CN109557273B

CN109557273B - 一种河道水质监控断面达标智能化控制系统及其控制方法

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Publication number: CN109557273B
Application number: CN201811307238.3A
Authority: CN
Inventors: 沈晓笑; 赵子龙; 邵孝侯
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2038-11-05
Also published as: CN109557273A

Abstract

本发明公开了一种河道水质监控断面达标智能化控制系统及其方法，该控制系统包括主河道（1）、旁通净化系统（2）和智能控制系统（3）。自动监测站对河道内的监测断面的水质进行监测，并将数据传递给智能控制系统，智能控制系统连接旁通净化系统，智能控制系统根据检测结果控制旁通净化系统开启，将部分河道水引入旁通净化系统处理后，经过出水闸与河道出水汇合进入监测断面，形成监控回路。本发明通过智能化控制，科学、准确、及时，因地制宜优化调度旁通净化系统净化河道水质和水量，确保河道水质监测断面稳定达标。

Description

一种河道水质监控断面达标智能化控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于环保和水体修复领域，具体涉及一种河道断面达标智能化控制系统及其方法。

背景技术

随着经济社会的飞速发展和人们对水环境质量要求的不断提高，亟待各级政府对水环境进行科学、有序的管理。河道水质监控断面达标是水环境管理的重点。河道水质监控断面可分为国控断面、省控断面、市控断面和县控断面等。2017年，全国地表水1940个水质断面(点位)中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面(点位)1317个，占67.9％；Ⅳ、Ⅴ类462个，占23.8％；劣Ⅴ类161个，占8.3％。与2016年相比，Ⅰ～Ⅲ类水质断面(点位)比例上升0.1个百分点，劣Ⅴ类下降0.3个百分点。我国的水环境质量仍然不容乐观，目前河道水质监控断面存在缺乏及时、科学、有效的手段，因此，如何实现河道水质监控断面达标越来越紧迫。

申请号为201110151375.4的中国专利申请《串联式河道水质改善和水资源调蓄方法》，提供一种串联式河道水质改善和水资源调蓄方法，具体过程包括：(1)建立水量调蓄系统，该系统包括在河道中构建的橡胶坝或浆砌低坝以及在河道两侧构建的库塘，在建造橡胶坝的河道的外侧开挖库塘，在库塘外围建立水质保障系统；(2)在河道内建立串联的人工湿地；(3)在河道两侧建立水质改善系统；(4)建立在线监测和自动控制系统。但该方法未有明确如何及时、准确调节的措施。

申请号为201510005167.1的中国专利申请《基于多Agent的湖库、流域的水质监测断面优化布设方法》，属于水环境监控与治理领域，公开了一种基于多Agent的湖库、流域的水质监测断面优化布设方法。对水域划分并利用多Agent系统进行水质监测构建原始数据矩阵，应用主成分分析方法从提取可有效表征水质特征的主成分和非主成分；以主成分和非主成分的综合评价得分作为多Agent系统的两个元素，并以相邻水质Agent间的相似度作为评价标准，在粗分模型和细分模型中分别对水质Agent进行合并与拆分，得到优化后的最佳水质Agent聚类，最终取每个水质Agent聚类对应的中心点位置作为最终监测点。但该方法未如何控制水质断面达标措施。

申请号为201210191012.8的中国专利申请《一种基于水功能区的水量水质调控方法》，涉及一种基于水功能区的水量水质调控方法，所述方法的步骤包括：构建水量调控模拟模型的步骤；计算水功能区控制断面流量的步骤；计算入河污染负荷量的步骤；基于水功能区的纳污能力计算的步骤；分析水功能区达标状况的步骤。通过构建流域级水功能区的水量调控模拟模型，考虑人工用水、工程调度与自然水循环关系，同时构建水功能区纳污能力分析模型，使用纳污能力分析模型以水量调控模拟模型为依据分析计算水功能区的纳污能力，根据分析计算结果对流域的水量和水质进行调控。但该方法对水质达标没有明确的方法。

