滇池案例：環湖截污干渠監控系統設計
導 讀：針對滇池環湖截污干渠系統接入口眾多、截流污水類型復雜、截流管理難度大的問題，進行環湖截污干渠監控系統設計研究。采用聚類分析和物元分析方法，對環湖截污干渠系統內69個溝渠監測斷面進行優化選擇，確定了10個具有代表性的溝渠監測斷面進行環湖截污干渠系統在線監測斷面的設置；結合現場調查及各溝渠的水質水量情況，確定了25個遠程控制斷面；結合環湖截污干渠的實際情況，進行在線監測和實時控制系統、傳輸系統和智能化控制平臺系統的主要功能設計。
1 滇池環湖截污干渠系統概況
滇池環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段，南岸干渠分為晉城段、昆陽段和古城段。滇池環湖截污干渠服務范圍內共計有200條溝渠，根據現場調查結果，有131條溝渠處于斷流或滯水的狀態，不納入本次監控系統構建的范圍內，其余溝渠結合其周邊土地利用類型及水質水量監測結果，可以分為農村生活污水、農業面源廢水、農田回歸水等3個主要類型，其中以生活污水為主的溝渠約占17%，以農業面源污水為主的溝渠約占57%，以農田回歸水為主的溝渠約占25%。
2 系統介紹
2.1 數據來源
項目組自2012年至2014年間，共計對環湖截污干渠周邊溝渠進行了14次現場調查，其中東岸旱季3次，雨季4次，南岸旱季2次，雨季5次，各次調查中對具備水樣監測條件的溝渠均進行了水質水量監測，在此基礎上，2017年再次對環湖截污干渠周邊溝渠進行調查并同步測量水質水量。由于2012年和2013年大部分溝渠未獲取到有效監測數據，本研究主要利用2014年和2017年雨季環湖截污干渠服務范圍內具備監測條件的69條溝渠監測數據的均值進行監測點位的布設。其中，2014年和2017年雨季調查及監測均在7月降雨時進行，主要采集降雨過程中溝渠的樣品進行水質檢測。
2.2 監控斷面優化方法
環湖截污干渠監控斷面主要包括監測斷面和遠程控制斷面兩個部分。其中，監測斷面主要用于獲取各接入點的實時水質水量數據，遠程控制斷面主要基于根據實時監測數據分析所下達的控制指令，實施環湖截污系統的水質水量調度。
由于環湖截污系統接入點眾多，需進行監測斷面的優化布設，其主要目的在于以最少的監控斷面，最小的投入，獲取最全面的、科學、合理的水質監測信息。監控斷面的優化要遵循代表性、信息量和可操作性原則。目前，用于監測斷面優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用較為廣泛的聚類分析法和物元分析法的結果來進行環湖截污干渠系統的監控斷面優化布設。
監測斷面優化的聚類分析主要是根據各斷面水質指標之間的相似度，確定不同斷面之間的親疏關系，從而明確不同類別監測斷面的監控性質。各監測斷面的聚類分析主要利用SPSS軟件進行分析。
監測斷面優化的物元分析法主要是通過建立多項指標的綜合關聯函數，根據各斷面綜合關聯函數的貼近程度，確定斷面的親近關系。本研究中利用物元分析法進行監測斷面優化主要按照以下步驟進行：①根據現場調查及采樣監測，獲取監測斷面水質數據，確定各項污染指標監測值的最大值、最小值和均值。各項指標的最小值和最大值分別構成最佳值A和最劣值B，各項指標監測值的均值構成數學期望值C。②利用數學期望值C分別與最佳值A和最劣值B構成2個標準物元矩陣，見式(1)和式(2)。③由2個標準物元矩陣構成節域物元矩陣見式（3）。④建立每一監測斷面各項污染指標對標準物元A、B的線性關聯函數，見式(4)和式(5)。⑤計算監測斷面的綜合關聯函數，見式(6)和式(7)。⑥繪制點聚圖，根據點聚圖進行監測斷面優化。
其中，M為對象；Q1…Qj…Qm為各項污染指標；a1…aj…am為各項污染指標的最佳值；b1…bj…bm為各項污染指標的最劣值；c1…cj…cm為各項污染指標的期望值。
其中，Xij為i斷面j污染指標監測值；ωj為j污染指標的權值。
