CN111932101A - 一种流域水质目标优化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流域水质目标优化系统及方法，污染物排放浓度监测器安装在排污口处，所述污染物去除率分析器安装在水处理设施进出水口，所述污染物排放浓度监测器、污染物去除率分析器分别与所述多目标优化控制器连接，所述多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块、管道阀门控制集成依次连接所述多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块、管道阀门控制集成依次连接。本发明通过构建多目标优化问题，解决了污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力之间信息不对等、控制不协调的问题，可在保持良好排污监控的同时，优化水处理设备在运行处理量，保持流域的水质稳定，预防超标污染事件发生。

Description

一种流域水质目标优化系统及方法
技术领域
本发明属于水环境管理技术领域，具体涉及一种流域水质目标优化系统及方法。
背景技术
污染物总量分配是将区域污染物允许排放量(水环境容量)按照一定的原则分配到各概化排污口的过程，也是“污染物总量控制”的关键技术环节；其实质是确定研究区域内的各排污点利用水环境资源的权利及其对应的削减任务。
污染物允许排放量(水环境容量)分配的常用方法有等比例分配法，优化分配模型法、层次分析法。其中等比例分配法由于其简单易行、效率较高，是现行总量控制管理中应用最为广泛的分配方法，但其有多排多分的弊端。层次分析法综合考虑了经济、社会及环境资源等多方面的影响因素，但在指标选择及权重赋值的过程中主观性仍难以避免，分配繁琐，不确定性较高。优化分配模型法通常采用线性规划方法来计算单一河道的水环境容量并进行总量分配，该方法根据约束条件，由系统自动调试，精准度较高，国外应用相对较多。
随着流域治理中点源和面源治理到一定程度，流域各污染负荷占区域污染负荷总量的比重呈上升趋势，控制各污染点和污染物总量，需要对污染协同影响的污染负荷定量分配研究，现有技术中也都是单一的流域水质达标的监控，没有考虑流域水处理治理工程实施的综合协调。
发明内容
本发明的目的是，提供一种流域水质目标优化系统及方法，污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力三个方面关系进行协调，优化排污和水处理设施运行之间信息不对等的矛盾。
具体技术方案为：
一种流域水质目标优化系统，包括污染物排放浓度监测器、污染物去除率分析器、多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块和管道阀门控制集成，所述污染物排放浓度监测器安装在排污口处，所述污染物去除率分析器安装在水处理设施进出水口，所述污染物排放浓度监测器、污染物去除率分析器分别与所述多目标优化控制器连接，所述多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块、管道阀门控制集成依次连接所述多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块、管道阀门控制集成依次连接，所述多目标优化控制器里存储有通过多次监测统计得到的COD总量a、NH3-N总量 b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e；
排污监测时，打开所述管道阀门控制集成，所述多目标优化控制器实时采集污染物排放浓度监测器获取排污过程中实时的污染物排放浓度g、污染物去除率分析器对环境水处理设施在进行水处理作业时产生污染物去除率r，并计算得出各参数的最优值，再传送给辅助排污控制器，最后通过控制信息发送模块提示环境水处理设施进行水处理设施工作量的操作。
本发明还提供一种流域水质目标优化方法，包括以下步骤：
(1)根据流域水质目标优化系统污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力三个方面的需求，分别建立污染物排放总量目标函数f1(x)、污染物排放浓度目标函数f2(x)、污水处理能力目标函数f3(x)；
(2)根据流域水质目标优化系统的性能指标，设计参数约束条件；
(3)将污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力三方面的性能指标转化成为单一指标，采用MATLAB软件中的fgoalattain算法进行多目标规划控制模型的求解，最后确定基于污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力性能指标的最优值。
进一步的，以COD总量a、NH3-N总量b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e的加权和作为污染物排放总量目标函数f1(x)：
Figure RE-GDA0002685300870000021
其中，COD总量a、NH3-N总量b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e，M 表示多次监测的采集次数，wa为ai的权重系数，wb为bi的权重系数，wc为ci的权重系数，wd为di的权重系数，we为ei的权重系数。
以实时监测周期内的平均值的加权和作为污染物排放浓度目标函数f2(x)：
Figure RE-GDA0002685300870000031
其中N表示监测周期内实时采集到的监测污染物排放浓度数据个数，wg为 gi的权重系数，根据污染物排放浓度监测器获取排污过程中实时的污染物排放浓度g，以及考虑实际情况限制的实时污染物排放浓度平均值的约束条件。
以实时污染物去除率的加权和作为污水处理能力目标函数f3(x)：
Figure RE-GDA0002685300870000032
其中排污过程中有物理净化、生物净化、化学净化三种机能，因此进行污染物去除率的三次累加，wr为r的权重系数，根据污染物去除率分析器采集水处理设施在进行水处理作业时产生污染物去除率r，设定出生态安全所对应的污染物去除率的上下限。
本发明的优点主要有：
通过构建多目标优化问题，解决了污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力之间信息不对等、控制不协调的问题，可在保持良好排污监控的同时，优化水处理设备在运行处理量，保持流域的水质稳定，预防超标污染事件发生。
附图说明
图1本发明系统的组织和流程示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
首先建立完整一种流域水质目标优化系统，包括污染物排放浓度监测器、污染物去除率分析器、多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块和管道阀门控制集成，所述污染物排放浓度监测器安装在排污口处，所述污染物去除率分析器安装在水处理设施进出水口，所述污染物排放浓度监测器、污染物去除率分析器分别与所述多目标优化控制器连接，所述多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块、管道阀门控制集成依次连接所述多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块、管道阀门控制集成依次连接，所述多目标优化控制器里存储有通过多次监测统计得到的COD总量a、 NH3-N总量b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e；
排污监测时，打开所述管道阀门控制集成，所述多目标优化控制器实时采集污染物排放浓度监测器获取排污过程中实时的污染物排放浓度g、污染物去除率分析器对环境水处理设施在进行水处理作业时产生污染物去除率r，并计算得出各参数的最优值，再传送给辅助排污控制器，最后通过控制信息发送模块提示环境水处理设施进行水处理设施工作量的操作。
利用上述系统进行流域水质目标优化方法，包括以下步骤：
(1)根据流域水质目标优化系统污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力三个方面的需求，分别建立污染物排放总量目标函数f1(x)、污染物排放浓度目标函数f2(x)、污水处理能力目标函数f3(x)；
以COD总量a、NH3-N总量b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e的加权和作为污染物排放总量目标函数f1(x)：
Figure RE-GDA0002685300870000041
其中，COD总量a、NH3-N总量b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e，M 表示多次监测的采集次数，wa为ai的权重系数，wb为bi的权重系数，wc为ci的权重系数，wd为di的权重系数，we为ei的权重系数。
以实时监测周期内的平均值的加权和作为污染物排放浓度目标函数f2(x)：
Figure RE-GDA0002685300870000051
其中N表示监测周期内实时采集到的监测污染物排放浓度数据个数，wg为 gi的权重系数，根据污染物排放浓度监测器获取排污过程中实时的污染物排放浓度g，以及考虑实际情况限制的实时污染物排放浓度平均值的约束条件。
以实时污染物去除率的加权和作为污水处理能力目标函数f3(x)：
Figure RE-GDA0002685300870000052
其中排污过程中有物理净化、生物净化、化学净化三种机能，因此进行污染物去除率的三次累加，wr为r的权重系数，根据污染物去除率分析器采集水处理设施在进行水处理作业时产生污染物去除率r，设定出生态安全所对应的污染物去除率的上下限。
(2)根据流域水质目标优化系统的性能指标，设计参数约束条件；
(3)将污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力三方面的性能指标转化成为单一指标，采用MATLAB软件中的fgoalattain算法进行多目标规划控制模型的求解，最后确定基于污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力性能指标的最优值。

