论地表水流分质排放方法

林万泉，章应霖，林万新

（1．深圳市兰德玛水环境工程科技有限公司，广东深圳 518004；2．武汉大学水利水电学院，武汉 430072）

论地表水流分质排放方法

林万泉1，章应霖2，林万新2

（1．深圳市兰德玛水环境工程科技有限公司，广东深圳 518004；2．武汉大学水利水电学院，武汉 430072）

水质和水量分割在不同体系进行监测和管理的传统水污染治理技术，使水域只能被动接纳水体。为此，提出了一种创新技术体制——水流分质排放方法，建立了水质、水量监测和水体分流设施一体化的智能感知与控制系统。论述了实现该法的技术难点；运用相关性原理分析发现水质项目间存在多向相关项目，论证了从多向相关项目中选取能进行快速在线监测的项目以及求取和分级的方法；并按其监测速度分成若干优先监测级别，使被保护水域能快速选择性接纳符合水质管理目标的水体，实现创新技术体制。查新报告表明，在国内外未见相同文献。实践证明，该方法能快速灵敏选择水体，有效防止污染扩散和输移。

水污染；水质；相关性；执行机构；分质排放

在30年的社会经济高速发展和城镇化建设中，全国废污水排放总量从1998年的593亿t，上升到2011年的807亿t，增长36．0%。全国劣Ⅴ类水质河流长度，从1．86万km，增加到3．25万km以上；绝对值增长了74．7%。数据说明，尽管在水污染预防和治理上已经做出巨大努力，劣Ⅴ类水质河流长度，万公里数的增长率仍远超过污水排放总量的增长率，被严重污染的地表水域范围仍在扩大。

这一现象说明，当前的地表水环境保护和治理水污染的措施还不能扼制污染发展的势头。变革传统的水污染防治基本技术体制，创建新的技术体制应是遏止这势头的措施之一。

图1 水流污染防治基本技术体制Fig．1 Traditionalwater pollution control and managem ent system

1 雨污混流状态下地表水流的污染防治技术体制

1．1 当前对地表水流污染防治的基本技术体制

我国当前对水流污染防治的基本技术体制，如图1。

按照传统的职能，政府水务部门负责水资源的调配和防治洪灾，这些功能都是通过相应的水利工程设施来实现的。

基于传统技术，截污和治理工程大多仍是建立在对水体物理量控制基础之上，排污系统和溢流装置的确定，按初雨水形成的地表径流量的一定倍率，截流至污水处理系统；在形成的地表径流量小于设定的倍率时，即水位低于溢流装置时，将全部水流截流，引入排污系统，经过净化处理后排放到下游水域；当形成的地表径流量大于设定的倍率时，即在水位超过溢流装置高时，水流翻越溢流装置进入需保护的水域。

相应的水环境管理部门负责对水域水质的监督和监测、评估，对于造成污染的水域发出责令整改的指令。这一过程，仅揭示了水体在某一时间点上，某特定空间的水质状态，但是，它不承担对水体运动和流向的实时控制。这就极大地削弱了对水污染发生与扩散的管理作用，不能遏止水污染状况在更大范围发生。

上述的水流污染防治技术体制对水体的水量与水质控制，始终是处于2个不同体系。特别是当截污工程系统建成后，它既不能控制随机变化的水质，也不能合理利用水资源，导致被严重污染的水域范围扩大。

1．2 与水质控制同步的地表水流污染防治创新技术体制

针对当前对水流污染防治的基本技术体制，建立自主创新的技术体制——地表水流分质排放。

这个全新的技术体制将水质在线监测和水务工程水流执行机构有机地结合（如图2）。由实时监测的水质状态决定水体的实时运动状态和水流实时流向，使被保护水域具有选择接纳符合水质管理目标水体的能力；建立水流与水质管理目标相结合的水污染防治新技术体制［1］，有望遏止上述地表水域水质持续恶化的局面。

图2 地表水流污染防治创新技术体制Fig．2 The innovative control and management system for surface water pollution

图2 中，把对水域的水质和水流的在线监测、在线识别以及对水务设施的水流执行机构的控制汇集在统一的平台。当水量小于泄洪流量标准时，水流执行机构的工作，完全是根据水质在线监测和识别的结果，在线自动对水流进行分质排放控制。它克服了图1架构的缺陷，形成以实时水质状态决定水体实时运动状态及水流实时流向的一体化技术体制——水流分质排放［1］。

创新技术体制——水流分质排放的核心特点在于：利用现代的检测、自动化和信息技术，实现把水质实时感知量与水流实时感知量一起都作为控制水务工程水流执行机构工作的依据，即决定水体运动状态和流向的依据。按水质、水量控制水流执行机构工作［1］。

图2中表明：关于泄洪问题，当水量大于泄洪流量时，除了执行泄洪，也能即时报告实时水质，控制纳污总量，赋予下游水域选择性接纳水体的功能。

2 实施水流分质排放的关键突破点

完全实现水流分质排放的创新技术体制，在于以下关键技术环节的突破：

（1）地表水水质类别的国家标准是用24个项目的检测水平来定义。为了确定当前水体的水质类别是否符合水域功能管理目标，原则上就应该在线快速监测这24个项目，并即时地确认这24个项目是否都满足了管理目标规定的水平。

