CN113502896B - 基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置、系统及方法，包括：带有进水管、截留管和排放口的截流井；所述截留管上安装有截留阀门，所述排放口上安装有下开式闸门；所述截流井内的底部安装有水质在线监测设备，上部安装有液位传感器，外部安装有雨量计和控制器；所述控制器分别连接截留阀门、下开式闸门、水质在线监测设备、液位传感器和雨量计。其能够通过水质参数和液位的实时数值控制下开式闸门以及调蓄池进水闸门，减少合流制溢流污染的现象，合理利用调蓄池容积或者下游污水管网的排水能力，减少传统设计的调蓄池容积的浪费和污水管网调节能力的浪费。

Description

基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及合流制和混流制溢流污染控制、智慧水务建设技术领域，尤其涉及一种基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置、系统及方法，其适应于大排放口的截留式合流制排水系统。

背景技术

在黑臭水体治理的进过程中，发现城市降雨过程中，雨水冲刷地表会带来大量污染物，若不对其进行处理会对城市自然水体造成污染，这成为环境治理中不可忽视的因素。

目前解决合流制溢流污染的工程措施主要依靠设置溢流堰和雨水调蓄池，但该方法依靠固定式溢流堰的溢流控制初期雨水，溢流堰对不同降雨的适应性差，存在截流效率低以及调蓄池容积浪费的现象。降雨初期截流大量浓度低的雨水，造成调蓄池的容积提早达到警戒水位，对降雨中期的高浓度雨水截流较少，大部分高浓度雨水排至河水中，易造成黑臭水体的现象。现阶段，引入水质控制规则，水质和液位联动控制，成为截流调蓄设施的主流方向。此外，传统设计中截流系统和调蓄系统分开设计，没有利用RTC技术、排水模型模拟和考虑天气因素（例如，内涝、溢流等）的影响，没有实现截流调蓄一体化，进而不能提高截流效率，降低调蓄池的建设规模。

发明内容

为了克服现有技术当中存在的缺陷和不足，本发明提出了一种新型的基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置、系统及方法，能够通过水质参数和液位的实时数值控制下开式闸门以及调蓄池进水闸门，减少合流制溢流污染的现象，合理利用调蓄池容积或者下游污水管网的排水能力，减少传统设计的调蓄池容积的浪费和污水管网调节能力的浪费。

其具体采用以下技术方案：

一种基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置，其特征在于，包括：带有进水管、截留管和排放口的截流井；所述截留管上安装有截留阀门，所述排放口上安装有下开式闸门；所述截流井内的底部安装有水质在线监测设备，上部安装有液位传感器，外部安装有雨量计和控制器；所述控制器分别连接截留阀门、下开式闸门、水质在线监测设备、液位传感器和雨量计。

进一步地，所述截留管连接调蓄池或污水管网；所述排放口连接至自然水体。

进一步地，所述水质在线监测设备和液位传感器分别通过蓄电池供电，并通过物联网网关连接控制器。

进一步地，所述控制器连接远端的上位机。

以及，一种基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄系统，其特征在于：基于如上所述的基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置；所述上位机根据水质在线监测设备、液位传感器和雨量计的反馈数据，即时进行分析，并预测趋势，进行RTC相关运行参数调整；并根据与预设值的比较，通过控制器向截留阀门和下开式闸门发出调节指令。

以及，一种基于水质监控的双闸门混流污水截蓄方法，其特征在于：基于如上所述的基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄系统；包括以下步骤：

步骤S1：获取区域基本数据，搭建区域二维雨洪模型，确定排放口污染指标，评估水力和水质特征；

步骤S2：对模拟结果进行Pearson相关性分析，通过各指标的相关性系数确定污染物浓度控制指标；

步骤S3：采用二维雨洪模型评估截蓄水质效果；

步骤S4：生成基于水质的RTC规则，用于根据根据水质在线监测设备、液位传感器和雨量计的反馈数据，向截留阀门和下开式闸门发出调节指令。

进一步地，在步骤S2中，所述污染物浓度控制指标包括：流量Q、固体悬浮物浓度SS、化学需氧量COD、总氮TN、总磷TP；根据pearson相关系数r衡量相关关系为极强相关、强相关、中等程度相关和弱相关，选择和流量及其他指标中等相关即r=0.4-0.6以上指标为控制指标。

