滇池案例：环湖截污干渠监控系统设计
导 读：针对滇池环湖截污干渠系统接入口众多、截流污水类型复杂、截流管理难度大的问题，进行环湖截污干渠监控系统设计研究。采用聚类分析和物元分析方法，对环湖截污干渠系统内69个沟渠监测断面进行优化选择，确定了10个具有代表性的沟渠监测断面进行环湖截污干渠系统在线监测断面的设置；结合现场调查及各沟渠的水质水量情况，确定了25个远程控制断面；结合环湖截污干渠的实际情况，进行在线监测和实时控制系统、传输系统和智能化控制平台系统的主要功能设计。
1 滇池环湖截污干渠系统概况
滇池环湖截污干渠工程主要包括东岸干渠工程和南岸干渠工程，东岸干渠全长16.72 km，南岸干渠全长22.73 km，截污干渠采用两箱形式，分别截流污水和混合污水或初期雨水。环湖截污干渠共分为5段，其中东岸干渠分为省城投段和旅游度假区段，南岸干渠分为晋城段、昆阳段和古城段。滇池环湖截污干渠服务范围内共计有200条沟渠，根据现场调查结果，有131条沟渠处于断流或滞水的状态，不纳入本次监控系统构建的范围内，其余沟渠结合其周边土地利用类型及水质水量监测结果，可以分为农村生活污水、农业面源废水、农田回归水等3个主要类型，其中以生活污水为主的沟渠约占17%，以农业面源污水为主的沟渠约占57%，以农田回归水为主的沟渠约占25%。
2 系统介绍
2.1 数据来源
项目组自2012年至2014年间，共计对环湖截污干渠周边沟渠进行了14次现场调查，其中东岸旱季3次，雨季4次，南岸旱季2次，雨季5次，各次调查中对具备水样监测条件的沟渠均进行了水质水量监测，在此基础上，2017年再次对环湖截污干渠周边沟渠进行调查并同步测量水质水量。由于2012年和2013年大部分沟渠未获取到有效监测数据，本研究主要利用2014年和2017年雨季环湖截污干渠服务范围内具备监测条件的69条沟渠监测数据的均值进行监测点位的布设。其中，2014年和2017年雨季调查及监测均在7月降雨时进行，主要采集降雨过程中沟渠的样品进行水质检测。
2.2 监控断面优化方法
环湖截污干渠监控断面主要包括监测断面和远程控制断面两个部分。其中，监测断面主要用于获取各接入点的实时水质水量数据，远程控制断面主要基于根据实时监测数据分析所下达的控制指令，实施环湖截污系统的水质水量调度。
由于环湖截污系统接入点众多，需进行监测断面的优化布设，其主要目的在于以最少的监控断面，最小的投入，获取最全面的、科学、合理的水质监测信息。监控断面的优化要遵循代表性、信息量和可操作性原则。目前，用于监测断面优化的方法主要包括聚类分析法、均值偏差法、物元分析法、贴近度法、主成分分析法等。本研究中综合了目前应用较为广泛的聚类分析法和物元分析法的结果来进行环湖截污干渠系统的监控断面优化布设。
监测断面优化的聚类分析主要是根据各断面水质指标之间的相似度，确定不同断面之间的亲疏关系，从而明确不同类别监测断面的监控性质。各监测断面的聚类分析主要利用SPSS软件进行分析。
监测断面优化的物元分析法主要是通过建立多项指标的综合关联函数，根据各断面综合关联函数的贴近程度，确定断面的亲近关系。本研究中利用物元分析法进行监测断面优化主要按照以下步骤进行：①根据现场调查及采样监测，获取监测断面水质数据，确定各项污染指标监测值的最大值、最小值和均值。各项指标的最小值和最大值分别构成最佳值A和最劣值B，各项指标监测值的均值构成数学期望值C。②利用数学期望值C分别与最佳值A和最劣值B构成2个标准物元矩阵，见式(1)和式(2)。③由2个标准物元矩阵构成节域物元矩阵见式（3）。④建立每一监测断面各项污染指标对标准物元A、B的线性关联函数，见式(4)和式(5)。⑤计算监测断面的综合关联函数，见式(6)和式(7)。⑥绘制点聚图，根据点聚图进行监测断面优化。
其中，M为对象；Q1…Qj…Qm为各项污染指标；a1…aj…am为各项污染指标的最佳值；b1…bj…bm为各项污染指标的最劣值；c1…cj…cm为各项污染指标的期望值。
