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

———滇池案例：環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)讀：針對(duì)滇池環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)接入口眾多、截流污水類(lèi)型簡(jiǎn)單、截流管理難度大的問(wèn)題，進(jìn)行環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)討論。采納聚類(lèi)分析和物元分析方法，對(duì)環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)內(nèi)69個(gè)溝渠監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定了10個(gè)具有代表性的溝渠監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及各溝渠的水質(zhì)水量狀況，確定了25個(gè)遠(yuǎn)程掌握斷面；結(jié)合環(huán)湖截污干渠的實(shí)際狀況，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和智能化掌握平臺(tái)系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)。

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(zhǎng)16.72km，南岸干渠全長(zhǎng)22.73km，截污干渠采納兩箱形式，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(yáng)段和古城段。滇池環(huán)湖截污干渠服務(wù)范圍內(nèi)共計(jì)有200條溝渠，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)型及水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)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(gè)主要類(lèi)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(lái)源

項(xiàng)目組自2022年至2022年間，共計(jì)對(duì)環(huán)湖截污干渠周邊溝渠進(jìn)行了14次現(xiàn)場(chǎng)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(duì)具備水樣監(jiān)測(cè)條件的溝渠均進(jìn)行了水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，2022年再次對(duì)環(huán)湖截污干渠周邊溝渠進(jìn)行調(diào)查并同步測(cè)量水質(zhì)水量。由于2022年和2022年大部分溝渠未獵取到有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本討論主要利用2022年和2022年雨季環(huán)湖截污干渠服務(wù)范圍內(nèi)具備監(jiān)測(cè)條件的69條溝渠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)。其中，2022年和2022年雨季調(diào)查及監(jiān)測(cè)均在7月降雨時(shí)進(jìn)行，主要采集降雨過(guò)程中溝渠的樣品進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。

2.2監(jiān)控?cái)嗝鎯?yōu)化方法

環(huán)湖截污干渠監(jiān)控?cái)嗝嬷饕ūO(jiān)測(cè)斷面和遠(yuǎn)程掌握斷面兩個(gè)部分。其中，監(jiān)測(cè)斷面主要用于獵取各接入點(diǎn)的實(shí)時(shí)水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程掌握斷面主要基于依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析所下達(dá)的掌握指令，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(cè)斷面的優(yōu)化布設(shè)，其主要目的在于以最少的監(jiān)控?cái)嗝?，最小的投入，獵取最全面的、科學(xué)、合理的水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息。監(jiān)控?cái)嗝娴膬?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(cè)斷面優(yōu)化的方法主要包括聚類(lèi)分析法、均值偏差法、物元分析法、貼近度法、主成分分析法等。本討論中綜合了目前應(yīng)用較為廣泛的聚類(lèi)分析法和物元分析法的結(jié)果來(lái)進(jìn)行環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)嗝鎯?yōu)化布設(shè)。

監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化的聚類(lèi)分析主要是依據(jù)各斷面水質(zhì)指標(biāo)之間的相像度，確定不同斷面之間的親疏關(guān)系，從而明確不同類(lèi)別監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)控性質(zhì)。各監(jiān)測(cè)斷面的聚類(lèi)分析主要利用SPSS軟件進(jìn)行分析。

監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化的物元分析法主要是通過(guò)建立多項(xiàng)指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，依據(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。本討論中利用物元分析法進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化主要根據(jù)以下步驟進(jìn)行：①依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及采樣監(jiān)測(cè)，獵取監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)，確定各項(xiàng)污染指標(biāo)監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣，見(jiàn)式(1)和式(2)。③由2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣構(gòu)成節(jié)域物元矩陣見(jiàn)式（3）。④建立每一監(jiān)測(cè)斷面各項(xiàng)污染指標(biāo)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物元A、B的線性關(guān)聯(lián)函數(shù)，見(jiàn)式(4)和式(5)。⑤計(jì)算監(jiān)測(cè)斷面的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，見(jiàn)式(6)和式(7)。⑥繪制點(diǎn)聚圖，依據(jù)點(diǎn)聚圖進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化。

