滇池案例：環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

導(dǎo) 讀：針對滇池環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)接入口眾多、截流污水類型復(fù)雜、截流管理難度大的問題，進(jìn)行環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究。采用聚類分析和物元分析方法，對環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)內(nèi)69個溝渠監(jiān)測斷面進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定了10個具有代表性的溝渠監(jiān)測斷面進(jìn)行環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)在線監(jiān)測斷面的設(shè)置；結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及各溝渠的水質(zhì)水量情況，確定了25個遠(yuǎn)程控制斷面；結(jié)合環(huán)湖截污干渠的實(shí)際情況，進(jìn)行在線監(jiān)測和實(shí)時控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和智能化控制平臺系統(tǒng)的主要功能設(shè)計。

1 滇池環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)概況

滇池環(huán)湖截污干渠工程主要包括東岸干渠工程和南岸干渠工程，東岸干渠全長16.72 km，南岸干渠全長22.73 km，截污干渠采用兩箱形式，分別截流污水和混合污水或初期雨水。環(huán)湖截污干渠共分為5段，其中東岸干渠分為省城投段和旅游度假區(qū)段，南岸干渠分為晉城段、昆陽段和古城段。滇池環(huán)湖截污干渠服務(wù)范圍內(nèi)共計有200條溝渠，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，有131條溝渠處于斷流或滯水的狀態(tài)，不納入本次監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建的范圍內(nèi)，其余溝渠結(jié)合其周邊土地利用類型及水質(zhì)水量監(jiān)測結(jié)果，可以分為農(nóng)村生活污水、農(nóng)業(yè)面源廢水、農(nóng)田回歸水等3個主要類型，其中以生活污水為主的溝渠約占17%，以農(nóng)業(yè)面源污水為主的溝渠約占57%，以農(nóng)田回歸水為主的溝渠約占25%。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 數(shù)據(jù)來源

項(xiàng)目組自2012年至2014年間，共計對環(huán)湖截污干渠周邊溝渠進(jìn)行了14次現(xiàn)場調(diào)查，其中東岸旱季3次，雨季4次，南岸旱季2次，雨季5次，各次調(diào)查中對具備水樣監(jiān)測條件的溝渠均進(jìn)行了水質(zhì)水量監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上，2017年再次對環(huán)湖截污干渠周邊溝渠進(jìn)行調(diào)查并同步測量水質(zhì)水量。由于2012年和2013年大部分溝渠未獲取到有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，本研究主要利用2014年和2017年雨季環(huán)湖截污干渠服務(wù)范圍內(nèi)具備監(jiān)測條件的69條溝渠監(jiān)測數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)。其中，2014年和2017年雨季調(diào)查及監(jiān)測均在7月降雨時進(jìn)行，主要采集降雨過程中溝渠的樣品進(jìn)行水質(zhì)檢測。

2.2 監(jiān)控斷面優(yōu)化方法

環(huán)湖截污干渠監(jiān)控斷面主要包括監(jiān)測斷面和遠(yuǎn)程控制斷面兩個部分。其中，監(jiān)測斷面主要用于獲取各接入點(diǎn)的實(shí)時水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制斷面主要基于根據(jù)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析所下達(dá)的控制指令，實(shí)施環(huán)湖截污系統(tǒng)的水質(zhì)水量調(diào)度。

由于環(huán)湖截污系統(tǒng)接入點(diǎn)眾多，需進(jìn)行監(jiān)測斷面的優(yōu)化布設(shè)，其主要目的在于以最少的監(jiān)控斷面，最小的投入，獲取最全面的、科學(xué)、合理的水質(zhì)監(jiān)測信息。監(jiān)控斷面的優(yōu)化要遵循代表性、信息量和可操作性原則。目前，用于監(jiān)測斷面優(yōu)化的方法主要包括聚類分析法、均值偏差法、物元分析法、貼近度法、主成分分析法等。本研究中綜合了目前應(yīng)用較為廣泛的聚類分析法和物元分析法的結(jié)果來進(jìn)行環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)的監(jiān)控斷面優(yōu)化布設(shè)。

監(jiān)測斷面優(yōu)化的聚類分析主要是根據(jù)各斷面水質(zhì)指標(biāo)之間的相似度，確定不同斷面之間的親疏關(guān)系，從而明確不同類別監(jiān)測斷面的監(jiān)控性質(zhì)。各監(jiān)測斷面的聚類分析主要利用SPSS軟件進(jìn)行分析。