进一步地，在步骤S3中，采用二维雨洪模型评估截蓄水质效果，包括三个参数：混流污水溢流最高浓度、截流平均浓度、截流污水体积。

以及，一种基于水质监控的双闸门混流污水截蓄方法，其特征在于：基于如上所述的基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置或基于如上所述的基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄系统，包括以下控制逻辑：

（1）未降雨时，截流管的液位处于正常范围内，控制截留阀门开启，下开式闸门关闭；

（2）降雨时，截流管的液位处于正常范围内，且检测到水质指标实时值或根据上位机预测下一阶段水质指标实时值大于水质指标阈值时，控制截留阀门开启，下开式闸门关闭；

（3）降雨时，截流管的液位处于正常范围内，且检测到水质指标实时值或根据上位机预测下一阶段水质指标实时值小于水质指标阈值时，控制截留阀门关闭，下开式闸门开启；

（4）降雨时，截流管的液位超出正常范围，无论水质指标值的大小，控制截留阀门关闭，下开式闸门开启。

一种基于水质监控的双闸门混流污水截蓄方法，其特征在于：基于上所述的基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄系统：通过对历次降雨的雨量数据和截留井的井内液位数据进行收集，由计算机进行模拟分析，并根据其结果调整RTC系统中相应的运行参数，对RTC系统进行优化。

本发明及其优选方案能够通过水质参数和液位的实时数值控制下开式闸门以及调蓄池进水闸门，减少合流制溢流污染的现象，合理利用调蓄池容积或者下游污水管网的排水能力，减少传统设计的调蓄池容积的浪费和污水管网调节能力的浪费。可以有效避免低浓度混流污水的截蓄，从而实现排放口污染控制，降低排水设施建设规模和下游污水处理厂处理压力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例片区的管网概化和汇水区域划分示意图；

图2是本发明实施例基于水质监控的双闸门混流污水截蓄方法与传统方法溢流COD浓度对比示意图；

图3是本发明实施例基于水质监控的双闸门混流污水截蓄结构俯视剖面示意图；

图4是本发明实施例基于水质监控的双闸门混流污水截蓄结构侧视剖面示意图（A-A）；

图5是本发明实施例基于水质监控的双闸门混流污水截蓄方法控制逻辑示意图。

图中：1-水质在线监测仪表；2-进水管；3-截流井；4-截流管；5-控制器；6-下开式闸门；7-排放口；8-液位传感器；9-截留阀门；10-雨量计；11-护栏；12-挑板；13-镀锌钢盖板；14-塑钢踏步。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

以某片区为例，该片区面积为200 ha（公顷），研究区域内为雨污混流制排水系统，设计标准为5年1遇。依据实际勘测数据和设计图纸建立该片区的水力模型和水质模型，该片区管网概化和汇水面积分区情况如图1所示。通过进一步的现场实测获取实时水质和降雨资料，用于该模型的验证和校准。

本实施例采用以下方案进行混流污水截蓄方案的设计：

1）获取区域基本数据，搭建区域二维雨洪模型，确定排放口污染指标，评估水力和水质特征；

2）对模拟结果进行Pearson相关性分析，通过各指标的相关性系数确定污染物浓度控制指标；

3）对合流排放口进行工程设计，主要设施包括传统截流井、截流管、调蓄池及提升泵站等，采用二维雨洪模型进行评估截蓄水质效果；

4）设计基于水质监控的截流井装置，制定并模拟基于水质的RTC规则，降低截流管、调蓄池设施规模；

5）实施适合当地水质的RTC系统，包括水质监测单元与分析控制单元。

其中，步骤2）对模拟结果进行Pearson相关性分析，通过各指标的相关性系数确定污染物浓度控制指标，包括并不限于以下5个指标：流量（Q）、固体悬浮物浓度（SS）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）。根据pearson相关系数（r）衡量相关关系为极强相关、强相关、中等程度相关和弱相关，选择和流量及其他指标中等相关（r=0.4-0.6）以上指标为控制指标。