申请号为201310422964.0的中国专利申请《循环呼吸滤清式河道永久清洁系统及其使用方法》，涉及循环呼吸滤清式河道永久清洁系统及其使用方法，以河岸和路面为基准，在河岸之间对称的设置闸门，河岸之间的河底挖制水槽，在两边河岸上对称的设置河坎，河底以河底中心为基准设计成对称的坡状结构，河底中心为低点，紧邻河坎依次设置水泵隧道、反渗池、蓄水池、沉淀池，干净的水从反渗池的出水口流回河里，完成净化过程，这样周而复始，一直至水质达标为止。但该方法为有涉及断面水质达标。对水体的自净能力考虑不足。同时在河道中设置处理设施，会影响行洪。

发明内容

针对目前河道水质监控断面达标缺乏及时、准确、科学的控制措施现状，本发明提供了一种河道水质监控断面达标智能化系统及其方法，基于河道水质监控断面污染指标和程度，通过智能化控制系统合理确定旁通净化系统的流量，因地制宜提高水质净化效果，确保水质监控断面的稳定达标。

技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种河道水质监控断面达标智能化控制系统，包括了主河道、旁通净化系统和智能控制系统，其中主河道包括：河道、监测断面、自动监测站；旁通净化系统包括：旁通闸、旁通河道、配水主闸、配水辅闸、配水河道、滚水坝、配水支河、配水毛沟、净化型湿地、调蓄型湿地、出水河道、出水闸；智能控制系统包括数据处理系统、信息反馈系统、智能决策系统。

监测断面的流量和污染物浓度分别为Q₁和C₁；

监测断面河道中污染物的目标值为C₀；

旁通净化系统进水的流量和污染物浓度分别为Q₂和C₂；

配水主闸的流量为Q₃；

配水辅闸的流量为Q₄；

旁通净化系统出水的流量和污染物浓度分别为Q₅和C₃；

河道水体到出水闸时污染物浓度为C₄；

旁通闸与出水闸距离为L₁；

出水闸与监测断面距离为L₂；

Q₁和C₁；Q₂和C₂；Q₃和Q₄；Q₅和C₃数据均传送到数据处理系统。

河道水质监控断面达标智能化控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、主河道在河道设置监测断面，通过自动监测站的水质监测，获得监测断面的流量和污染物浓度分别为Q₁和C₁，其中污染物为CODcr、NH₃-N、TP。

步骤2)、获得监测断面的CODcr、NH₃-N、TP等污染物浓度C₁与河道中污染物的目标值C₀在数据处理系统中进行比较。

当C₁＞C₀时，即有一个污染物指标超过目标值C₀，智能决策系统将结果传递至信息反馈系统，信息反馈系统控制旁通闸开启，将部分河道引入旁通净化系统。

当C₁≤C₀时，信息反馈系统控制旁通闸不开启旁通净化系统。

步骤3)、C₁＞C₀时，开启旁通净化系统，并且分配旁通净化系统进水的流量和污染物浓度分别为Q₂和C₂；河道流量为Q_剩余＝Q₁-Q₂。智能决策系统根据水污染程度和河道自净能力，计算出Q₂具体数值。

步骤4)、开启旁通净化系统旁通闸，然后河水进入旁通河道，通过配水主闸的开启，进入配水河道，然后进入净化型湿地，净化后进入配水毛沟，滚水坝用于控制配水河道液位。

步骤5)、当Q₂＞50％Q₁时，信息反馈系统控制开启配水辅闸，通过配水支河进入调蓄型湿地，调蓄后进入配水毛沟。

步骤6)、配水毛沟出水最终汇入出水河道，出水河道末端设置出水闸，此处的流量和污染物浓度分别为Q₅和C₃。

在步骤7)、河道流量为Q经过L₁与出水闸Q₅进行汇合，然后经过L₂，进入监测断面。

进一步地，智能决策系统控制旁通净化系统流量Q₂的计算方法如式(1)：

其中，

Q₂—旁通净化系统(2)进水的流量，m³/s；

W—出水闸(2-12)至监测断面(1-2)L₂段水环境容量，g/s；

Q₁—监测断面(1-2)的流量，m³/s；

C₀—河道中污染物的目标值，mg/L；

K—污染物衰减系数，1/s；CODcr、NH₃-N、TP的综合衰减系数分别为0.06～0.10、0.05～0.10、0.03～0.06；

L—出水闸至监测断面L₂距离，m；

U—平均流速，m/s；

C₂—旁通净化系统进水污染物浓度，mg/L；

C₄—河道水体到出水闸时污染物浓度，mg/L；

E—旁通净化系统污染物去除率，％；

进一步地，C1为C_CODcr、C_NH3-N、C_TP中最大值，即C₁＝max[C_CODcr、C_NH3-N、C_TP。

河道流速为U₁，计算公式如式(2)：

U₁＝Q₁/(b*h) 式(2)

