城市厂网河一体化模拟与调度研究进展

莫世川，谢坤，陈华，朱一松，刘洁，张志伟，邱向东，刘炳义

（1.中国电建集团成都勘察设计研究院有限公司，四川成都 610000；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072）

0 引言

城市排水系统是在19 世纪50 年代发展起来的，当时的目的是确保公共卫生和防止洪水，从20 世纪60 年代起，污染负荷和环境影响成为关注的焦点，污水处理厂得到扩大和升级，以减少污染物向自然水体的排放［1］。排水系统是由多个过程组成的混合复杂大型系统，包括收集、运输、储存、废水和/或雨水处理以及处理水的最终处置［1，2］。城市排水系统承担城市区域的大部分水流运动过程，具有相当大的社会、经济和环境影响，因此正确和高效的城市排水管理，以防止洪水和污染排放到环境中是极其重要的［2，3］。然而，组成排水系统的涉水设施在协调运行调度方面存在许多问题：首先是污水厂的处理负荷与污水分布不匹配，污水厂通常只能被动接收管网输送的污水，无法获得污水水量、水质的预报、预警，导致工艺调控滞后，可能造成高峰流量时厂前直接溢流排放，或是部分污水处理水质不达标排放等。然后是河水倒灌，管道、泵站高水位运行问题，发生大雨时，下游河道水位高于排水系统水位，导致河水倒灌进入市政排水口，引发城市内涝；泵站、污水厂出于经济效益考虑，分别选择高水位和低负荷运行，导致整个系统高水位运行，加重了溢流污染。再就是城市水系统缺乏精细自动化水资源调配，闸站等调度规程依赖人工经验，自动化程度低；另外，污水厂尾水等水源的缺乏精细化的资源化利用和配置方案，难以满足城市河道生态补水/景观补水的需求。综上，污水厂、排水管网、河道管理体制在时间和空间上的割裂，以及全局运营调度目标的缺失，使得排水系统不能完全发挥其应有的功能，城市水安全、水环境和水生态质量难以得到很好的保障。因此，如何实现各涉水要素的联合优化调度从而有效保障城市水安全和流域水质达标，是当前城市防汛排涝和水环境研究的核心所在。

“厂网河”一体化管理涉及到污水处理厂、闸、泵站等设施的协同管理，通过建立各类设施的概化模型，设定管理目标及相关约束条件，采用模拟-优化模式，生成联合管理规则。厂网河一体化智能调度是以城市水安全、流域水质和河道水动力达标为目标，对河道、排水管网、污水处理厂、水闸、泵站等进行统一调度和一体化管理，逐步实现各涉水要素信息化、自动化和智慧化运行的目标，以保证城市排水系统安全高效运转，充分发挥水安全、水环境和水生态保障功能。因此，污水处理厂、排水管网、河网以及水闸、泵站、调蓄池等工程设施的一体化运营更符合城镇排水的内在特性，更有利于充分发挥其水环境保障功能。

城市排水系统承担了城市雨水、污水的输送，是预防城市内涝与黑臭水体的重要保障。但是，气候变化、城市化和人口增长对城市排水系统带来巨大的压力［3-5］：一是气候变化引起的极端降雨事件导致城市排水系统超负荷运行甚至产生内涝与合流制溢流污染［5-7］；其次，城市化引起的不透水面积扩大，改变了流域产汇流规律，增大峰值径流，进一步加剧排水系统的运行负担；最后，人口增长导致污水排放量增加。然而，基于历史条件的城市排水系统无法承受气候变化、城市化和人口增长带来的额外雨污负荷，使得城市内涝与污水溢流频发。污水外溢使得未经处理的污水未经处理直排河道，影响人类健康、经济损失和环境污染［7］。动态调节城市排水系统的调度规则或升级城市基础设施是应对这些变化的解决方案［8］。其中，最经济和可持续性的措施是城市排水系统的动态调度，以动态调度规则代替静态运行规则，自适应改变排水系统的调度，以提高排水系统在应对异常事件的主动性［4，9］。

1 厂网河一体化模拟研究进展

城市厂网河一体化案例的研究源于Schutze 的研究［10］，其模型包含了真实系统中的排水管网和污水处理厂以及假设的河道，被应用于多项研究包括实时优化控制［11］、控制潜能分析［12］以及控制目标分析［13］。