步骤3）采用二维雨洪模型进行评估截蓄水质效果，包括三个参数：混流污水溢流最高浓度、截流平均浓度、截流污水体积。

通过步骤4），设计一种基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置，如图3、图4所示，包括：带有进水管2、截留管4和排放口7的截流井3。其中，截留管4上安装有截留阀门9，排放口7上安装有下开式闸门6；截流井3内的底部安装有水质在线监测设备1，上部安装有液位传感器8，外部安装有雨量计10和控制器5。其中，控制器5可以采用单片机，控制器5分别连接截留阀门9、下开式闸门6、水质在线监测设备1、液位传感器8和雨量计10。

其中，截留管4连接调蓄池或污水管网，并可以进一步连接至污水处理厂；排放口7连接至自然水体，如河流等。水质在线监测设备1和液位传感器8分别通过蓄电池供电，并通过物联网网关连接控制器5。控制器5连接远端的上位机。

雨量计10周部还设置有护栏11其防护作用，截流井3内设置有挑板12用于安装截留阀门9，截流井3顶部通过镀锌钢盖板13进行封顶，并作为维护通道的一个入口；在井内还安装有塑钢踏步14，用于方便维护人员进出。

如图5所示，以上装置可以通过以下控制逻辑来进行控制：

S1：在主控单元中分别设置截流管和下开式闸门警戒水位和溢流污水水质控制阈值，截流管的警戒水位由实际截流调蓄手段决定，可以为调蓄池实际容积大小也可以为下游污水管网的实际输水能力，水质控制阈值由相应的污染物控制规范决定；

S2：未降雨时，截流管的液位处于正常范围内，远程控制截留阀门(9)开启，下开式闸门(6)关闭，污水全部输送至污水处理厂；

S3：降雨时，截流管的液位处于正常范围内，检测到水质指标实时值或者根据主控单元预测下一阶段水质指标实时值大于水质指标阈值，远程控制截留阀门(9)开启，下开式闸门(6)关闭，污水和雨水输送至下游调蓄池或者污水管网；

S4：降雨时，截流管的液位处于正常范围内，检测到水质指标实时值或者根据主控单元预测下一阶段水质指标实时值小于水质指标阈值，远程控制截留阀门(9)关闭，下开式闸门(6)开启，污水和雨水输送至自然水体；

S5：降雨时，截流管的液位超出正常范围内，无论水质指标值的大小，远程控制截留阀门(9)关闭，下开式闸门(6)开启，污水和雨水输送至自然水体。

该控制逻辑可以仅通过本地的控制器在设置阈值的基础上进行双闸门混流污水截蓄调控，也可以进一步通过远端的上位机进行更为精确的参数模型预估和实施调节。

具体地，其可以以水质监控为基础，通过双闸门RTC规则，实现混流污水的高效截蓄。采用设计、运行一体化方式，实施基于水质的RTC系统，包括水质监测单元、分析控制单元及数据远传单元。其中，水质监测单元可实时监测现场水位及水质变化情况，并及时向分析控制单元反馈。上位机作为一个SCADA系统，其分析控制单元依据水质监测单元、液位传感器和雨量计反馈数据，即时进行分析（如现场的降雨规律和径流模型），并预测趋势，提前进行RTC相关运行参数调整；并向各执行机构（下开式闸门及调蓄池进水闸门）发出调节指令，比如通过溢流井进水管的水质参数，例如SS浓度值，传输至主控单位，根据实测值或预测下一阶段的水质值并与设定值比较，控制相应阀门组件的开启或者闭合。人机交互界面可供人员对系统进行参数图调整（包括但不限于水位及水质数据阈值设定）。数据远传单元可在系统工作的同时，将现场检测数据及设备工作状态传至远程中控中心管理计算机，由计算机进行历史数据储存并模拟运行分析，优化基于水质的RTC系统。

