莫世川，謝坤，陳華，朱一松，劉潔，張志偉，邱向東，劉炳義

（1.中國電建集團成都勘察設計研究院有限公司，四川成都 610000；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北武漢 430072）

0 引言

城市排水系統(tǒng)是在19 世紀50 年代發(fā)展起來的，當時的目的是確保公共衛(wèi)生和防止洪水，從20 世紀60 年代起，污染負荷和環(huán)境影響成為關(guān)注的焦點，污水處理廠得到擴大和升級，以減少污染物向自然水體的排放［1］。排水系統(tǒng)是由多個過程組成的混合復雜大型系統(tǒng)，包括收集、運輸、儲存、廢水和/或雨水處理以及處理水的最終處置［1，2］。城市排水系統(tǒng)承擔城市區(qū)域的大部分水流運動過程，具有相當大的社會、經(jīng)濟和環(huán)境影響，因此正確和高效的城市排水管理，以防止洪水和污染排放到環(huán)境中是極其重要的［2，3］。然而，組成排水系統(tǒng)的涉水設施在協(xié)調(diào)運行調(diào)度方面存在許多問題：首先是污水廠的處理負荷與污水分布不匹配，污水廠通常只能被動接收管網(wǎng)輸送的污水，無法獲得污水水量、水質(zhì)的預報、預警，導致工藝調(diào)控滯后，可能造成高峰流量時廠前直接溢流排放，或是部分污水處理水質(zhì)不達標排放等。然后是河水倒灌，管道、泵站高水位運行問題，發(fā)生大雨時，下游河道水位高于排水系統(tǒng)水位，導致河水倒灌進入市政排水口，引發(fā)城市內(nèi)澇；泵站、污水廠出于經(jīng)濟效益考慮，分別選擇高水位和低負荷運行，導致整個系統(tǒng)高水位運行，加重了溢流污染。再就是城市水系統(tǒng)缺乏精細自動化水資源調(diào)配，閘站等調(diào)度規(guī)程依賴人工經(jīng)驗，自動化程度低；另外，污水廠尾水等水源的缺乏精細化的資源化利用和配置方案，難以滿足城市河道生態(tài)補水/景觀補水的需求。綜上，污水廠、排水管網(wǎng)、河道管理體制在時間和空間上的割裂，以及全局運營調(diào)度目標的缺失，使得排水系統(tǒng)不能完全發(fā)揮其應有的功能，城市水安全、水環(huán)境和水生態(tài)質(zhì)量難以得到很好的保障。因此，如何實現(xiàn)各涉水要素的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度從而有效保障城市水安全和流域水質(zhì)達標，是當前城市防汛排澇和水環(huán)境研究的核心所在。

“廠網(wǎng)河”一體化管理涉及到污水處理廠、閘、泵站等設施的協(xié)同管理，通過建立各類設施的概化模型，設定管理目標及相關(guān)約束條件，采用模擬-優(yōu)化模式，生成聯(lián)合管理規(guī)則。廠網(wǎng)河一體化智能調(diào)度是以城市水安全、流域水質(zhì)和河道水動力達標為目標，對河道、排水管網(wǎng)、污水處理廠、水閘、泵站等進行統(tǒng)一調(diào)度和一體化管理，逐步實現(xiàn)各涉水要素信息化、自動化和智慧化運行的目標，以保證城市排水系統(tǒng)安全高效運轉(zhuǎn)，充分發(fā)揮水安全、水環(huán)境和水生態(tài)保障功能。因此，污水處理廠、排水管網(wǎng)、河網(wǎng)以及水閘、泵站、調(diào)蓄池等工程設施的一體化運營更符合城鎮(zhèn)排水的內(nèi)在特性，更有利于充分發(fā)揮其水環(huán)境保障功能。