实时城市洪水预报和警报对于减灾变得越来越重要。现有的城市洪水预报系统，包括基于经验或模拟情景的实时预测和基于物理模型的预测。经验模型在计算效率方面具有优势，但是，物理模型在各种条件下的适用性和洪水预测方面更为强大［14］。基于物理的水动力模型通常由若干子模型组成，如一维（1D）污水管网模型和二维（2D）地面流模型。这些基于物理的耦合水动力模型现已有商业软件包提供，如MIKE FLOOD［15］、XP-SWMM［16］或InfoWorks ICM［17］。MIKE 系列模型已广泛应用于城市管网与河道洪水模型，集成了降雨径流模拟、管网水量水质模拟；InfoWorks ICM 集成了城市排水管网与河道模型可模拟城市雨水循环系统，真实反映地下排水管网与地表水体间的交互作用；SWMM 模型是一个动态的水文-水力-水质模拟模型，集成了管网、渠道、闸泵等涉水设施进行水质水量传输。

有研究表明城市河流中的水位淹没排口时会影响从排水管网到河流的排放流量［18，19］，也会使河道水流倒灌如排水管网引起内涝积水［20］。然而，许多城市洪水模型难以表示排水设施的详细特征，通常忽略了排水系统在城市洪水中的角色导致城市洪水模拟精度不佳。因此，实现河道与排水管网的一体化模拟是提高城市内涝防治的重要部分。Wu等人［18］开发了由一维（1D）河流流模型、二维（2D）地表流模型和一维污水管网模型组成的城市洪水模型，提高了洪水预测的精度，其中河道与管网间的连接由边界条件来定义，研究强调了河道水位对排水管网的影响。Lee 等人［21］通过耦合SWMM 与HEC-RAS 模型建立了综合排水管网与河道的一体化城市内涝预报预警系统。Tse 等人［22］等人改进了1～2 维InfoWorks ICM 模型考虑了河道与管网的交互作用，然后基于该模型模拟了排水设备的动态实时调度规则，缓解了大尺度排水系统的排水压力。Yazdi 等人［20］为减少排水系统溢流量与城市内涝，建立了河道和泵站控制闸门以及排水系统连接闸门的实时调度模型，首次提出了基于优化的内陆-河道一体化闸泵控制方案，可以减少48%城市峰值流量，同时可提高河道分流系统的效率近47%。自1990s随着城市水系统中每个子系统模型的发展，出现城市污水系统一体化模拟，掀起了城市污水系统一体化模拟研究的热潮［12，23，24］。

在过去几年中，河道黑臭水体治理是城市水环境整治的主要方面。由于之前基于排放标准的设计规则不能充分改善河道水质［13］，因此需要改变城市排水系统的设计过程，从管道末端治理转变为提升整个环境水质［25］，因此亟需一种软件工具能够实现一体化排水系统模拟。城市污水系统与受水水体的一体化模拟可以有效模拟环境与污水系统的交互作用。一体化城市污水系统模拟可详细模拟污水收集、运移和处理过程中的详细水力和生化过程，以及污水排入河道的过程［26，27］。现有的污水系统一体化模拟一般是管网、污水厂与河道分别用不同的数学模型单独模拟，然后通过转换器模型连接，进行同步模拟。研究已用包括SIMBA［28-30］、WEST［31，32］、SYNOPSIS［23］、CITY DRAIN［33］在内的多个软件平台进行厂网河一体化动态模拟，实现了河道与污水处理系统的一体化。

Radini 等人［34］认为管网、污水厂与河道之间存在高度连接性，每部分中城市水循环的变化都会影响另一部分，因此其基于MATLAB 建立的开源系统平台BSM-UWS（Benchmark Simulation Model-Urban Wastewater System）建立了考虑流域、管网、污水厂与河道的城市污水系统模型，进行一体化的系统评估，其中DIPDSG（Dynamic Influent Pollutant Disturbance Scenario Generator）用于模拟流域模型获取不同废水的流量和污染物浓度，排水管网子模型用于模拟流域值污水厂的污水运移和以及初期冲刷负荷，ASM2d（Activated Sludge Model No.2d）用于模拟污水处理厂，RWQM（River Water Quality Model）用于模拟河道水系统。Achleitner 等人［33］建立了开源MATLAB 工具包CITY DRAIN 工具包含了城市排水系统的不同部分（流域、排水管网、蓄水设备、河道等）用于一体化城市排水系统模拟。Meng 等人［30］基于SIMBA 平台用ASM1tm（Activated Sludge Model No.1的扩展版）模拟污水处理厂的硝化过程，用Lijklema模型（Streeter-Phelps的扩展版）模拟河道水质过程，KOSIM 和Nash cascade模型分别模拟流域和管网的径流冲刷过程，河道水动力过程采用SWMM 模型进行模拟，研究所建立的一体化动态模拟可详细模拟污水过程和环境变化对污水处理效率的影响。