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明以河道水质监控断面达标为核心，根据河道水质监控断面污染指标和程度，通过智能化控制系统合理确定旁通净化系统的流量，能够及时、准确确保水质监控断面的稳定达标。

(2)因地制宜，不影响行洪。合理利用现有河道和农田，净化效果好。绿色生态，无二次污染。

(3)操作灵活、投资少、成本低；通过电动闸门的开启和流量控制，实现系统的智能化。同时借助于溢流坝，科学控制水位，增加河道水的停留时间，促进水质净化效果。

附图说明

图1为河道水质监控断面达标智能化控制系统的示意图；

图2为河道水质监控断面达标智能化控制系统的平面图；

图中：主河道：1、旁通净化系统：2、智能控制系统：3、主河道；

河道：1-1、监测断面：1-2、自动监测站：1-3、旁通闸：2-1、旁通河道：2-2、配水主闸：2-3、配水辅闸：2-4、配水河道：2-5、滚水坝：2-6、配水支河：2-7、配水毛沟：2-8、净化型湿地：2-9、调蓄型湿地：2-10、出水河道：2-11、出水闸：2-12、数据处理系统：3-1、信息反馈系统：3-2、智能决策系统：3-3。

具体实施方式

通过下面具体实施例进一步介绍本发明的技术方案。

参照图1所示，一种河道水质监控断面达标智能化控制系统，包括了主河道1、旁通净化系统2和智能控制系统3。其中主河道1包括：河道1-1、监测断面1-2、自动监测站1-3；监测断面1-2设置在河道1-1内，自动监测站1-3对监测断面1-2的水质进行监测，并将数据传递给智能控制系统3，智能控制系统3连接旁通净化系统2，根据检测结果控制旁通净化系统开启，将部分河道水引入旁通净化系统处理后，经过出水闸与河道1-1出水汇合进入监测断面1-2，形成监控回路。

旁通净化系统2包括：旁通闸2-1、旁通河道2-2、配水主闸2-3、配水辅闸2-4、配水河道2-5、滚水坝2-6、配水支河2-7、配水毛沟2-8、净化型湿地2-9、调蓄型湿地2-10、出水河道2-11、出水闸2-12。

智能控制系统3包括数据处理系统3-1、信息反馈系统3-2、智能决策系统3-3；数据处理系统3-1将自动监测站1-3检测得到的监测断面1-2污染物浓度C1与河道中污染物的目标值C₀进行比较，智能决策系统3-3将结果传递至信息反馈系统3-2，信息反馈系统3-2控制旁通闸2-1开启与否。如果旁通闸2-1开启，则将部分河道1-1引入旁通净化系统2进行净化处理，旁通净化系统2进水的流量Q₂可控。

在旁通净化系统2，通过配水主闸的开启，进入配水河道2-5，然后进入净化型湿地2-9，净化后进入配水毛沟2-8。滚水坝2-6用于控制配水河道2-5液位。

当Q₂＞50％Q₁时，信息反馈系统3-2控制开启配水辅闸2-4，通过配水支河2-7进入调蓄型湿地2-10，调蓄后进入配水毛沟2-8。

步骤6、配水毛沟2-8出水最终汇入出水河道2-11，出水河道2-11末端设置出水闸2-12，此处的流量和污染物浓度分别为Q₅和C₃。

在步骤7、河道1-1出水流量为Q，经过L₁与出水闸2-12出水Q₅进行汇合，然后经过L₂，进入监测断面1-2。

实施例1

某河道1-1为中小型河道，河道宽度b＝60m，深度h＝3m。监测断面1-2设置于河道1-1中间靠岸边处，河道1-1上设有标志，防止破坏。自动监测站1-3位于河道1-1岸边，单层房间，设置有CODcr、NH₃-N、TP、TN等监测装置。主要水质考核指标为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类水(CODcr≤30mg/L，NH₃-N≤1.5mg/L，TP≤0.3mg/L)。

河道1-1边上设有旁通闸2-1、配水主闸2-3、配水辅闸2-4和出水闸2-12，这些闸门均为电动闸门，开度仪集传感器与主令控制为一体，可通过开度仪控制闸门开启，开度仪高度3-5m，精度±1cm，使用寿命6万小时。