城市排水系統(tǒng)承擔了城市雨水、污水的輸送，是預防城市內(nèi)澇與黑臭水體的重要保障。但是，氣候變化、城市化和人口增長對城市排水系統(tǒng)帶來巨大的壓力［3-5］：一是氣候變化引起的極端降雨事件導致城市排水系統(tǒng)超負荷運行甚至產(chǎn)生內(nèi)澇與合流制溢流污染［5-7］；其次，城市化引起的不透水面積擴大，改變了流域產(chǎn)匯流規(guī)律，增大峰值徑流，進一步加劇排水系統(tǒng)的運行負擔；最后，人口增長導致污水排放量增加。然而，基于歷史條件的城市排水系統(tǒng)無法承受氣候變化、城市化和人口增長帶來的額外雨污負荷，使得城市內(nèi)澇與污水溢流頻發(fā)。污水外溢使得未經(jīng)處理的污水未經(jīng)處理直排河道，影響人類健康、經(jīng)濟損失和環(huán)境污染［7］。動態(tài)調(diào)節(jié)城市排水系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則或升級城市基礎(chǔ)設施是應對這些變化的解決方案［8］。其中，最經(jīng)濟和可持續(xù)性的措施是城市排水系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)度，以動態(tài)調(diào)度規(guī)則代替靜態(tài)運行規(guī)則，自適應改變排水系統(tǒng)的調(diào)度，以提高排水系統(tǒng)在應對異常事件的主動性［4，9］。

1 廠網(wǎng)河一體化模擬研究進展

城市廠網(wǎng)河一體化案例的研究源于Schutze 的研究［10］，其模型包含了真實系統(tǒng)中的排水管網(wǎng)和污水處理廠以及假設的河道，被應用于多項研究包括實時優(yōu)化控制［11］、控制潛能分析［12］以及控制目標分析［13］。

實時城市洪水預報和警報對于減災變得越來越重要?，F(xiàn)有的城市洪水預報系統(tǒng)，包括基于經(jīng)驗或模擬情景的實時預測和基于物理模型的預測。經(jīng)驗模型在計算效率方面具有優(yōu)勢，但是，物理模型在各種條件下的適用性和洪水預測方面更為強大［14］。基于物理的水動力模型通常由若干子模型組成，如一維（1D）污水管網(wǎng)模型和二維（2D）地面流模型。這些基于物理的耦合水動力模型現(xiàn)已有商業(yè)軟件包提供，如MIKE FLOOD［15］、XP-SWMM［16］或InfoWorks ICM［17］。MIKE 系列模型已廣泛應用于城市管網(wǎng)與河道洪水模型，集成了降雨徑流模擬、管網(wǎng)水量水質(zhì)模擬；InfoWorks ICM 集成了城市排水管網(wǎng)與河道模型可模擬城市雨水循環(huán)系統(tǒng)，真實反映地下排水管網(wǎng)與地表水體間的交互作用；SWMM 模型是一個動態(tài)的水文-水力-水質(zhì)模擬模型，集成了管網(wǎng)、渠道、閘泵等涉水設施進行水質(zhì)水量傳輸。