2.3 環湖截污干渠監測斷面優化布設
2.3.1 基于聚類分析的監測斷面分類
主要選擇環湖截污干渠系統調查過程中具備采樣條件的69條溝渠的監測數據來進行聚類分析，選取了COD、TN、TP、NH3-N和SS等水質指標進行分析。由于各溝渠污水截流進入環湖截污干渠后最終會進入配套建設的污水處理廠進行處理，故采用《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標準對各溝渠的監測數據進行標準化處理，并按照不同渠段，利用SPSS軟件中層次聚類將各監測點數據進行層次聚類分析，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。
根據各溝渠水質的相似度，省城投段的25條溝渠可以分為3類，旅游度假區段的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。一般認為，聚類結果中聚合為一類的點可以相互替代，根據聚類分析結果，環湖截污干渠69條有效溝渠可優化為15個監測斷面。
2.3.2 基于物元分析的監測斷面分類
與聚類分析一致，本研究中同樣利用69條溝渠的5個水質指標進行了物元分析。根據各指標的監測數據獲取了各指標的最劣值B（最大值）、最優值A（最小值）及數學期望值C（均值），利用最優值A、最劣值B以及數學期望值C構建了標準物元矩陣和節域物元矩陣以及各渠段監測斷面的物元矩陣。分別建立每一個監測斷面各污染指標對標準物元的線性關聯函數，利用《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A標各污染標準值及各污染指標實測值，得到各污染物的歸一化權值，并計算各監測斷面所有指標的綜合關聯函數，以KA為縱坐標，KB為橫坐標可以繪制各渠段的各監測斷面的點聚圖，如圖1所示。
圖1 綜合關聯函數點聚圖
從圖1可以看出，各渠段的監測斷面中，除個別監測斷面外，均主要分布于第Ⅱ和第Ⅳ象限內，根據KA和KB的計算公式可以看出，KA越小于-1 時，該斷面的水質越好，而當KB越大于-1時，該斷面的水質越好。由此可以看出位于第Ⅱ象限的監測斷面水質相對較差，是截污干渠需要優先截流的污水，也是需要重點監控的斷面。位于第Ⅳ象限的監測斷面水質相對較好。根據各斷面的綜合關聯函數值，將省城投段的監測斷面分為3類，旅游度假區段的監測斷面分為3類，晉城段的監測斷面分為5類，昆陽段的監測斷面分為4類，古城段的監測斷面分為4類。
2.3.3 監測斷面綜合優化結果
根據聚類分析和物元分析能夠將環湖截污干渠系統服務范圍內的溝渠根據其水質特點進行分類，兩種分析方法所得的結果中，省城投段、旅游度假區段和昆陽段分類一致，古城段和晉城段分類結果有一定的差距。
結合各溝渠斷面的優化結果，在兼顧各來水類型的基礎上，優先選擇現狀已接入環湖截污干渠、水量大、溝渠斷面相對規則且具備在線監測系統建設的用電及網絡傳輸等要求的溝渠進行監測點位布設。綜合考慮上述因素后，最終確定的在線監測斷面共計10個（見圖2），每個渠段分別設置1個合流污水代表性監測斷面和1個面源污水代表性監測斷面。其中，省城投段、旅游度假區段、晉城段、昆陽段、古城段合流污水代表性監測斷面分別為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，具備良好的設備安裝條件。省城投段、旅游度假區段、晉城段、昆陽段、古城段面源污水代表性監測斷面分別為54#、63#、109#、140#和175#，該部分溝渠雨季主要收集農田面源污水，54#、63#臨近村莊，其余三個監測點臨近干渠控制室，均具備較好的監測設備安裝條件。
圖2 環湖截污干渠系統監控斷面分布
2.4 環湖截污干渠控制斷面優化布設