旁通河道2-2与配水河道2-5的宽度比是3:1，配水支河2-7与配水河道2-5相平行，长度一致。滚水坝2-6设置于配水河道2-5末端，抬高上游水位。当水量过多时，多余的水可以自由溢流向下游。净化型湿地2-9与调蓄型湿地2-10等面积布置，配水毛沟2-8宽度1.5m，坡度3‰-5‰；出水河道2-11宽度20.0m。

监测断面1-2的流量和污染物浓度分别为Q₁和C₁；

监测断面1-2河道中污染物的目标值为C₀；

旁通净化系统2进水的流量和污染物浓度分别为Q₂和C₂；

配水主闸2-3的流量为Q₃；

配水辅闸2-4的流量为Q₄；

旁通净化系统2出水的流量和污染物浓度分别为Q₅和C₃；

河道1-1水体到出水闸2-12时污染物浓度为C₄；

旁通闸2-1与出水闸2-12距离为L₁；

出水闸2-12与监测断面1-2距离为L₂；

Q₁和C₁；Q₂和C₂；Q₃和Q₄；Q₅和C₃数据均传送到数据处理系统3-1。

具体操作步骤如下：

步骤1、主河道1在河道1-1设置监测断面1-2，通过自动监测站1-3的水质监测，获得监测断面1-2的流量和污染物浓度分别为Q₁和C₁，其中污染物为CODcr、NH₃-N、TP、TN等。

步骤2、将获得的监测断面1-2的CODcr、NH₃-N、TP污染物的浓度C₁与河道中污染物的目标值C₀在数据处理系统3-1中进行比较；当C₁＞C₀时，即有一个污染物指标超过标准值，智能决策系统3-3将结果传递至信息反馈系统3-2，信息反馈系统3-2控制旁通闸2-1开启，将部分河道1-1引入旁通净化系统2。

当C₁≤C₀时，信息反馈系统3-2控制旁通闸2-1不开启旁通净化系统2。

步骤3、C₁＞C₀时，开启旁通净化系统2。并且分配旁通净化系统2进水的流量和污染物浓度分别为Q₂和C₂。河道1-1流量为Q_剩余＝Q₁-Q₂。智能决策系统3-3根据水污染程度和河道1-1自净能力，计算出Q₂具体数值。

步骤4、开启旁通净化系统2旁通闸2-1，然后河水进入旁通河道2-2，通过配水主闸2-3的开启，进入配水河道2-5，然后进入净化型湿地2-9，净化后进入配水毛沟2-8。滚水坝2-6用于控制配水河道2-5液位。

步骤5、当Q₂＞50％Q₁时，信息反馈系统3-2控制开启配水辅闸2-4，通过配水支河2-7进入调蓄型湿地2-10，调蓄后进入配水毛沟2-8。

测得，该实施例1中，C_CODcr＝45mg/L；C_NH3-N＝1.2mg/L；C_TP＝0.2mg/L。C₁为C_CODcr、C_NH3-N、C_TP、C_TN中最大值，即C₁＝max[C_CODcr、C_NH3-N、C_TP]。