其中，Xij为i断面j污染指标监测值；ωj为j污染指标的权值。
2.3 环湖截污干渠监测断面优化布设
2.3.1 基于聚类分析的监测断面分类
主要选择环湖截污干渠系统调查过程中具备采样条件的69条沟渠的监测数据来进行聚类分析，选取了COD、TN、TP、NH3-N和SS等水质指标进行分析。由于各沟渠污水截流进入环湖截污干渠后最终会进入配套建设的污水处理厂进行处理，故采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准对各沟渠的监测数据进行标准化处理，并按照不同渠段，利用SPSS软件中层次聚类将各监测点数据进行层次聚类分析，聚类方式选择组间平均连接法，距离测量选择欧式距离平方。
根据各沟渠水质的相似度，省城投段的25条沟渠可以分为3类，旅游度假区段的4条沟渠可以分为3类，晋城段的23条沟渠可以分为4类，昆阳段的4条沟渠可以分为3类，古城段的13条沟渠可以分为2类。一般认为，聚类结果中聚合为一类的点可以相互替代，根据聚类分析结果，环湖截污干渠69条有效沟渠可优化为15个监测断面。
2.3.2 基于物元分析的监测断面分类
与聚类分析一致，本研究中同样利用69条沟渠的5个水质指标进行了物元分析。根据各指标的监测数据获取了各指标的最劣值B（最大值）、最优值A（最小值）及数学期望值C（均值），利用最优值A、最劣值B以及数学期望值C构建了标准物元矩阵和节域物元矩阵以及各渠段监测断面的物元矩阵。分别建立每一个监测断面各污染指标对标准物元的线性关联函数，利用《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标各污染标准值及各污染指标实测值，得到各污染物的归一化权值，并计算各监测断面所有指标的综合关联函数，以KA为纵坐标，KB为横坐标可以绘制各渠段的各监测断面的点聚图，如图1所示。
图1 综合关联函数点聚图
从图1可以看出，各渠段的监测断面中，除个别监测断面外，均主要分布于第Ⅱ和第Ⅳ象限内，根据KA和KB的计算公式可以看出，KA越小于-1 时，该断面的水质越好，而当KB越大于-1时，该断面的水质越好。由此可以看出位于第Ⅱ象限的监测断面水质相对较差，是截污干渠需要优先截流的污水，也是需要重点监控的断面。位于第Ⅳ象限的监测断面水质相对较好。根据各断面的综合关联函数值，将省城投段的监测断面分为3类，旅游度假区段的监测断面分为3类，晋城段的监测断面分为5类，昆阳段的监测断面分为4类，古城段的监测断面分为4类。
2.3.3 监测断面综合优化结果
根据聚类分析和物元分析能够将环湖截污干渠系统服务范围内的沟渠根据其水质特点进行分类，两种分析方法所得的结果中，省城投段、旅游度假区段和昆阳段分类一致，古城段和晋城段分类结果有一定的差距。
结合各沟渠断面的优化结果，在兼顾各来水类型的基础上，优先选择现状已接入环湖截污干渠、水量大、沟渠断面相对规则且具备在线监测系统建设的用电及网络传输等要求的沟渠进行监测点位布设。综合考虑上述因素后，最终确定的在线监测断面共计10个（见图2），每个渠段分别设置1个合流污水代表性监测断面和1个面源污水代表性监测断面。其中，省城投段、旅游度假区段、晋城段、昆阳段、古城段合流污水代表性监测断面分别为35#、81#、100#、139#和156#，该部分沟渠上游均分布有大量村庄，雨季沟渠来水以合流污水为主且水量较大，各沟渠多穿村而过，具备良好的设备安装条件。省城投段、旅游度假区段、晋城段、昆阳段、古城段面源污水代表性监测断面分别为54#、63#、109#、140#和175#，该部分沟渠雨季主要收集农田面源污水，54#、63#临近村庄，其余三个监测点临近干渠控制室，均具备较好的监测设备安装条件。
图2 环湖截污干渠系统监控断面分布
2.4 环湖截污干渠控制断面优化布设