監(jiān)測斷面優(yōu)化的物元分析法主要是通過建立多項(xiàng)指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，根據(jù)各斷面綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)的貼近程度，確定斷面的親近關(guān)系。本研究中利用物元分析法進(jìn)行監(jiān)測斷面優(yōu)化主要按照以下步驟進(jìn)行：①根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及采樣監(jiān)測，獲取監(jiān)測斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)，確定各項(xiàng)污染指標(biāo)監(jiān)測值的最大值、最小值和均值。各項(xiàng)指標(biāo)的最小值和最大值分別構(gòu)成最佳值A(chǔ)和最劣值B，各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測值的均值構(gòu)成數(shù)學(xué)期望值C。②利用數(shù)學(xué)期望值C分別與最佳值A(chǔ)和最劣值B構(gòu)成2個標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣，見式(1)和式(2)。③由2個標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣構(gòu)成節(jié)域物元矩陣見式（3）。④建立每一監(jiān)測斷面各項(xiàng)污染指標(biāo)對標(biāo)準(zhǔn)物元A、B的線性關(guān)聯(lián)函數(shù)，見式(4)和式(5)。⑤計算監(jiān)測斷面的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，見式(6)和式(7)。⑥繪制點(diǎn)聚圖，根據(jù)點(diǎn)聚圖進(jìn)行監(jiān)測斷面優(yōu)化。

其中，M為對象；Q1…Qj…Qm為各項(xiàng)污染指標(biāo)；a1…aj…am為各項(xiàng)污染指標(biāo)的最佳值；b1…bj…bm為各項(xiàng)污染指標(biāo)的最劣值；c1…cj…cm為各項(xiàng)污染指標(biāo)的期望值。

其中，Xij為i斷面j污染指標(biāo)監(jiān)測值；ωj為j污染指標(biāo)的權(quán)值。

2.3 環(huán)湖截污干渠監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)

2.3.1 基于聚類分析的監(jiān)測斷面分類

主要選擇環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)調(diào)查過程中具備采樣條件的69條溝渠的監(jiān)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行聚類分析，選取了COD、TN、TP、NH3-N和SS等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析。由于各溝渠污水截流進(jìn)入環(huán)湖截污干渠后最終會進(jìn)入配套建設(shè)的污水處理廠進(jìn)行處理，故采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)對各溝渠的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并按照不同渠段，利用SPSS軟件中層次聚類將各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行層次聚類分析，聚類方式選擇組間平均連接法，距離測量選擇歐式距離平方。

根據(jù)各溝渠水質(zhì)的相似度，省城投段的25條溝渠可以分為3類，旅游度假區(qū)段的4條溝渠可以分為3類，晉城段的23條溝渠可以分為4類，昆陽段的4條溝渠可以分為3類，古城段的13條溝渠可以分為2類。一般認(rèn)為，聚類結(jié)果中聚合為一類的點(diǎn)可以相互替代，根據(jù)聚類分析結(jié)果，環(huán)湖截污干渠69條有效溝渠可優(yōu)化為15個監(jiān)測斷面。

2.3.2 基于物元分析的監(jiān)測斷面分類

與聚類分析一致，本研究中同樣利用69條溝渠的5個水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了物元分析。根據(jù)各指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取了各指標(biāo)的最劣值B（最大值）、最優(yōu)值A(chǔ)（最小值）及數(shù)學(xué)期望值C（均值），利用最優(yōu)值A(chǔ)、最劣值B以及數(shù)學(xué)期望值C構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣和節(jié)域物元矩陣以及各渠段監(jiān)測斷面的物元矩陣。分別建立每一個監(jiān)測斷面各污染指標(biāo)對標(biāo)準(zhǔn)物元的線性關(guān)聯(lián)函數(shù)，利用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A標(biāo)各污染標(biāo)準(zhǔn)值及各污染指標(biāo)實(shí)測值，得到各污染物的歸一化權(quán)值，并計算各監(jiān)測斷面所有指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，以KA為縱坐標(biāo)，KB為橫坐標(biāo)可以繪制各渠段的各監(jiān)測斷面的點(diǎn)聚圖，如圖1所示。