其中，M為對(duì)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(cè)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(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)

2.3.1基于聚類(lèi)分析的監(jiān)測(cè)斷面分類(lèi)

主要選擇環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)調(diào)查過(guò)程中具備采樣條件的69條溝渠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行聚類(lèi)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(huì)進(jìn)入配套建設(shè)的污水處理廠進(jìn)行處理，故采納《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2022）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各溝渠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并根據(jù)不同渠段，利用SPSS軟件中層次聚類(lèi)將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行層次聚類(lèi)分析，聚類(lèi)方式選擇組間平均連接法，距離測(cè)量選擇歐式距離平方。

依據(jù)各溝渠水質(zhì)的相像度，省城投段的25條溝渠可以分為3類(lèi)，旅游度假區(qū)段的4條溝渠可以分為3類(lèi)，晉城段的23條溝渠可以分為4類(lèi)，昆陽(yáng)段的4條溝渠可以分為3類(lèi)，古城段的13條溝渠可以分為2類(lèi)。一般認(rèn)為，聚類(lèi)結(jié)果中聚合為一類(lèi)的點(diǎn)可以相互替代，依據(jù)聚類(lèi)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(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

2.3.2基于物元分析的監(jiān)測(cè)斷面分類(lèi)

與聚類(lèi)分析全都，本討論中同樣利用69條溝渠的5個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了物元分析。依據(jù)各指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獵取了各指標(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(cè)斷面的物元矩陣。分別建立每一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各污染指標(biāo)對(duì)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)》（GB18918-2022）一級(jí)A標(biāo)各污染標(biāo)準(zhǔn)值及各污染指標(biāo)實(shí)測(cè)值，得到各污染物的歸一化權(quán)值，并計(jì)算各監(jiān)測(cè)斷面全部指標(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(cè)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(cè)斷面中，除個(gè)別監(jiān)測(cè)斷面外，均主要分布于第Ⅱ和第Ⅳ象限內(nèi)，依據(jù)KA和KB的計(jì)算公式可以看出，KA越小于-1時(shí)，該斷面的水質(zhì)越好，而當(dāng)KB越大于-1時(shí)，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(cè)斷面水質(zhì)相對(duì)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(cè)斷面水質(zhì)相對(duì)較好。依據(jù)各斷面的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)值，將省城投段的監(jiān)測(cè)斷面分為3類(lèi)，旅游度假區(qū)段的監(jiān)測(cè)斷面分為3類(lèi)，晉城段的監(jiān)測(cè)斷面分為5類(lèi)，昆陽(yáng)段的監(jiān)測(cè)斷面分為4類(lèi)，古城段的監(jiān)測(cè)斷面分為4類(lèi)。

2.3.3監(jiān)測(cè)斷面綜合優(yōu)化結(jié)果

依據(jù)聚類(lèi)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)的溝渠依據(jù)其水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，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(yáng)段分類(lèi)全都，古城段和晉城段分類(lèi)結(jié)果有肯定的差距。

結(jié)合各溝渠斷面的優(yōu)化結(jié)果，在兼顧各來(lái)水類(lèi)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(duì)規(guī)章且具備在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)斷面共計(jì)10個(gè)（見(jiàn)圖2），每個(gè)渠段分別設(shè)置1個(gè)合流污水代表性監(jiān)測(cè)斷面和1個(gè)面源污水代表性監(jiān)測(cè)斷面。其中，省城投段、旅游度假區(qū)段、晉城段、昆陽(yáng)段、古城段合流污水代表性監(jiān)測(cè)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(lái)水以合流污水為主且水量較大，各溝渠多穿村而過(guò)，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(yáng)段、古城段面源污水代表性監(jiān)測(cè)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#接近村莊，其余三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接近干渠掌握室，均具備較好的監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝條件。