（2）由于上述24个项目大多是化学量，还有部分是生物量。其中生物量需要数天甚至更长时间培养才能获得结果，不可能为识别当前水体的水质提供在线的即时的监测结果。即使是化学量的监测也需要较长时间，有的长达数十分钟。

（3）监测项目多，各个项目监测速度差别很大，大多数情况水流是动态的，其水质变化是随机的。结合国家地表水水质标准的评定原则，还需要合理解决对在线监测仪器和其结果在线识别的自动管理、快速识别及即时控制。

部分项目不可能及时取得监测结果，各个项目监测速度差别很大，是阻碍根据在线监测结果即时执行分质排放控制的最大技术难点。

3 地表水水质项目的相关性分析和快速在线水质监测项目的创立

3．1 地表水水质项目的相关性

地表水国家标准中各水质项目尽管都是独立的概念，但从这些概念、项目的组成、形成机制以及实际统计等方面可以预计某些项目间可能存在着相关性［2］。若这种相关性被证实，那么就可以利用这些相关性省略部分需要监测的水质项目，尤其是那些不可能快速监测的项目。为此曾经对南方某地区10条城市河流，2006—2009年的4万余组水质环境监测数据进行统计分析，发现如下规律：

（1）所有10条河流各监测断面各时间段内，水质项目超出国家标准规定限量的概率（以下简称超标率）都具有如图3所示的特点。

图3中，左侧的溶解氧至总磷7个项目以及右侧的粪大肠杆菌群和阴离子表面活化剂的超标率很高，而其余项目的超标率极低。这就可以认为对于城市河流，主要是生活污水导致的。铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚等12项的超标率非常低，很多情况下其超标率为0，这些污染物主要来自工业污染。可将这些超标概率低于20%的项目称为低超标率项目。

（2）对每条河流的高超标率项目监测值间的相关性进行了计算分析，发现高超标率项目的监测值间存在一定的相关性，表1是某河流4年间各高超标率项目监测值的相关性计算结果。计算结果表示，除了COD－DO、COD－粪大肠杆菌群和BOD－氨氮相关关系表现不显著，其他各项目的R2α值都大于90%可信度相关关系对应的临界值，还有许多的可信度达到99%。例如氨氮－粪大肠杆菌群等，如表1中黑体字表示的各项［2］。

图3 大沙河2008年全年地表水水质项目超标率分布Fig．3 Unqualified probability distribution of surface water pollutant in Dasha river in 2008

表1 某河流域2006—2009年高超标率项目间的相关系数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还显示，高超标率项目中有些项目，如高锰酸盐指数、COD、氨氮、总磷等，同时和多个项目具有良好的相关性，这些项目很值得注意，把它称为“多向相关的高超标率项目”。

所有其他各条河流也都具有类似的特点。归纳起来，按照存在多向相关性关系最广的项目次序排列时，其次序为：高锰酸盐指数→总磷→COD→氨氮→溶解氧。

（3）汇集各河流2006—2009年水质监测项目的不超标概率，可进一步说明这些高超标率监测项目间的相关性和多向相关项目的意义（见表2）。表2中COD和氨氮2个监测项目分别100%不超标时，可以有其他3个项目100%不超标。即当COD100%不超标时，除了溶解氧、高锰酸盐指数、BOD53个项目100%不超标外，还可以有阴离子表面活性剂和粪大肠杆菌群分别达到75%和58%的概率不超标。当氨氮100%不超标时，除了溶解氧、高锰酸盐指数、BOD5100%不超标外，总磷也可有92%的概率不超标，还使粪大肠杆菌群的不超标概率达到75%。此外，总氮显然会和氨氮有显著的相关性。由此可以推测：如果COD不超标，则DO、BOD5和高锰酸盐不超标的概率会很高；同时也会影响阴离子表面活化剂和粪大肠杆菌群，使它们具有超过50%的不超标概率。如果氨氮不超标，同样也会使DO、BOD5、高锰酸盐指数和TP大致不会超标，而且还会影响粪大肠杆菌群和阴离子表面活化剂，使它们的不超标概率达到70%左右。

3．2 确立地表水流水质在线快速监测项目

图4为“在线快速监测项目选择方法”的选择分析。通过图4所述8个组合选择，分析获得水域水质的重要项目组合，重要组合中所含的项目就是该水域必须在线监测的高超标率项目。显然，这些被选定的项目已经不存在长时间化学反应和生物培养的需求。此外，利用“多向相关的高超标率项目”的特点提出的“在线快速监测项目选择方法”［4］，既省略了部分在线监测项目又不会由于省略而造成对水质的错判。

表2 各河流2006—2009年水质监测项目的不超标概率（合格率）统计Table 2 Statistics of the rate ofmonitored pollutantswhich did not exceed the standard（qualified rate）of 10 rivers in 2006－2009