有研究表明城市河流中的水位淹沒排口時會影響從排水管網(wǎng)到河流的排放流量［18，19］，也會使河道水流倒灌如排水管網(wǎng)引起內(nèi)澇積水［20］。然而，許多城市洪水模型難以表示排水設施的詳細特征，通常忽略了排水系統(tǒng)在城市洪水中的角色導致城市洪水模擬精度不佳。因此，實現(xiàn)河道與排水管網(wǎng)的一體化模擬是提高城市內(nèi)澇防治的重要部分。Wu等人［18］開發(fā)了由一維（1D）河流流模型、二維（2D）地表流模型和一維污水管網(wǎng)模型組成的城市洪水模型，提高了洪水預測的精度，其中河道與管網(wǎng)間的連接由邊界條件來定義，研究強調(diào)了河道水位對排水管網(wǎng)的影響。Lee 等人［21］通過耦合SWMM 與HEC-RAS 模型建立了綜合排水管網(wǎng)與河道的一體化城市內(nèi)澇預報預警系統(tǒng)。Tse 等人［22］等人改進了1～2 維InfoWorks ICM 模型考慮了河道與管網(wǎng)的交互作用，然后基于該模型模擬了排水設備的動態(tài)實時調(diào)度規(guī)則，緩解了大尺度排水系統(tǒng)的排水壓力。Yazdi 等人［20］為減少排水系統(tǒng)溢流量與城市內(nèi)澇，建立了河道和泵站控制閘門以及排水系統(tǒng)連接閘門的實時調(diào)度模型，首次提出了基于優(yōu)化的內(nèi)陸-河道一體化閘泵控制方案，可以減少48%城市峰值流量，同時可提高河道分流系統(tǒng)的效率近47%。自1990s隨著城市水系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)模型的發(fā)展，出現(xiàn)城市污水系統(tǒng)一體化模擬，掀起了城市污水系統(tǒng)一體化模擬研究的熱潮［12，23，24］。

在過去幾年中，河道黑臭水體治理是城市水環(huán)境整治的主要方面。由于之前基于排放標準的設計規(guī)則不能充分改善河道水質(zhì)［13］，因此需要改變城市排水系統(tǒng)的設計過程，從管道末端治理轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘麄€環(huán)境水質(zhì)［25］，因此亟需一種軟件工具能夠?qū)崿F(xiàn)一體化排水系統(tǒng)模擬。城市污水系統(tǒng)與受水水體的一體化模擬可以有效模擬環(huán)境與污水系統(tǒng)的交互作用。一體化城市污水系統(tǒng)模擬可詳細模擬污水收集、運移和處理過程中的詳細水力和生化過程，以及污水排入河道的過程［26，27］?，F(xiàn)有的污水系統(tǒng)一體化模擬一般是管網(wǎng)、污水廠與河道分別用不同的數(shù)學模型單獨模擬，然后通過轉(zhuǎn)換器模型連接，進行同步模擬。研究已用包括SIMBA［28-30］、WEST［31，32］、SYNOPSIS［23］、CITY DRAIN［33］在內(nèi)的多個軟件平臺進行廠網(wǎng)河一體化動態(tài)模擬，實現(xiàn)了河道與污水處理系統(tǒng)的一體化。

Radini 等人［34］認為管網(wǎng)、污水廠與河道之間存在高度連接性，每部分中城市水循環(huán)的變化都會影響另一部分，因此其基于MATLAB 建立的開源系統(tǒng)平臺BSM-UWS（Benchmark Simulation Model-Urban Wastewater System）建立了考慮流域、管網(wǎng)、污水廠與河道的城市污水系統(tǒng)模型，進行一體化的系統(tǒng)評估，其中DIPDSG（Dynamic Influent Pollutant Disturbance Scenario Generator）用于模擬流域模型獲取不同廢水的流量和污染物濃度，排水管網(wǎng)子模型用于模擬流域值污水廠的污水運移和以及初期沖刷負荷，ASM2d（Activated Sludge Model No.2d）用于模擬污水處理廠，RWQM（River Water Quality Model）用于模擬河道水系統(tǒng)。Achleitner 等人［33］建立了開源MATLAB 工具包CITY DRAIN 工具包含了城市排水系統(tǒng)的不同部分（流域、排水管網(wǎng)、蓄水設備、河道等）用于一體化城市排水系統(tǒng)模擬。Meng 等人［30］基于SIMBA 平臺用ASM1tm（Activated Sludge Model No.1的擴展版）模擬污水處理廠的硝化過程，用Lijklema模型（Streeter-Phelps的擴展版）模擬河道水質(zhì)過程，KOSIM 和Nash cascade模型分別模擬流域和管網(wǎng)的徑流沖刷過程，河道水動力過程采用SWMM 模型進行模擬，研究所建立的一體化動態(tài)模擬可詳細模擬污水過程和環(huán)境變化對污水處理效率的影響。