Claims (5)

1.一种流域水质目标优化系统，其特征在于，包括污染物排放浓度监测器、污染物去除率分析器、多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块和管道阀门控制集成，所述污染物排放浓度监测器安装在排污口处，所述污染物去除率分析器安装在水处理设施进出水口，所述污染物排放浓度监测器、污染物去除率分析器分别与所述多目标优化控制器连接，所述多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块、管道阀门控制集成依次连接所述多目标优化控制器、辅助排污控制器、控制信息发送模块、管道阀门控制集成依次连接，所述多目标优化控制器里存储有通过多次监测统计得到的COD总量a、NH3-N总量b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e；
排污监测时，打开所述管道阀门控制集成，所述多目标优化控制器实时采集污染物排放浓度监测器获取排污过程中实时的污染物排放浓度g、污染物去除率分析器对环境水处理设施在进行水处理作业时产生污染物去除率r，并计算得出各参数的最优值，再传送给辅助排污控制器，最后通过控制信息发送模块提示环境水处理设施进行水处理设施工作量的操作。
2.一种流域水质目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据流域水质目标优化系统污染物排放总量、适当的污染物排放浓度和污水处理能力三个方面的需求，分别建立污染物排放总量目标函数f1(x)、污染物排放浓度目标函数f2(x)、污水处理能力目标函数f3(x)；
(2)根据流域水质目标优化系统的性能指标，设计参数约束条件；
(3)将污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力三方面的性能指标转化成为单一指标，采用MATLAB软件中的fgoalattain算法进行多目标规划控制模型的求解，最后确定基于污染物排放总量、污染物排放浓度和污水处理能力性能指标的最优值。
3.根据权利要求2所述的一种流域水质目标优化方法，其特征在于，以COD总量a、NH3-N总量b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e的加权和作为污染物排放总量目标函数f1(x)：
Figure FDA0002613982800000021
其中，COD总量a、NH3-N总量b、TP总量c、TZn总量d、SS总量e，M表示多次监测的采集次数，wa为ai的权重系数，wb为bi的权重系数，wc为ci的权重系数，wd为di的权重系数，we为ei的权重系数。
4.根据权利要求2所述的一种流域水质目标优化方法，其特征在于，以实时监测周期内的平均值的加权和作为污染物排放浓度目标函数f2(x)：
Figure FDA0002613982800000022
其中N表示监测周期内实时采集到的监测污染物排放浓度数据个数，wg为gi的权重系数，根据污染物排放浓度监测器获取排污过程中实时的污染物排放浓度g，以及考虑实际情况限制的实时污染物排放浓度平均值的约束条件。
5.根据权利要求2所述的一种流域水质目标优化方法，其特征在于，以实时污染物去除率的加权和作为污水处理能力目标函数f3(x)：
Figure FDA0002613982800000023
其中排污过程中有物理净化、生物净化、化学净化三种机能，因此进行污染物去除率的三次累加，wr为r的权重系数，根据污染物去除率分析器采集水处理设施在进行水处理作业时产生污染物去除率r，设定出生态安全所对应的污染物去除率的上下限。
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