也可以通过对历次降雨的雨量数据和截留井的井内液位数据进行收集，由计算机进行模拟分析，并根据其结果调整RTC系统中相应的运行参数，对RTC系统进行优化。

根据以上设计，作为本实施例系统的优选设计，包括以下要点：

现场设置有水质监测仪表及液位监测仪表，负责全天不间断监测现场水质与液位数据，同时设置有雨量计，降雨时，对现场雨量数据进行收集。

现场设置有控制单元，负责控制现场执行机构按主控单元指令动作。

远端设有主控单元（上位机），负责现场仪表监测数据的存储，建立模型预测及向现场发出决策指令。

水质监测仪表及液位监测仪表通过物联网网关向主控单元发送数据，主控单元接收数据并将其输入排水模型进行水质数据和液位数据的预测。

当降雨时监测水质参数值大于预设值且液位值处在设定值内，主控单元发送控制指令到现场控制单元，控制单元依据指令关闭下开式闸门和打开截流管上的联动闸门。

当降雨时监测水质参数值小于预设值且液位值处在设定值内，主控单元发送控制指令到现场控制单元，控制单元依据指令打开下开式闸门和关闭截流管上的联动闸门。

当降雨时截流管液位超过限制，主控单元发送控制指令到现场控制单元，控制单元依据指令打开下开式闸门和关闭截流管上的联动闸门。

相对于传统设计的截流-调蓄设施本实施例提供的以上系统方案的有益效果为：1)实时得到混流污水SS浓度值和截留井中的液位数据，根据主控单元的预测，控制闸门的开闭，提高SS的截流率。2)自动化程度高，可实现无人控制。3)适应性强，可直接改造现有截流-调蓄设施或直接在设计中实现，而且维护简单安全。

本实施例基于水质监控的双闸门混流污水截蓄方法与传统截流调蓄方法的效果对比如图2所示，本实施例基于水质监控的双闸门混流污水截蓄方法溢流的COD浓度低于传统截流-调蓄措施，即产生合流制溢流污染的现象的可能性小。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄装置、系统及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种基于水质监控的双闸门混流污水截蓄方法，其特征在于：基于以下基于水质监控的双闸门混流雨水截蓄系统，包括：

带有进水管、截留管和排放口的截流井；所述截留管上安装有截留阀门，所述排放口上安装有下开式闸门；所述截流井内的底部安装有水质在线监测设备，上部安装有液位传感器，外部安装有雨量计和控制器；所述控制器分别连接截留阀门、下开式闸门、水质在线监测设备、液位传感器和雨量计；

所述截留管连接调蓄池或污水管网；所述排放口连接至自然水体；

所述水质在线监测设备和液位传感器分别通过蓄电池供电，并通过物联网网关连接控制器；

所述控制器连接远端的上位机；

所述上位机根据水质在线监测设备、液位传感器和雨量计的反馈数据，即时进行分析，并预测趋势，进行RTC相关运行参数调整；并根据与预设值的比较，通过控制器向截留阀门和下开式闸门发出调节指令；

包括以下步骤：

步骤S1：获取区域基本数据，搭建区域二维雨洪模型，确定排放口污染指标，评估水力和水质特征；

步骤S2：对模拟结果进行Pearson相关性分析，通过各指标的相关性系数确定污染物浓度控制指标；

步骤S3：采用二维雨洪模型评估截蓄水质效果；

步骤S4：生成基于水质的RTC规则，用于根据根据水质在线监测设备、液位传感器和雨量计的反馈数据，向截留阀门和下开式闸门发出调节指令；

在步骤S2中，所述污染物浓度控制指标包括：流量Q、固体悬浮物浓度SS、化学需氧量COD、总氮TN、总磷TP；根据pearson相关系数r衡量相关关系为极强相关、强相关、中等程度相关和弱相关，选择和流量及其他指标中等相关即r=0.4-0.6以上指标为控制指标；

在步骤S3中，采用二维雨洪模型评估截蓄水质效果，包括三个参数：混流污水溢流最高浓度、截流平均浓度、截流污水体积；

其包括以下控制逻辑：

（1）未降雨时，截流管的液位处于正常范围内，控制截留阀门开启，下开式闸门关闭；

（2）降雨时，截流管的液位处于正常范围内，且检测到水质指标实时值或根据上位机预测下一阶段水质指标实时值大于水质指标阈值时，控制截留阀门开启，下开式闸门关闭；

（3）降雨时，截流管的液位处于正常范围内，且检测到水质指标实时值或根据上位机预测下一阶段水质指标实时值小于水质指标阈值时，控制截留阀门关闭，下开式闸门开启；

（4）降雨时，截流管的液位超出正常范围，无论水质指标值的大小，控制截留阀门关闭，下开式闸门开启；

并通过对历次降雨的雨量数据和截留井的井内液位数据进行收集，由计算机进行模拟分析，并根据其结果调整RTC系统中相应的运行参数，对RTC系统进行优化。

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