城市廠網(wǎng)河一體化模擬中，綜合考慮排水管網(wǎng)、污水處理廠與河道模型的模擬主要集中在模擬污水處理廠的污水處理過程或河道水質(zhì)的模擬，缺乏模擬排水管網(wǎng)檢查井或截流井溢流帶來的水安全與水環(huán)境影響，而且現(xiàn)有研究的廠網(wǎng)河一體化模擬并未應用于真實的城市水系統(tǒng)案例，河道與排水系統(tǒng)間的聯(lián)系是假設存在的。因此，全面理解不同氣候條件下排水管網(wǎng)、污水處理廠與河道對城市水安全和水環(huán)境的影響，并將廠網(wǎng)河一體化模擬應用于真實案例的水安全與水環(huán)境研究值得未來進一步的探索。

2 廠網(wǎng)河一體化調(diào)度研究

在氣候變化、城市化和人口增長的巨大壓力下，基于歷史條件構(gòu)建的城市排水系統(tǒng)早已不堪重負［35］。升級改造城市基礎(chǔ)設施、改進排水設施的調(diào)度方案，以及阻止暴雨進入排水系統(tǒng)是應對城市洪水的三種方式。多個專家提倡通過改進排水設施的控制方案來改善城市排水系統(tǒng)的性能［2，36，37］。且隨著“智慧城市”概念的提出，構(gòu)建智能調(diào)度系統(tǒng)已成為應對變化環(huán)境下城市洪水與環(huán)境污染的可持續(xù)性方案［1］，而實時調(diào)度是幫助排水系統(tǒng)應對變化條件的可行方法［1］?；趯崟r調(diào)度的排水系統(tǒng)控制包括啟發(fā)式算法和基于優(yōu)化的方法，Garcia 等人［2］已經(jīng)總結(jié)了該方法的研究文獻。Yazdi等人［38］將SWMM 模型與和諧協(xié)同搜索算法與通用策略相結(jié)合設計的最優(yōu)運行策略進行了比較，發(fā)現(xiàn)在水泵開關(guān)相似的情況下，前端水位下降了40%。Di Matteo 等人［39］將基于SWMM 模型與多目標遺傳算法耦合的仿真優(yōu)化模型應用于雨水系統(tǒng)智能水箱，結(jié)果表明，10kL 智能水箱相對于相同保留水箱可減少39%～48%的峰值流量。Wang等人［40］應用SWMM 和粒子群優(yōu)化算法，通過優(yōu)化泵的啟動深度，最小化泵的開關(guān)次數(shù)和運行時間。Li［41］基于模糊邏輯控制和遺傳算法，建立了數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市污水系統(tǒng)RTC 模擬工具SWMM-FLC，實現(xiàn)在不同降雨情景下均減少洪水。Wang 等人［19］通過SWMM 模型與DE 算法的耦合，提出了一種基于離線優(yōu)化系統(tǒng)的最小化洪水量和水深的閘門控制方案。