图4 在线快速监测项目的选择分析Fig．4 Procedures of selecting pollutants which are rapid ly monitored online

3．3 创建分级监测和分级识别体系

“在线快速监测项目选择方法”使在线快速监测成为可能，但要切实做到为控制水务设施的水流执行机构工作提供实时的水质变化，必须保证所有监测项目的监测和识别在短短的数分钟内完成。尤其是水质在符合水质管理目标的情况下，发生突发性污染事件时，更需即时识别和反应。但是，大部分化学量监测都需要耗用相对较长时间。另一方面，按地表GB3838—2002标准的原则，在监测项目中只要有一个项目不符合管理目标，该水体即应判定为不符合水质管理目标；只有当所有项目都符合水质管理目标时，该水体才符合水质管理目标。由此为了提升在线监测和识别的速度，地表水流分质排放采用了笔者提出的“地表水受控在线测试分级识别和分质排放监控系统及方法”［3］。

图5 分级监测分级识别流程Fig．5 Flow chart ofmonitoring and identification in different priority levels

图5 表明了该分级监测和分级识别系统的基本原理。该系统首先将多向相关的高超标率项目分级，可以将传感器直接浸在汇入水域的水流内，即时得到在线高频度监测结果的项目设为第一级，例如：pH、溶解氧、电导率，虽然不是GB3838中规定的项目，但与高超标率有紧密的相关性。把需要抽取样品进行化学反应，多向相关的高超标率项目设为第二级，例如COD、氨氮、TP等。把本文3．1中所述的低超标率项目（如重金属等）设为第三级，如图5。第一级的监测项目都可以即时获得监测和识别的结果，如果所有项目全部符合被保护水域水质管理目标，则系统指令启动第二级监测；否则不仅毋需启动二级和三级监测，而且将开启排污闸、关闭排放闸。分级监测、分级识别显著提高了监测和识别速度，同时还避免了贵重精密的二级、三级监测仪器作不必要的启动。

4 地表水分质排放的应用

“在线快速监测项目选择方法”和分级监测分级识别措施，使地表水流污染防治创新技术体制得以完全实现。在此基础上再添加水量监测和控制、信息的远程传输等，设计研制了水流分质排放成套设备集成系统。

图6是深圳市饮用水源水库之一的石岩水库工程应用分质排放集成系统的示意。工程通过分质排放集成系统的监控管理，使设置在水库4个入水口的闸门按照设定的水质控制指标，把超过控制指标的雨污混合水体，截流到不同区域；当水质指标符合规定控制指标时，把水体直接排放入水库。系统已经在该工程中连续无故障自动运行了15个月。图7显示了系统运行中每10 s滚动一次的实时数据。图中白字是相应监测项目的电子阈值。

图6 石岩水库工程示意图Fig．6 Schem atic diagram of the app lication to Shiyan reservoir

5 讨 论

图7 水流分质排放集成系统实时滚动页面Fig．7 A real-time page of integrated discharge system according to water quality

（1）根据地表水流分质排放技术体制研制的分质排放成套设备集成系统，集合了在线的水质分级监测、在线的分级识别、在线分级管理，根据识别结果，对水流执行机构发出的控制指令并实时执行，切实赋予了水域选择性接纳水体的功能。

该系统通过分级监测和分级识别，确认各级监测项目的所有结果都符合管理目标时，在线启动水流执行机构接纳上游来水。逐级监测识别中一旦发现有不符合管理目标的结果时，即使是一个项目，立即开启排污闸，关闭排放闸，拒绝接纳来水；同时也停止这一轮的下一级监测和识别。可见，这个系统对接纳水体是很慎重的，需要全体项目合格，这一过程的时间步长，取决于受检项目数和各级监测仪器的监测速度。

现代的快速在线监测速度可以做到在10 min／次以内，这对于拒绝接纳水体的速度，还不够令人满意。水流分质排放成套设备集成系统设置的一级监测项目，都是用直接浸入受检水体的传感器连续快速获取监测结果。因此选择好一级监测项目、设置好他们的阈值就能使系统灵敏地预告和防止突发污染事件。

（2）传统的截污治理工程体系通常设置有污水处理厂、生态池、人工湿地等配套设施。在这个体系中合理配以水流分质排放成套设备集成系统，将获得以下效果：防止虽经治理但未达标的水体排入被保护水域，确保一定污染浓度的水体进入相应功能的治理单元；提高污染治理效率和控制合理的治理单元规模；使体系中各个部门有更好的经济效益。

［1］ 林万泉．城市河流雨污混流管网水流分质排放的方法：中国，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．地表水水生生物指标与水质理化指标相关性研究［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］ 林万泉，章应霖，林万新．地表水受控在线分级测试识别和分质排放监控系统及方法：中国，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］ 林万泉，章应霖，林万新．受控在线多向相关测试项目分级监测方法及系统：中国，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） ）

（编辑：周晓雁）

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

林万泉（1945－），男，上海市人，研究员，主要从事水利与水环境的研究及建设工作，（电话）13603080803（电子信箱）lwq7040＠163．com。