环湖截污干渠系统内沟渠众多，对全部沟渠进行远程调控成本较高且意义不大，应选择具有调控意义的断面，合理优化环湖截污系统收集的水质水量，全面发挥环湖截污系统的效能。远程控制点主要选择服务范围内水量大，且有条件截入干渠的沟渠，经过优化筛选，共选择远程控制断面25个，其中省城投段、旅游度假区段段、晋城段、昆阳段均选择雨季平均流量大于3 000m³/d，且具备接入条件的沟渠，沟渠径流控制率可分别达到65%、97%、66%、98%；昆阳段水量较分散，选择雨季平均流量大于2 000m³/d，且具备接入条件的沟渠，沟渠径流控制率可达到62%。
表1 不同分析方法断面优化结果对比
3 滇池环湖截污干渠监控系统功能设计
滇池环湖截污干渠监控系统主要包括在线监测控制系统、传输系统和智能化控制平台系统三个部分组成。滇池环湖截污干渠监控系统逻辑框图如图3所示。
3.1 在线监测及控制系统基本功能设计
根据环湖截污系统各沟渠的水质特征，主要选取括COD、NH3-N以及流量3项监测指标进行监测。由于环湖截污系统在降雨过程中沟渠水质水量变化较大，在线监测设备需满足以下要求：①设备成熟、实用，能够满足监测系统需求且运行稳定；②能够满足监测所需的监测频率和监测精度；③设备使用维护方便，运行费用低；④具有标准通信接口，能够实现与管理系统的信息传输。
环湖截污系统各沟渠远程监控点的截流调度主要依靠数控启闭闸门的控制来实现。每个调度控制点分别在干渠沉砂池预留接口位置和沉砂池下游沟渠断面位置安装一套启闭闸门，分别用于控制环湖截污干渠对沟渠污水的截流和沟渠向滇池湖体的排放。闸门采用机闸一体式预制手电两用钢铁闸门，闸门尺寸规格参数根据监控沟渠实际断面尺寸设置。各闸门可根据监控平台下发的指令单独控制，具备三种控制方式：现场手动控制、远程手动控制以及远程全自动控制。
在线监测系统和实时控制闸门采用可编程控制器（PLC）接受监控平台下达的指令，并执行现场监测、闸门启闭等控制动作过程。
3.2 数据采集、传输系统基本功能设计
数据采集系统宜支持目前主流的远程数据传输方法并可通过以太网进行通讯。数据传输可通过GPRS/4G/5G无线宽带网或光缆的方式进行传输。
3.3 智能化控制平台系统基本功能设计
环湖截污体系监控平台系统主要用于收集各截流调度控制点实时发送的沟渠水质、水位监测数据、干渠液位系统的监测数据，通过数据分析，掌握环湖截污系统截流的水质水量情况，根据分析结果进行控制断面的实时调度控制，并下发控制调度指令。
当单点暴雨强度较大，沟渠水位超出警戒水位时，沟渠下游断面截流控制闸开启，保障沟渠排洪安全。当降雨强度降低，沟渠水位下降至沟渠常水位，且干渠处于安全水位运行，接入口控制闸开启的情况下，关闭沟渠下游断面截流控制闸。
当干渠系统截流的雨污水较多，干渠水位超出警戒水位时，截污干渠上各截流调度控制点接入口控制闸关闭，保障干渠系统安全运行。当干渠水位降低至警戒水位线80%的情况下，截污干渠上各截流调度控制点接入口控制闸开启，干渠继续接纳沟渠污水。
当随着低浓度地表径流的混入，代表性沟渠水质浓度达到低浓度报警界限时，相应渠段面源污水截流调度控制点沟渠下游断面截流控制闸开启，干渠入口控制闸关闭，保障清水顺流入湖。当代表性沟渠水质浓度高于低浓度报警界限，且沟渠、干渠水位均处于安全水位以下时，沟渠下游断面截流控制闸重新关闭，干渠入口控制闸重新开启，干渠继续接纳沟渠污水。环湖截污干渠系统具体控制方案见表2。
4 结 语
环湖截污干渠监控系统构建完成后，能够通过优化设置的在线监测系统获取接入沟渠的实时水质水量数据，根据智能化调度平台的分析计算，获取整个环湖截污干渠系统的运行情况及截流的水质水量动态状况，通过远程控制的闸门系统，实施环湖截污干渠系统的水质水量联合调度，确保干渠系统能够截流高浓度污水，减少低浓度污水对干渠调蓄容积的挤占，提升环湖截污干渠的截污效率，最大化的控制进入滇池的污染负荷。