廠網(wǎng)一體化調(diào)度是指對入廠污水進行預報預警，協(xié)調(diào)調(diào)度城市污水處理廠與污水管網(wǎng)［42］。城市污水排水系統(tǒng)由污水管網(wǎng)與污水處理廠組成，兩者的協(xié)調(diào)運行是最小化城市水環(huán)境污染的關(guān)鍵。城市污水系統(tǒng)主要存在兩個問題：首先污水管網(wǎng)與污水處理廠間的不協(xié)調(diào)引起的管網(wǎng)污水收集容量與污水處理廠的污水處理容量不匹配，從而導致污水溢流，嚴重威脅附近河道的水環(huán)境；其次，污水廠只能被動接收污水管的污水，導致污水處理工藝滯后［1，42］。同時，現(xiàn)有城市污水廠間存在負荷分配不均問題，導致部分污水廠超負荷運行，部分污水廠低負荷運行，無法充分發(fā)揮城市污水廠群的綜合效益［43］。針對污水廠存在的以上問題，實行廠網(wǎng)一體化聯(lián)運行的新模式：城市污水處理廠群間的聯(lián)合調(diào)度，可有效解決污水廠間負荷分配不均問題［43］。王寒濤等人［43］等人提出進行廠網(wǎng)一體化管理運營，發(fā)揮排水系統(tǒng)“水質(zhì)源頭監(jiān)控、水量水質(zhì)預報預警、超標排水追蹤溯源、無機質(zhì)廠前去除”，均衡進廠污水量與污水負荷，從而保障污水處理廠的高效運行；廖青桃［44］等人表明污水廠與污水管網(wǎng)間的獨立運行無法發(fā)揮廠網(wǎng)系統(tǒng)的整體減排效益，提出構(gòu)建廠網(wǎng)聯(lián)動水力模型，研究基于InfoWorks ICM 的廠網(wǎng)聯(lián)動水力模型，得出了有效的旱天溢流控制調(diào)度方案。鄭杰元等人［45］在昆明主城西片區(qū)構(gòu)建了管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池和污水處理廠一體化水力模型，通過聯(lián)合調(diào)度實現(xiàn)了對污水量的時空調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮排水系統(tǒng)的蓄排能力，減少了排水系統(tǒng)的污水溢流量。

廠網(wǎng)河一體化調(diào)度是指對排水管網(wǎng)、污水處理廠和受納水體進行聯(lián)合調(diào)度，取得最佳整體環(huán)境效益。河道水環(huán)境容量是河道滿足水環(huán)境質(zhì)量標準要求的最大允許容納污染負荷量，制約了污水廠尾水排放。協(xié)調(diào)好污水處理廠排放與河道間的關(guān)系是滿足當?shù)厮h(huán)境要求的基本保障［46］。Butler等人［11］從理論出發(fā)指出了一體化調(diào)度可以顯著提高城市污水系統(tǒng)的性能。城市污水系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度旨在得出一種控制策略，以實現(xiàn)與控制目標相關(guān)的最佳系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)上，污水系統(tǒng)中的每個單獨子系統(tǒng)都是單獨模擬調(diào)度的，這些調(diào)度目標集中于排水系統(tǒng)或處理廠，例如最小化合流式下水道溢流（CSO）體積或頻率，以及維持處理廠出水標準。隨著一體化模型的發(fā)展，可直接使用受水水體的水質(zhì)參數(shù)作為控制目標。一體化優(yōu)化調(diào)度已取得廣泛的關(guān)注［23］，然而大多研究集中在單目標優(yōu)化調(diào)度中。如Rauch［47］等人將溢流量和平均溶解氧（DO）濃度視為單獨的目標，在比較兩個單目標優(yōu)化運行時，發(fā)現(xiàn)兩個目標之間存在矛盾關(guān)系；Schütze［48］介紹了基于溶解氧和氨濃度的多種水質(zhì)目標，但是，在優(yōu)化過程中分別作為單獨的目標進行優(yōu)化模擬；Vanrolleghem［24］定義了主要目標和次要目標，在優(yōu)化過程以滿足主要目標為標準來調(diào)節(jié)控制器，而次要目標不參與優(yōu)化過程。然而，實際中的優(yōu)化問題是一個多目標問題，在評估管理性能或者控制方案時需要考慮多個目標，且多個目標不太可能同時達到最優(yōu)值或目標值間存在矛盾關(guān)系，其中一個目標改進可能會導致另一個目標變差。因此，城市污水系統(tǒng)的最優(yōu)控制實際上是一個多目標優(yōu)化問題，必須進行多目標的對比優(yōu)選，以使所有考慮的目標獲得令人滿意的總體性能。Schütze［49］介紹了多目標優(yōu)化方法的應用，但對多目標優(yōu)選問題的討論有限。Fu 等人［28］基于SIMBA5 模擬工具構(gòu)建了包含排水系統(tǒng)、污水處理廠與河道的一體化模型，然后使用遺傳算法研究了一體化污水系統(tǒng)的實時調(diào)度，為決策者做出決策時提供更全面的目標選擇?；谝惑w化的實時控制被認為是解決城市黑臭水體的新興戰(zhàn)略，Meng 等人［30］基于多目標遺傳算法調(diào)整變化環(huán)境下的污水系統(tǒng)調(diào)度，降低了水質(zhì)惡化的風險，提高了系統(tǒng)的彈性，同時減少了污水系統(tǒng)排入河道的污染負荷量。