城市厂网河一体化模拟中，综合考虑排水管网、污水处理厂与河道模型的模拟主要集中在模拟污水处理厂的污水处理过程或河道水质的模拟，缺乏模拟排水管网检查井或截流井溢流带来的水安全与水环境影响，而且现有研究的厂网河一体化模拟并未应用于真实的城市水系统案例，河道与排水系统间的联系是假设存在的。因此，全面理解不同气候条件下排水管网、污水处理厂与河道对城市水安全和水环境的影响，并将厂网河一体化模拟应用于真实案例的水安全与水环境研究值得未来进一步的探索。

2 厂网河一体化调度研究

在气候变化、城市化和人口增长的巨大压力下，基于历史条件构建的城市排水系统早已不堪重负［35］。升级改造城市基础设施、改进排水设施的调度方案，以及阻止暴雨进入排水系统是应对城市洪水的三种方式。多个专家提倡通过改进排水设施的控制方案来改善城市排水系统的性能［2，36，37］。且随着“智慧城市”概念的提出，构建智能调度系统已成为应对变化环境下城市洪水与环境污染的可持续性方案［1］，而实时调度是帮助排水系统应对变化条件的可行方法［1］。基于实时调度的排水系统控制包括启发式算法和基于优化的方法，Garcia 等人［2］已经总结了该方法的研究文献。Yazdi等人［38］将SWMM 模型与和谐协同搜索算法与通用策略相结合设计的最优运行策略进行了比较，发现在水泵开关相似的情况下，前端水位下降了40%。Di Matteo 等人［39］将基于SWMM 模型与多目标遗传算法耦合的仿真优化模型应用于雨水系统智能水箱，结果表明，10kL 智能水箱相对于相同保留水箱可减少39%～48%的峰值流量。Wang等人［40］应用SWMM 和粒子群优化算法，通过优化泵的启动深度，最小化泵的开关次数和运行时间。Li［41］基于模糊逻辑控制和遗传算法，建立了数据驱动的城市污水系统RTC 模拟工具SWMM-FLC，实现在不同降雨情景下均减少洪水。Wang 等人［19］通过SWMM 模型与DE 算法的耦合，提出了一种基于离线优化系统的最小化洪水量和水深的闸门控制方案。

厂网一体化调度是指对入厂污水进行预报预警，协调调度城市污水处理厂与污水管网［42］。城市污水排水系统由污水管网与污水处理厂组成，两者的协调运行是最小化城市水环境污染的关键。城市污水系统主要存在两个问题：首先污水管网与污水处理厂间的不协调引起的管网污水收集容量与污水处理厂的污水处理容量不匹配，从而导致污水溢流，严重威胁附近河道的水环境；其次，污水厂只能被动接收污水管的污水，导致污水处理工艺滞后［1，42］。同时，现有城市污水厂间存在负荷分配不均问题，导致部分污水厂超负荷运行，部分污水厂低负荷运行，无法充分发挥城市污水厂群的综合效益［43］。针对污水厂存在的以上问题，实行厂网一体化联运行的新模式：城市污水处理厂群间的联合调度，可有效解决污水厂间负荷分配不均问题［43］。王寒涛等人［43］等人提出进行厂网一体化管理运营，发挥排水系统“水质源头监控、水量水质预报预警、超标排水追踪溯源、无机质厂前去除”，均衡进厂污水量与污水负荷，从而保障污水处理厂的高效运行；廖青桃［44］等人表明污水厂与污水管网间的独立运行无法发挥厂网系统的整体减排效益，提出构建厂网联动水力模型，研究基于InfoWorks ICM 的厂网联动水力模型，得出了有效的旱天溢流控制调度方案。郑杰元等人［45］在昆明主城西片区构建了管网、泵站、调蓄池和污水处理厂一体化水力模型，通过联合调度实现了对污水量的时空调节，充分发挥排水系统的蓄排能力，减少了排水系统的污水溢流量。

