基于集中控制的管网系统应用与运行管理探讨

2021-12-25周华李正夏海波钟泽桦

中国环保产业 2021年11期

周华，李正，夏海波，钟泽桦

（广东省广业环保产业集团有限公司，广州 510000）

截流式合流制系统是将街道管渠中合流的生活污水、工业废水和雨水一起排向沿河的截流干管，晴天时全部输送到污水处理厂；雨天时，当雨水、生活污水和工业废水的混合水量超过一定量时，超出部分通过溢流井泄入周边水体。

目前，越来越多的先进技术应用于合流制截流井系统中，如雨量、液位、流量的感知技术、自动控制技术以及云服务技术将传统截流井设计为可感知、可自动控制、可远程管理维护的云端一体化装备和系统，可以根据感知数据自动关起阀门，智能控制污水管进水量、排水方向，防止河水倒灌等，并且可将汛期超过截流能力的水排至水体的附属构筑物，还可以实现与泵站、污水处理厂、排水系统及水体控制系统的联动，从而改善城市排水系统整体运行情况。

管网系统的运行管理对改善城市排水系统相当重要，本文主要介绍了基于集中控制的管网系统所应用的创新技术和管理经验，以期为相关的管网系统建设、运行管理提供参考。

1 国内管网系统的研究

杨晓磊[1]以城市管理云平台整体考虑了未来的城市信息化建设；梁向锋等[2]提出了智慧排水系统建设的基本模型，同时提出了一些探索性试验；江楠等[3]指出了智慧排水管网系统存在的问题，同时提出建立地下排水管网系统一体化监控平台的必要性，总结出应建立基于“一张图”的数据外业务采集与数据整理入库一体化作业平台；李晴[4]提出了应及时监测并落实有效的管理措施，在提高管网系统可靠性的同时，对资源进行合理分配和使用。

2 建设项目简介

本项目为全流域项目，干流全长71.1km，流域面积1353km2，包括14 条重要支流，涉及3 个县级行政区，常住人口约为430 万人。

《广东省环境保护厅关于练江流域水环境综合整治方案（2014—2020 年）》提出，2020 年年底前，流域内所有建制镇建成污水处理设施，全流域城镇生活污水处理率达到95%以上。

将污水收集管网建设与城市开发、旧城改造等工作统筹考虑，采取清污分流与沿河截污相结合的措施，加快完善污水处理厂的配套管网，切实提高污水处理设施运行负荷和进水浓度。2015 年年底前，合计建设污水收集管网515km（含沿河截污223km），确保县城级污水处理厂负荷率达到75%以上，镇级污水处理厂负荷率达到65%以上，化学需氧量、氨氮的进、出水浓度差分别达到110mg/L 和12mg/L 以上。2017年年底前，完成人口数量超过15 万的建制镇镇区沿河截污系统建设，新增污水收集管网583km（含沿河截污63km），城镇污水处理厂负荷率达到80%以上。2020 年年底前，建成所有镇区沿河截污系统，并完善截污支管建设，新增污水收集管网332km（含沿河截污33km），城镇污水处理厂负荷率达到90%以上。

本项目所属地区属于城镇和城乡接合部，原管网建设并不完善，因此管网系统在建设过程中，以合流制管网为主。项目于2020 年年底初步建成，排水管网系统采用集中控制管理。

3 集中控制管网系统的主要创新技术应用

3.1 厂网一体化监控平台

本项目主要以流域性的厂网一体化监控平台作为主要业务控制手段。流域性的厂网一体化监控平台基于物联网通讯技术，用于污水处理设备的远程监测、控制，从而提高污水处理管理的效率。

厂网一体化的控制均在中心污水处理厂监控中心管网服务器及操作员站上完成，各镇雨量数据均由厂网一体化监控平台收集再下发到各个截流井、溢流井、格栅井及泵站。在监控中心的画面上，可对每座截流井的截污闸进行控制并设置开启度；可将若干截流井归类，每一类截流井的截污闸可以同时开关、同时调节；归类的截流井数量可以任意增减；可以对每座泵站进行监控并控制恒定水位或恒流量。

3.2 建立基于“一张图”的管网系统

基于“一张图”的管网系统可支撑管网分类标准化、信息台账化、分布可视化管理。管网系统主要提供了管网台账、管网巡检、自定义查询、管网编辑、信息导入/导出等管网基础信息管理。通过调用GIS的初始化环节，在界面上默认加载地图，用于控制地图上空间设施、业务管理、固定要素图层的显示与否。

3.3 采用优化结构及控制系统的截流井系统

截流井内设置有合流管，一侧连接溢流管，位置高于合流管，另一侧通过连接管连接截污管，截污管位置较合流管平高或低于合流管，溢流管和截污管与合流管垂直设置，在运行时，根据不同的来水量对污水进行处理。当来水量小时，溢流管关闭，截污管开启；当来水量大时，根据水位大小控制溢流闸和截污闸开度，对来水进行分流，从而减小污水处理厂的负荷。截流井结构如图1 所示。

