滇池案例:环湖截污干渠监控系统设计

导 阅读:针对滇池环湖截污干渠系统接入口多、截流污水类型复杂、截流管理难度大的问题，设计研究了环湖截污干渠监测系统。采用聚类分析和物理元分析方法，优化选择环湖截污干渠系统中69个沟渠监测段，确定10个具有代表性的沟渠监测段，设置环湖截污干渠系统在线监测段；结合现场调查和各沟渠水质水量，确定25个远程控制段；结合环湖截污干渠的实际情况，设计在线监控和实时控制系统、传输系统和智能控制平台系统。

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。.72 km，南岸干渠全长22.73 km，截流污水、混合污水或初期雨水采用两箱形式。环湖截污干渠分为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有200条沟渠。根据现场调查结果，131条沟渠处于断流或滞水状态，不包括在监测系统建设范围内。其他沟渠可分为农村生活污水、农业面源废水、农田回归水三大类，其中约17%是生活污水。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

自2012年至2014年以来，项目组对环湖截污干渠周边沟渠进行了14次现场调查，包括东岸旱季3次、雨季4次、南岸旱季2次、雨季5次。在此基础上，2017年再次对环湖截污干渠周边沟渠进行调查，同时测量水质和水量。由于2012年和2013年大部分沟渠未获得有效监测数据，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69个沟渠监测数据的平均值进行监测点布置。其中，7月降雨时进行了2014年和2017年雨季的调查和监测，主要采集降雨过程中沟渠样品进行水质检测。

2.2 监控断面优化方法

环湖截污干渠监测截面主要包括监测截面和远程控制截面。其中，监测截面主要用于获取各接入点的实时水质和水量数据，远程控制截面主要基于实时监测数据分析发布的控制指令，实施环湖截污系统的水质和水量调度。

由于环湖截污系统接入点多，需要优化监测截面的布置，其主要目的是获得全面、科学、合理的水质监测信息，监测截面少，投资少。监控截面的优化应遵循代表性、信息量和可操作性的原则。目前，监测断面优化的方法主要包括聚类分析、平均偏差、物元分析、接近度、主成分分析等。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。

监测截面优化的聚类分析主要是根据各截面水质指标的相似性确定不同截面之间的亲密关系，从而明确不同类别监测截面的监测性质。主要利用各监测截面的聚类分析SPSS分析软件。

监测截面优化的物元分析方法主要是根据各截面综合关联函数的接近程度，建立多个指标的综合关联函数。本研究主要采用物元分析法进行监测断面优化：①根据现场调查和采样监测，获取监测段水质数据，确定各污染指标监测值的值、小值和平均值。每个指标的小值和值分别构成值A和值B，各指标监测值的平均值构成数学期望值C。②两个标准物元矩阵由数学期望值C和值A和值B组成，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建立每个监测截面的污染指标A、B见式(4)和式(5)的线性关联函数。⑤见式(6)和式(7)计算监测截面的综合关联函数。⑥绘制点聚图，根据点聚图优化监控截面。

其中，M为对象；Q1…Qj…Qm各种污染指标；a1…aj…am各种污染指标的值；b1…bj…bm各种污染指标的值；c1…cj…cm为各项污染指标的期望值。

其中，Xij监测断面j污染指标监测值；ωj是j污染指标的权值。

2.3 环湖截污干渠监测段优化布局

2.3.1 基于聚类分析的监测断面分类

在环湖截污干渠系统调查过程中，主要选择69条具有采样条件的沟渠监测数据进行聚类分析COD、TN、TP、NH3-N和SS分析水质指标。由于各沟污水截流进入环湖截污干渠后，终进入配套建设的污水处理厂进行处理，采用《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002)一级A标准化各沟渠监测数据，并根据不同渠道使用SPSS软件中层次聚类分析各监测点的数据，选择组间平均连接法，选择欧式距离平方进行距离测量。

根据各沟渠水质的相似性，省会投资段25条沟渠可分为3类，旅游度假区4条沟渠可分为3类，晋城段23条沟渠可分为4类，昆阳段4条沟渠可分为3类，古城段13条沟渠可分为2类。一般认为，聚类结果中聚合的点可以相互替代。根据聚类分析结果，环湖截污干渠69条有效沟可优化为15个监测截面。

2.3.2 基于物元分析的监测断面分类

与聚类分析一致，本研究还利用69条沟渠的5个水质指标进行物元分析。根据各指标的监测数据获得各指标的值B(值)，值A(小值)和数学期望值C(均值)A、值B和数学期望值C构建了标准物元矩阵、节域物元矩阵和各渠道监测截面的物元矩阵。利用《城市污水处理厂污染物排放标准》，建立各监测段污染指标对标准物元的线性关联函数（GB 18918-2002)一级A标各污染标准值及各污染指标实测值，获得各污染物归一化权值，计算各监测段各指标综合相关函数KA为纵坐标，KB可为横坐标绘制各渠段各监测截面的点聚图，如图1所示。