厂网河一体化调度是指对排水管网、污水处理厂和受纳水体进行联合调度，取得最佳整体环境效益。河道水环境容量是河道满足水环境质量标准要求的最大允许容纳污染负荷量，制约了污水厂尾水排放。协调好污水处理厂排放与河道间的关系是满足当地水环境要求的基本保障［46］。Butler等人［11］从理论出发指出了一体化调度可以显著提高城市污水系统的性能。城市污水系统的最优调度旨在得出一种控制策略，以实现与控制目标相关的最佳系统性能。传统上，污水系统中的每个单独子系统都是单独模拟调度的，这些调度目标集中于排水系统或处理厂，例如最小化合流式下水道溢流（CSO）体积或频率，以及维持处理厂出水标准。随着一体化模型的发展，可直接使用受水水体的水质参数作为控制目标。一体化优化调度已取得广泛的关注［23］，然而大多研究集中在单目标优化调度中。如Rauch［47］等人将溢流量和平均溶解氧（DO）浓度视为单独的目标，在比较两个单目标优化运行时，发现两个目标之间存在矛盾关系；Schütze［48］介绍了基于溶解氧和氨浓度的多种水质目标，但是，在优化过程中分别作为单独的目标进行优化模拟；Vanrolleghem［24］定义了主要目标和次要目标，在优化过程以满足主要目标为标准来调节控制器，而次要目标不参与优化过程。然而，实际中的优化问题是一个多目标问题，在评估管理性能或者控制方案时需要考虑多个目标，且多个目标不太可能同时达到最优值或目标值间存在矛盾关系，其中一个目标改进可能会导致另一个目标变差。因此，城市污水系统的最优控制实际上是一个多目标优化问题，必须进行多目标的对比优选，以使所有考虑的目标获得令人满意的总体性能。Schütze［49］介绍了多目标优化方法的应用，但对多目标优选问题的讨论有限。Fu 等人［28］基于SIMBA5 模拟工具构建了包含排水系统、污水处理厂与河道的一体化模型，然后使用遗传算法研究了一体化污水系统的实时调度，为决策者做出决策时提供更全面的目标选择。基于一体化的实时控制被认为是解决城市黑臭水体的新兴战略，Meng 等人［30］基于多目标遗传算法调整变化环境下的污水系统调度，降低了水质恶化的风险，提高了系统的弹性，同时减少了污水系统排入河道的污染负荷量。

在工程实例中，北京排水集团早在2010年就率先在国内同行业中提出了“厂网一体化”运营的概念。近年来，北京排水集团瞄准城市水安全中水脏、水多、水少等突出问题，以系统思维、生态理念综合施策，经过不断的研究和实践，初步形成了较为完备的“厂网一体化”运营管理模式，建成了指挥调度中心，实现了对中心城区排水系统建设及运行的统一调度。2017年3月，福州成立治水“中枢”城区水系联排联调中心，对城区160多个湖、库、闸、站、河等水系各要素进行统一指挥、统筹调度。2018年，深圳水务集团成立深圳河流域厂网河调度指挥中心，全面梳理流域系统工况，构建“厂网河一体化”全要素总图和统一调度平台，并借助物联网技术，建立起“厂站网”一体化全要素治水新模式。

在厂网河一体化调度研究中，对排水管网、污水处理厂与河道的调度研究主要是以提升河道水质为主，且河道水质的改善主要集中与减少厂前溢流，忽略了排水管网中检查井溢流引起的环境污染。因此，综合考虑不同降雨情景下城市洪水与水环境的厂网河一体化调度还需进一步研究。

3 总结与展望

城市厂网河一体化智能调度是对河道、排水管网、污水处理厂、水闸、泵站等进行统一调度和一体化管理，可逐步实现各涉水要素信息化、自动化和智慧化运行的目标，保证城市排水系统安全高效运转。污水处理厂、排水管网、河网以及水闸、泵站、调蓄池等工程设施的一体化运营更符合城镇排水的内在特性，更有利于充分发挥其水安全、水环境保障功能。

在城市厂网河一体化模拟中，需全面理解不同气候条件下排水管网、污水处理厂与河道对城市水安全和水环境的影响，并将厂网河一体化模拟应用于真实案例的水安全与水环境。此外，在厂网河一体化调度研究中，综合考虑不同降雨情景下城市水安全与水环境的厂网河一体化调度还需进一步研究。目前，城市厂网河一体化调度主要应用于污水系统，以提高污水处理尾水排放后引起的水质问题为目标，没有进行运营和维护成本的效益分析，也忽略了排水管网检查井溢流引起的水质和积水问题。因此，综合考虑整个城市水系统的水安全、水环境与经济效益的厂网河一体化调度将是未来的研究重点。