圖2環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)監(jiān)控?cái)嗝娣植?/p>

2.4環(huán)湖截污干渠掌握斷面優(yōu)化布設(shè)

環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)內(nèi)溝渠眾多，對(duì)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)程掌握點(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(guò)優(yōu)化篩選，共選擇遠(yuǎn)程掌握斷面25個(gè)，其中省城投段、旅游度假區(qū)段段、晉城段、昆陽(yáng)段均選擇雨季平均流量大于3000m3/d，且具備接入條件的溝渠，溝渠徑流掌握率可分別達(dá)到65%、97%、66%、98%；昆陽(yáng)段水量較分散，選擇雨季平均流量大于2000m3/d，且具備接入條件的溝渠，溝渠徑流掌握率可達(dá)到62%。

表1不同分析方法斷面優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

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

滇池環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)主要包括在線監(jiān)測(cè)掌握系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和智能化掌握平臺(tái)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。滇池環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)律框圖如圖3所示。

3.1在線監(jiān)測(cè)及掌握系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

依據(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(cè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于環(huán)湖截污系統(tǒng)在降雨過(guò)程中溝渠水質(zhì)水量變化較大，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備需滿意以下要求：①設(shè)備成熟、有用，能夠滿意監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求且運(yùn)行穩(wěn)定；②能夠滿意監(jiān)測(cè)所需的監(jiān)測(cè)頻率和監(jiān)測(cè)精度；③設(shè)備使用維護(hù)便利，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(mén)的掌握來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)調(diào)度掌握點(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(mén)，分別用于掌握環(huán)湖截污干渠對(duì)溝渠污水的截流和溝渠向滇池湖體的排放。閘門(mén)采納機(jī)閘一體式預(yù)制手電兩用鋼鐵閘門(mén)，閘門(mén)尺寸規(guī)格參數(shù)依據(jù)監(jiān)控溝渠實(shí)際斷面尺寸設(shè)置。各閘門(mén)可依據(jù)監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)的指令單獨(dú)掌握，具備三種掌握方式：現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)掌握、遠(yuǎn)程手動(dòng)掌握以及遠(yuǎn)程全自動(dòng)掌握。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)掌握閘門(mén)采納可編程掌握器（PLC）接受監(jiān)控平臺(tái)下達(dá)的指令，并執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、閘門(mén)啟閉等掌握動(dòng)作過(guò)程。

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

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(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。數(shù)據(jù)傳輸可通過(guò)GPRS/4G/5G無(wú)線寬帶網(wǎng)或光纜的方式進(jìn)行傳輸。

3.3智能化掌握平臺(tái)系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

環(huán)湖截污體系監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)主要用于收集各截流調(diào)度掌握點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)送的溝渠水質(zhì)、水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、干渠液位系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，把握環(huán)湖截污系統(tǒng)截流的水質(zhì)水量狀況，依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行掌握斷面的實(shí)時(shí)調(diào)度掌握，并下發(fā)掌握調(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(shí)，溝渠下游斷面截流掌握閘開(kāi)啟，保障溝渠排洪平安。當(dāng)降雨強(qiáng)度降低，溝渠水位下降至溝渠常水位，且干渠處于平安水位運(yùn)行，接入口掌握閘開(kāi)啟的狀況下，關(guān)閉溝渠下游斷面截流掌握閘。

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(shí)，截污干渠上各截流調(diào)度掌握點(diǎn)接入口掌握閘關(guān)閉，保障干渠系統(tǒng)平安運(yùn)行。當(dāng)干渠水位降低至警戒水位線80%的狀況下，截污干渠上各截流調(diào)度掌握點(diǎn)接入口掌握閘開(kāi)啟，干渠連續(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(bào)警界限時(shí)，相應(yīng)渠段面源污水截流調(diào)度掌握點(diǎn)溝渠下游斷面截流掌握閘開(kāi)啟，干渠入口掌握閘關(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(bào)警界限，且溝渠、干渠水位均處于平安水位以下時(shí)，溝渠下游斷面截流掌握閘重新關(guān)閉，干渠入口掌握閘重新開(kāi)啟，干渠連續(xù)接納溝渠污水。環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)詳細(xì)掌握方案見(jiàn)表2。