图1 综合关联函数点聚图

从图1可以看出，除个别监测截面外，各渠段的监测截面主要分布在位Ⅱ和第Ⅳ在象限内，根据KA和KB从计算公式可以看出，KA越小于-1 截面水质越好，当KB越大于-1时，该断面的水质越好。可见位于第Ⅱ象限监测截面水质较差，是截污干渠需要优先截流的污水，也是需要重点监测的截面。位于第Ⅳ象限监测截面水质较好。根据各段综合相关函数值，省会投资段监测段分为三类，旅游度假区监测段分为三类，晋城段监测段分为五类，昆阳段监测段分为四类，古城段监测段分为四类。

2.3.3 监测断面综合优化结果

根据聚类分析和物质元素分析，可根据其水质特点对环湖截污干渠系统服务范围内的沟渠进行分类。在两种分析方法获得的结果中，省会投资段、旅游度假区段和昆阳段分类相同，古城段和晋城段分类结果存在一定差距。

结合各沟段的优化结果，在考虑各供水类型的基础上，优先安排已接入湖泊截污干渠、水量大、沟段相对规则、具有在线监测系统建设用电和网络传输要求的沟段。综合考虑上述因素后，共确定10个在线监测截面（见图2），每个渠道设置1个合流污水代表性监测截面和1个面源污水代表性监测截面。其中，省城投资段、旅游度假区段、晋城段、昆阳段、古城段合流污水代表性监测截面分别为35#、81#、100#、139#和156#。这部分沟渠上游分布着大量村庄。雨季沟渠来水以合流污水为主，水量大。省4#、63#、109#、140#、175#是省城投资段、旅游度假区段、晋城段、昆阳段、古城段面源污水的代表性监测截面。这部分沟渠雨季主要收集农田面源污水，54#、63#靠近村庄，其余三个监测点靠近干渠控制室，监测设备安装条件好。

图2 环湖截污干渠系统监控截面分布

2.4 环湖截污干渠控制段优化布局

环湖截污干渠系统内沟较多，远程调控成本高，意义不大。选择具有调控意义的截面，合理优化环湖截污系统收集的水质和水量，充分发挥环湖截污系统的效率。远程控制点主要选择服务范围内水量大、有条件截入干渠的沟渠。经过优化筛选，共有25个远程控制段，其中省会投资段、旅游度假区段、晋城段、昆阳段雨季平均流量大于3 000m3/d，沟渠径流控制率可分别达到65%、97%、66%、98%；昆阳段水量分散，雨季平均流量大于2 000m3/d，沟渠径流控制率可达62%，具备接入条件。

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测系统主要包括在线监测控制系统、传输系统和智能控制平台系统。滇池环湖截污干渠监测系统逻辑框图如图3所示。

3.1 在线监控系统基本功能设计

根据环湖截污系统各沟渠的水质特点，主要选择包括COD、NH3-N监测三个流量监测指标。在线监测设备应满足以下要求：①设备成熟实用，能满足监控系统的需要，运行稳定；②能满足监测所需的监测频率和精度；③设备使用维护方便，运行成本低；④具有标准通信接口，可实现与管理系统的信息传输。

环湖截污系统各沟渠远程监测点的截流调度主要依靠数控开闭闸门的控制。每个调度控制点在干渠沉砂池预留接口位置和沉砂池下游沟段位置安装一套开闭闸门，用于控制环湖污水截流和滇池湖排放。闸门采用机闸一体式预制手电筒钢闸门，闸门尺寸规格参数根据监控沟实际截面尺寸设置。根据监控平台监控平台发布的指令单独控制，有三种控制方法：现场手动控制、远程手动控制和远程自动控制。

可编程控制器用于在线监控系统和实时控制门（PLC）接受监控平台下达的指令，实施现场监控、闸门开关等控制动作。

3.2 数据采集、传输系统基本功能设计

数据采集系统应通过以太网支持当前主流的远程数据传输方太网通信。数据传输可以通过GPRS/4G/5G传输无线宽带网或光缆。

3.3 智能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。

当单点暴雨强度大，沟水位超过警告水位时，打开沟下游截面截流控制门，确保沟排洪安全。当降雨强度降低时，沟水位降至沟通常水位，干渠在安全水位运行。当接入控制门打开时，关闭下游截面截流控制门。

当干渠系统截流雨污水较多，干渠水位超过警戒水位时，截流调度控制点接入控制门关闭，保证干渠系统安全运行。当干渠水位降至警戒水位线80%时，截流调度控制点接入控制门开启，干渠继续接受沟渠污水。

当低浓度地表径流混合，代表沟水质浓度达到低浓度报警边界时，相应渠段下游截流控制门打开，干渠入口控制门关闭，确保水流入湖泊。当代表性沟渠水质浓度高于低浓度报警边界，沟渠和干渠水位低于安全水位时，下游截面截流控制门重新关闭，干渠入口控制门重新开启，干渠继续接受沟渠污水。环湖截污干渠系统具体控制方案见表2。

4 结 语

环湖截污干渠监测系统建成后，可通过优化设置的在线监测系统获取接入沟渠的实时水质和水量数据。根据智能调度平台的分析计算，可以获得整个环湖截污干渠系统的运行情况和截流水质和水量的动态状态。减少低浓度污水对干渠储存容积的挤压，提高环湖截污干渠的截污效率，限度地控制进入滇池的污染负荷。

来源：给水排水

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