圖1 綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)點(diǎn)聚圖

從圖1可以看出，各渠段的監(jiān)測斷面中，除個別監(jiān)測斷面外，均主要分布于第Ⅱ和第Ⅳ象限內(nèi)，根據(jù)KA和KB的計算公式可以看出，KA越小于-1 時，該斷面的水質(zhì)越好，而當(dāng)KB越大于-1時，該斷面的水質(zhì)越好。由此可以看出位于第Ⅱ象限的監(jiān)測斷面水質(zhì)相對較差，是截污干渠需要優(yōu)先截流的污水，也是需要重點(diǎn)監(jiān)控的斷面。位于第Ⅳ象限的監(jiān)測斷面水質(zhì)相對較好。根據(jù)各斷面的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)值，將省城投段的監(jiān)測斷面分為3類，旅游度假區(qū)段的監(jiān)測斷面分為3類，晉城段的監(jiān)測斷面分為5類，昆陽段的監(jiān)測斷面分為4類，古城段的監(jiān)測斷面分為4類。

2.3.3 監(jiān)測斷面綜合優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)聚類分析和物元分析能夠?qū)h(huán)湖截污干渠系統(tǒng)服務(wù)范圍內(nèi)的溝渠根據(jù)其水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行分類，兩種分析方法所得的結(jié)果中，省城投段、旅游度假區(qū)段和昆陽段分類一致，古城段和晉城段分類結(jié)果有一定的差距。

結(jié)合各溝渠斷面的優(yōu)化結(jié)果，在兼顧各來水類型的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇現(xiàn)狀已接入環(huán)湖截污干渠、水量大、溝渠斷面相對規(guī)則且具備在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的用電及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纫蟮臏锨M(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)。綜合考慮上述因素后，最終確定的在線監(jiān)測斷面共計10個（見圖2），每個渠段分別設(shè)置1個合流污水代表性監(jiān)測斷面和1個面源污水代表性監(jiān)測斷面。其中，省城投段、旅游度假區(qū)段、晉城段、昆陽段、古城段合流污水代表性監(jiān)測斷面分別為35#、81#、100#、139#和156#，該部分溝渠上游均分布有大量村莊，雨季溝渠來水以合流污水為主且水量較大，各溝渠多穿村而過，具備良好的設(shè)備安裝條件。省城投段、旅游度假區(qū)段、晉城段、昆陽段、古城段面源污水代表性監(jiān)測斷面分別為54#、63#、109#、140#和175#，該部分溝渠雨季主要收集農(nóng)田面源污水，54#、63#臨近村莊，其余三個監(jiān)測點(diǎn)臨近干渠控制室，均具備較好的監(jiān)測設(shè)備安裝條件。

圖2 環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)監(jiān)控斷面分布

2.4 環(huán)湖截污干渠控制斷面優(yōu)化布設(shè)

環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)內(nèi)溝渠眾多，對全部溝渠進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控成本較高且意義不大，應(yīng)選擇具有調(diào)控意義的斷面，合理優(yōu)化環(huán)湖截污系統(tǒng)收集的水質(zhì)水量，全面發(fā)揮環(huán)湖截污系統(tǒng)的效能。遠(yuǎn)程控制點(diǎn)主要選擇服務(wù)范圍內(nèi)水量大，且有條件截入干渠的溝渠，經(jīng)過優(yōu)化篩選，共選擇遠(yuǎn)程控制斷面25個，其中省城投段、旅游度假區(qū)段段、晉城段、昆陽段均選擇雨季平均流量大于3 000m3/d，且具備接入條件的溝渠，溝渠徑流控制率可分別達(dá)到65%、97%、66%、98%；昆陽段水量較分散，選擇雨季平均流量大于2 000m3/d，且具備接入條件的溝渠，溝渠徑流控制率可達(dá)到62%。

表1 不同分析方法斷面優(yōu)化結(jié)果對比

3 滇池環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計

滇池環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)主要包括在線監(jiān)測控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和智能化控制平臺系統(tǒng)三個部分組成。滇池環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)邏輯框圖如圖3所示。

3.1 在線監(jiān)測及控制系統(tǒng)基本功能設(shè)計

根據(jù)環(huán)湖截污系統(tǒng)各溝渠的水質(zhì)特征，主要選取括COD、NH3-N以及流量3項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。由于環(huán)湖截污系統(tǒng)在降雨過程中溝渠水質(zhì)水量變化較大，在線監(jiān)測設(shè)備需滿足以下要求：①設(shè)備成熟、實(shí)用，能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)需求且運(yùn)行穩(wěn)定；②能夠滿足監(jiān)測所需的監(jiān)測頻率和監(jiān)測精度；③設(shè)備使用維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低；④具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，能夠?qū)崿F(xiàn)與管理系統(tǒng)的信息傳輸。