因此，C₁＝C_CODcr＝45mg/L(C₁＞C₀)。

智能决策系统3-3控制旁通净化系统2流量Q₂的计算方法如下：

其中，

Q₂—旁通净化系统2进水的流量，m³/s；

W—出水闸2-12至监测断面1-2(L₂)段水环境容量，500g/s；

Q₁—监测断面1-2的流量，10m³/s；

C₀—河道中污染物的目标值，30mg/L；

K—污染物衰减系数，1/s；

CODcr、NH₃-N、TP的综合衰减系数分别为0.06～0.10、0.05～0.10、0.03～0.06；

L—出水闸2-12至监测断面1-2(L₂)的距离，100m；

U—平均流速，m/s；U₁＝Q₁/(b×h),0.06m/s；

C₂—旁通净化系统2进水污染物浓度，50mg/L；

C₄—河道1-1水体到出水闸2-12时污染物浓度，25mg/L；

E—旁通净化系统2污染物去除率，30％。

实施例2

其他同实施例1。

C₂—旁通净化系统2进水污染物浓度，50mg/L；

实施例3

其他同实施例1。

测得C_CODcr＝24mg/L；C_NH3-N＝1.3mg/L；C_TP＝0.23mg/L；

C₁为C_CODcr、C_NH3-N、C_TP、C_TN中最大值，即C₁＝max[C_CODcr、C_NH3-N、C_TP]＝24mg/L。

当C₁≤C₀(24mg/L≤30mg/L)时，信息反馈系统3-2控制旁通闸2-1不开启旁通净化系统2。

Claims

1.一种河道水质监控断面达标智能化控制系统的控制方法，所述的河道水质监控断面达标智能化控制系统包括了主河道（1）、旁通净化系统（2）和智能控制系统（3）；其中主河道包括：河道、监测断面、自动监测站；监测断面设置在河道内，自动监测站对监测断面的水质进行监测，并将数据传递给智能控制系统，智能控制系统连接旁通净化系统并根据检测结果控制旁通净化系统的开启；所述的旁通净化系统包括：旁通闸、旁通河道、配水主闸、配水辅闸、配水河道、滚水坝、配水支河、配水毛沟、净化型湿地、调蓄型湿地、出水河道、出水闸；

其特征在于，自动监测站对河道内的监测断面的水质进行监测，并将数据传递给智能控制系统，智能控制系统连接旁通净化系统，智能控制系统根据检测结果控制旁通净化系统开启，将部分河道水引入旁通净化系统处理后，经过出水闸与河道出水汇合进入监测断面，形成监控回路；

监测断面的流量和污染物浓度分别为Q₁和C₁；

监测断面河道中污染物的目标值为C₀；

旁通净化系统进水的流量和污染物浓度分别为Q₂和C₂；

配水主闸的流量为Q₃；

配水辅闸的流量为Q4；

旁通净化系统出水的流量和污染物浓度分别为Q₅和C₃；

河道水体到出水闸时污染物浓度为C₄；

旁通闸与出水闸距离为L₁；

出水闸与监测断面距离为L₂；

Q₁和C₁；Q₂和C₂；Q₃和Q₄；Q₅和C₃数据均传送到数据处理系统;

所述的智能控制系统根据检测结果控制旁通净化系统开启是：数据处理系统将自动监测站检测得到的监测断面污染物浓度C₁与河道中污染物的目标值C₀进行比较，当C₁≤C₀时，信息反馈系统控制旁通闸不开启旁通净化系统；当C₁＞C₀时，信息反馈系统控制旁通闸开启，将部分河道水引入旁通净化系统;

所述的污染物是CODcr、NH₃-N、TP；C₁=max[C_CODcr、C_NH3-N、C _TP]；

所述部分河道水引入旁通净化系统的进水流量Q₂由式（1）计算得到：

式（1）

其中，Q₂—旁通净化系统（2）进水的流量，m³/s；

W—出水闸（2-12）至监测断面（1-2）L₂段水环境容量，g/s；

Q₁—监测断面（1-2）的流量，m³/s；

C₀—河道中污染物的目标值，mg/L；

L₂—出水闸（2-12）至监测断面（1-2）的距离，m；

U—平均流速，m/s；

C₂—旁通净化系统（2）进水污染物浓度，mg/L；

C₄—河道（1-1）水体到出水闸（2-12）时污染物浓度，mg/L；

E—旁通净化系统（2）污染物去除率，%。

2.根据权利要求1所述的河道水质监控断面达标智能化控制系统的控制方法，其特征在于，当C₁＞C₀时，信息反馈系统控制旁通闸开启，将部分河道水引入旁通净化系统之后，河水进入旁通河道（2-2），通过配水主闸（2-3）的开启，进入配水河道（2-5），然后进入净化型湿地（2-9），净化后进入配水毛沟（2-8），滚水坝（2-6）用于控制配水河道（2-5）液位。

3.根据权利要求1所述的一种河道水质监控断面达标智能化控制系统的控制方法，其特征在于，当Q₂＞50% Q₁时，信息反馈系统（3-2）控制开启配水辅闸（2-4），通过配水支河（2-7）进入调蓄型湿地（2-10），调蓄后进入配水毛沟（2-8）；配水毛沟（2-8）出水最终汇入出水河道（2-11），出水河道（2-11）末端设置出水闸（2-12），此处的流量和污染物浓度分别为Q₅和C₃；河道（1-1）出水经过L₁与出水闸（2-12）的出水汇合，然后经过L₂，进入监测断面（1-2）。