图1 截流井结构

当河流水位高于截流井时，河流水会发生倒灌，通过设置的防倒灌装置，可防止河流中的清水倒灌至截流井中。防倒灌装置包括多个呈扇形结构且设置了半径大于溢流管内侧半径的挡板，当多个挡板相互接触时，呈锥形，挡板铰接在溢流管的内壁上。挡板由硬橡胶材质制成，具有软质特性，在雨水倒灌时，可以更好地贴合，对雨水进行充分阻流，可避免雨水从其他位置倒灌。

3.4 建立截流井的详情模式

如图2 所示，截流井的详情模式主要为运行人员提供截流井的实时状态，总体能清晰显示各污水处理厂所属的截流井状态，可显示通讯、闸门位置、水位、报警等状态，指导运行人员进行操作或调整相关运行状态。

图2 截流井的详情模式

4 基于集中控制的运行管理措施的运用

4.1 坐标定位

查清截流井及管网设施的坐标定位是最基础的工作，应组织相关人员，查清具体坐标。该坐标需要系统内存档，并在地图中标注，便于巡检人员快速定位。

4.2 沿线水位正常标高

如图3 所示，沿线水位正常标高是运行人员在操作截流井闸门时的参考依据。在雨天时，可根据雨量情况以及累积的参考值来判断哪些雨水闸不能开、哪些雨水闸能开或设置闸门的开启度。

图3 截流井的水位标高

4.3 识别初雨状态及雨天运行模式

通过雨量及截流井水位（见图4）可判断初雨状态及雨天运行模式。在有雨的条件下（雨量计测定最近1h 降雨量≥0.2mm），当D（截流井水位）≤B（合流管内顶水深）+0.1m 时，可判断为初雨状态，溢流闸全关，通过截污闸截流污水并控制污水流量，以确保污水全部进入污水处理厂进行处理，截污闸的开启度受控于监控平台的给定值。

图4 截流井的控制水位

雨量计显示持续降雨，当D ＞ B+0.1m 时，溢流闸全开，截污闸开启度受控于上位机给出的信号；当D ≥B+0.2m 时，向监控平台报警高水位。

雨天结束（雨量计显示降雨结束，即雨量计测定最近1h 降雨量＜ 0.2mm，由监控平台发来信号），记录降雨结束时的截流井水位D，并上传至监控平台。当D ≥A（合流管管内底水深）+0.2m 时，厂外泵站及污水处理厂进水泵房应持续按对应的晴天水量的2 倍抽水（管网管理部门应将是否需要2 倍规模出水的信号发送给污水处理厂管理部门）；当D ＜ A+0.2m后，厂外泵站及污水处理厂进水泵房按晴天模式正常运行，并按监控平台要求关闭溢流闸、调节截污闸开启度。

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过控制直系泵站水位和雨水闸、截污闸的开启度来实现的。如图5、图6 所示，若每座泵站已将主用泵全部启动且实测液位（E）仍大于雨天报警液位（J）时，将泵站直系截流井群的截污闸开启度统一调节为10%（形成经验后可调），并持续观察泵站集水池水位；当泵站水位的启泵液位（G）≤E ＜J-0.3m 时，稳定各截流井截污闸开启度；当泵站水位E ＞J-0.3m 时，泵站直系截流井群的截污闸统一下调开启度，暂以5%递减，最终开启度不小于5%；当泵站水位E ＜G+0.3m 时，泵站直系截流井群的截污闸统一上调开启度，暂以5%递增，最终开启度不大于30%，直至稳定在G ≤E ＜J。通过积累经验，形成泵站直系截流井群截污闸和雨水闸合适的开启度。

图5 泵站控制

图6 截流井的闸门开限

4.5 开关闸的顺序控制

厂外泵站及污水处理厂进水泵房水量在雨天时按对应的晴天水量的2 倍抽水。通过计算雨量及河流水位，在无雨以及达到关闭溢流闸的条件下（见图7），从下游截流井N 开始逐级打开截污闸，关闭溢流闸，以确保污水全部进入污水处理厂进行处理；通过计算雨量及河流水位，在有雨的条件下，实测水位小于合流管内部的顶水位，可判断为初雨状态，溢流闸全关，通过截污闸截流污水并控制污水流量，从而确保污水全部进入污水处理厂进行处理；截污闸的开启度受控于监控平台的给定值；通过计算雨量及河流水位，在有雨或达到开启溢流闸的条件下，从下游截流井N 开始，逐级调节截污闸开启度，打开溢流闸，确保雨水及时排入河流，防止造成污水处理厂负荷量过大。在有雨或达到开溢流闸的条件下，将流域的河流水位与截流井的标高进行对比，当流域的河流水位高于截流井的标高时，从下游截流井N 开始逐级关闭溢流闸，防止河水倒灌，同时调节截污闸开启度，并上传监控平台进行报警，安排排涝措施[5]。

图7 流域内截流井群

4.6 倒灌识别

倒灌识别较为困难，需要大量的经验数据积累和多边界的设定。如图8 所示，本项目从保护设施的角度出发，初步设定一个超高水位报警作为倒灌识别的初始探索数据。在设定的高水位限值下，开启了溢流闸（雨水闸），但水位不下降，反而快速上升到设定的超高水位值，可以判断为倒灌现象发生，系统应向运行人员发出倒灌信号，需要人工干预。该超高水位可参照超声波液位的盲区值进行设定。