環(huán)湖截污系統(tǒng)各溝渠遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)的截流調(diào)度主要依靠數(shù)控啟閉閘門的控制來實(shí)現(xiàn)。每個調(diào)度控制點(diǎn)分別在干渠沉砂池預(yù)留接口位置和沉砂池下游溝渠斷面位置安裝一套啟閉閘門，分別用于控制環(huán)湖截污干渠對溝渠污水的截流和溝渠向滇池湖體的排放。閘門采用機(jī)閘一體式預(yù)制手電兩用鋼鐵閘門，閘門尺寸規(guī)格參數(shù)根據(jù)監(jiān)控溝渠實(shí)際斷面尺寸設(shè)置。各閘門可根據(jù)監(jiān)控平臺下發(fā)的指令單獨(dú)控制，具備三種控制方式：現(xiàn)場手動控制、遠(yuǎn)程手動控制以及遠(yuǎn)程全自動控制。

在線監(jiān)測系統(tǒng)和實(shí)時控制閘門采用可編程控制器（PLC）接受監(jiān)控平臺下達(dá)的指令，并執(zhí)行現(xiàn)場監(jiān)測、閘門啟閉等控制動作過程。

3.2 數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)基本功能設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)宜支持目前主流的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方法并可通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。數(shù)據(jù)傳輸可通過GPRS/4G/5G無線寬帶網(wǎng)或光纜的方式進(jìn)行傳輸。

3.3 智能化控制平臺系統(tǒng)基本功能設(shè)計

環(huán)湖截污體系監(jiān)控平臺系統(tǒng)主要用于收集各截流調(diào)度控制點(diǎn)實(shí)時發(fā)送的溝渠水質(zhì)、水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、干渠液位系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，掌握環(huán)湖截污系統(tǒng)截流的水質(zhì)水量情況，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行控制斷面的實(shí)時調(diào)度控制，并下發(fā)控制調(diào)度指令。

當(dāng)單點(diǎn)暴雨強(qiáng)度較大，溝渠水位超出警戒水位時，溝渠下游斷面截流控制閘開啟，保障溝渠排洪安全。當(dāng)降雨強(qiáng)度降低，溝渠水位下降至溝渠常水位，且干渠處于安全水位運(yùn)行，接入口控制閘開啟的情況下，關(guān)閉溝渠下游斷面截流控制閘。

當(dāng)干渠系統(tǒng)截流的雨污水較多，干渠水位超出警戒水位時，截污干渠上各截流調(diào)度控制點(diǎn)接入口控制閘關(guān)閉，保障干渠系統(tǒng)安全運(yùn)行。當(dāng)干渠水位降低至警戒水位線80%的情況下，截污干渠上各截流調(diào)度控制點(diǎn)接入口控制閘開啟，干渠繼續(xù)接納溝渠污水。

當(dāng)隨著低濃度地表徑流的混入，代表性溝渠水質(zhì)濃度達(dá)到低濃度報警界限時，相應(yīng)渠段面源污水截流調(diào)度控制點(diǎn)溝渠下游斷面截流控制閘開啟，干渠入口控制閘關(guān)閉，保障清水順流入湖。當(dāng)代表性溝渠水質(zhì)濃度高于低濃度報警界限，且溝渠、干渠水位均處于安全水位以下時，溝渠下游斷面截流控制閘重新關(guān)閉，干渠入口控制閘重新開啟，干渠繼續(xù)接納溝渠污水。環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)具體控制方案見表2。

4 結(jié) 語

環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建完成后，能夠通過優(yōu)化設(shè)置的在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取接入溝渠的實(shí)時水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，根據(jù)智能化調(diào)度平臺的分析計算，獲取整個環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)的運(yùn)行情況及截流的水質(zhì)水量動態(tài)狀況，通過遠(yuǎn)程控制的閘門系統(tǒng)，實(shí)施環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)的水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度，確保干渠系統(tǒng)能夠截流高濃度污水，減少低濃度污水對干渠調(diào)蓄容積的擠占，提升環(huán)湖截污干渠的截污效率，最大化的控制進(jìn)入滇池的污染負(fù)荷。