在工程實例中，北京排水集團早在2010年就率先在國內(nèi)同行業(yè)中提出了“廠網(wǎng)一體化”運營的概念。近年來，北京排水集團瞄準城市水安全中水臟、水多、水少等突出問題，以系統(tǒng)思維、生態(tài)理念綜合施策，經(jīng)過不斷的研究和實踐，初步形成了較為完備的“廠網(wǎng)一體化”運營管理模式，建成了指揮調(diào)度中心，實現(xiàn)了對中心城區(qū)排水系統(tǒng)建設及運行的統(tǒng)一調(diào)度。2017年3月，福州成立治水“中樞”城區(qū)水系聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心，對城區(qū)160多個湖、庫、閘、站、河等水系各要素進行統(tǒng)一指揮、統(tǒng)籌調(diào)度。2018年，深圳水務集團成立深圳河流域廠網(wǎng)河調(diào)度指揮中心，全面梳理流域系統(tǒng)工況，構(gòu)建“廠網(wǎng)河一體化”全要素總圖和統(tǒng)一調(diào)度平臺，并借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立起“廠站網(wǎng)”一體化全要素治水新模式。

在廠網(wǎng)河一體化調(diào)度研究中，對排水管網(wǎng)、污水處理廠與河道的調(diào)度研究主要是以提升河道水質(zhì)為主，且河道水質(zhì)的改善主要集中與減少廠前溢流，忽略了排水管網(wǎng)中檢查井溢流引起的環(huán)境污染。因此，綜合考慮不同降雨情景下城市洪水與水環(huán)境的廠網(wǎng)河一體化調(diào)度還需進一步研究。

3 總結(jié)與展望

城市廠網(wǎng)河一體化智能調(diào)度是對河道、排水管網(wǎng)、污水處理廠、水閘、泵站等進行統(tǒng)一調(diào)度和一體化管理，可逐步實現(xiàn)各涉水要素信息化、自動化和智慧化運行的目標，保證城市排水系統(tǒng)安全高效運轉(zhuǎn)。污水處理廠、排水管網(wǎng)、河網(wǎng)以及水閘、泵站、調(diào)蓄池等工程設施的一體化運營更符合城鎮(zhèn)排水的內(nèi)在特性，更有利于充分發(fā)揮其水安全、水環(huán)境保障功能。

在城市廠網(wǎng)河一體化模擬中，需全面理解不同氣候條件下排水管網(wǎng)、污水處理廠與河道對城市水安全和水環(huán)境的影響，并將廠網(wǎng)河一體化模擬應用于真實案例的水安全與水環(huán)境。此外，在廠網(wǎng)河一體化調(diào)度研究中，綜合考慮不同降雨情景下城市水安全與水環(huán)境的廠網(wǎng)河一體化調(diào)度還需進一步研究。目前，城市廠網(wǎng)河一體化調(diào)度主要應用于污水系統(tǒng)，以提高污水處理尾水排放后引起的水質(zhì)問題為目標，沒有進行運營和維護成本的效益分析，也忽略了排水管網(wǎng)檢查井溢流引起的水質(zhì)和積水問題。因此，綜合考慮整個城市水系統(tǒng)的水安全、水環(huán)境與經(jīng)濟效益的廠網(wǎng)河一體化調(diào)度將是未來的研究重點。