的应用。但从整个发展历程，实现实时控制的关键技术研究可明显分为工艺和策略、控制模型以及控制算法三个方面，见图2。实时控制研究和应用案例见表1。

02 实时控制工艺及策略

实时控制工艺指系统采用的设施和设施之间的联动关系，通过控制工艺实现排水系统的可靠性和弹性；控制策略指系统执行控制达到预定目标的描述性方法，通过控制策略提升排水系统的弹性。控制工艺和策略是执行实时控制的重要基础。

2.1 在线控制工艺和策略

排水系统中的在线调蓄和处理主要利用具有雨天调蓄能力的常规管道或深隧等管网设施，雨天快速、持续存储设施和超量混合污水处理设施等构成。

①管道在线调蓄

管道在线控制主要是充分利用管网剩余空间进行水量调度，适用于管网存在充分可用空间的情况，尤其是在下游存在瓶颈的情况下，对上游设施进行流量动态控制，实现削减CSO和城市内涝的目标。在实时控制改造项目中，在线控制通常作为优先考虑选项。管道在线控制原理示意见图3。

20世纪90年代，哥本哈根在管道关键部位安装闸门和带有逻辑运算能力的控制器，根据降雨量和下游管网水位来控制闸门启闭，尽可能使下游不发生溢流。第一阶段实时控制实施后，CSO削减80%，排空时间由40h减少到2～3h。加拿大魁北克Westerly排水系统对三条截流干管和两条地下隧道进行在线控制。控制中心接收来自17个传感器的数据，并将制定好的设定值下发至5个可控闸门的控制站，系统CSO削减可达70%。

目前我国很多城市已建成的排水管网存在大量混错接、管线淤积、腐蚀破损等情况，由此带来的高水位运行问题十分严重，很多城市管网系统可用剩余空间有限。因此，应优先开展排水管网的提质增效工作，清污分流，降低城市河道水系水位，腾出管网容量，在此基础上逐步实现运行调度的优化。另外，也有一些城市的地下箱涵具备较大的调蓄和排水能力，可作为管网在线调蓄空间使用。