環湖截污干渠系統內溝渠眾多，對全部溝渠進行遠程調控成本較高且意義不大，應選擇具有調控意義的斷面，合理優化環湖截污系統收集的水質水量，全面發揮環湖截污系統的效能。遠程控制點主要選擇服務范圍內水量大，且有條件截入干渠的溝渠，經過優化篩選，共選擇遠程控制斷面25個，其中省城投段、旅游度假區段段、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到62%。
表1 不同分析方法斷面優化結果對比
3 滇池環湖截污干渠監控系統功能設計
滇池環湖截污干渠監控系統主要包括在線監測控制系統、傳輸系統和智能化控制平臺系統三個部分組成。滇池環湖截污干渠監控系統邏輯框圖如圖3所示。
3.1 在線監測及控制系統基本功能設計
根據環湖截污系統各溝渠的水質特征，主要選取括COD、NH3-N以及流量3項監測指標進行監測。由于環湖截污系統在降雨過程中溝渠水質水量變化較大，在線監測設備需滿足以下要求：①設備成熟、實用，能夠滿足監測系統需求且運行穩定；②能夠滿足監測所需的監測頻率和監測精度；③設備使用維護方便，運行費用低；④具有標準通信接口，能夠實現與管理系統的信息傳輸。
環湖截污系統各溝渠遠程監控點的截流調度主要依靠數控啟閉閘門的控制來實現。每個調度控制點分別在干渠沉砂池預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。閘門采用機閘一體式預制手電兩用鋼鐵閘門，閘門尺寸規格參數根據監控溝渠實際斷面尺寸設置。各閘門可根據監控平臺下發的指令單獨控制，具備三種控制方式：現場手動控制、遠程手動控制以及遠程全自動控制。
在線監測系統和實時控制閘門采用可編程控制器（PLC）接受監控平臺下達的指令，并執行現場監測、閘門啟閉等控制動作過程。
3.2 數據采集、傳輸系統基本功能設計
數據采集系統宜支持目前主流的遠程數據傳輸方法并可通過以太網進行通訊。數據傳輸可通過GPRS/4G/5G無線寬帶網或光纜的方式進行傳輸。
3.3 智能化控制平臺系統基本功能設計
環湖截污體系監控平臺系統主要用于收集各截流調度控制點實時發送的溝渠水質、水位監測數據、干渠液位系統的監測數據，通過數據分析，掌握環湖截污系統截流的水質水量情況，根據分析結果進行控制斷面的實時調度控制，并下發控制調度指令。
當單點暴雨強度較大，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。當降雨強度降低，溝渠水位下降至溝渠常水位，且干渠處于安全水位運行，接入口控制閘開啟的情況下，關閉溝渠下游斷面截流控制閘。
當干渠系統截流的雨污水較多，干渠水位超出警戒水位時，截污干渠上各截流調度控制點接入口控制閘關閉，保障干渠系統安全運行。當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度控制點接入口控制閘開啟，干渠繼續接納溝渠污水。
當隨著低濃度地表徑流的混入，代表性溝渠水質濃度達到低濃度報警界限時，相應渠段面源污水截流調度控制點溝渠下游斷面截流控制閘開啟，干渠入口控制閘關閉，保障清水順流入湖。當代表性溝渠水質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閉，干渠入口控制閘重新開啟，干渠繼續接納溝渠污水。環湖截污干渠系統具體控制方案見表2。
4 結 語
環湖截污干渠監控系統構建完成后，能夠通過優化設置的在線監測系統獲取接入溝渠的實時水質水量數據，根據智能化調度平臺的分析計算，獲取整個環湖截污干渠系統的運行情況及截流的水質水量動態狀況，通過遠程控制的閘門系統，實施環湖截污干渠系統的水質水量聯合調度，確保干渠系統能夠截流高濃度污水，減少低濃度污水對干渠調蓄容積的擠占，提升環湖截污干渠的截污效率，最大化的控制進入滇池的污染負荷。
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