4結(jié)語(yǔ)

環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建完成后，能夠通過(guò)優(yōu)化設(shè)置的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獵取接入溝渠的實(shí)時(shí)水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，依據(jù)智能化調(diào)度平臺(tái)的分析計(jì)算，獵取整個(gè)環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及截流的水質(zhì)水量動(dòng)態(tài)狀況，通過(guò)遠(yuǎn)程掌握的閘門(mén)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，削減低濃度污水對(duì)干渠調(diào)蓄容積的擠占，提升環(huán)湖截污干渠的截污效率，最大化的掌握進(jìn)入滇池的污染負(fù)荷。

導(dǎo)讀：針對(duì)滇池環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)接入口眾多、截流污水類(lèi)型簡(jiǎn)單、截流管理難度大的問(wèn)題，進(jìn)行環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)討論。采納聚類(lèi)分析和物元分析方法，對(duì)環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)內(nèi)69個(gè)溝渠監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定了10個(gè)具有代表性的溝渠監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及各溝渠的水質(zhì)水量狀況，確定了25個(gè)遠(yuǎn)程掌握斷面；結(jié)合環(huán)湖截污干渠的實(shí)際狀況，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和智能化掌握平臺(tái)系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)。

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(zhǎng)16.72km，南岸干渠全長(zhǎng)22.73km，截污干渠采納兩箱形式，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(yáng)段和古城段。滇池環(huán)湖截污干渠服務(wù)范圍內(nèi)共計(jì)有200條溝渠，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)型及水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)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(gè)主要類(lèi)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(lái)源

項(xiàng)目組自2022年至2022年間，共計(jì)對(duì)環(huán)湖截污干渠周邊溝渠進(jìn)行了14次現(xiàn)場(chǎng)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(duì)具備水樣監(jiān)測(cè)條件的溝渠均進(jìn)行了水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，2022年再次對(duì)環(huán)湖截污干渠周邊溝渠進(jìn)行調(diào)查并同步測(cè)量水質(zhì)水量。由于2022年和2022年大部分溝渠未獵取到有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本討論主要利用2022年和2022年雨季環(huán)湖截污干渠服務(wù)范圍內(nèi)具備監(jiān)測(cè)條件的69條溝渠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布設(shè)。其中，2022年和2022年雨季調(diào)查及監(jiān)測(cè)均在7月降雨時(shí)進(jìn)行，主要采集降雨過(guò)程中溝渠的樣品進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。

2.2監(jiān)控?cái)嗝鎯?yōu)化方法

環(huán)湖截污干渠監(jiān)控?cái)嗝嬷饕ūO(jiān)測(cè)斷面和遠(yuǎn)程掌握斷面兩個(gè)部分。其中，監(jiān)測(cè)斷面主要用于獵取各接入點(diǎn)的實(shí)時(shí)水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程掌握斷面主要基于依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析所下達(dá)的掌握指令，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(cè)斷面的優(yōu)化布設(shè)，其主要目的在于以最少的監(jiān)控?cái)嗝?，最小的投入，獵取最全面的、科學(xué)、合理的水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息。監(jiān)控?cái)嗝娴膬?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(cè)斷面優(yōu)化的方法主要包括聚類(lèi)分析法、均值偏差法、物元分析法、貼近度法、主成分分析法等。本討論中綜合了目前應(yīng)用較為廣泛的聚類(lèi)分析法和物元分析法的結(jié)果來(lái)進(jìn)行環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)嗝鎯?yōu)化布設(shè)。

監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化的聚類(lèi)分析主要是依據(jù)各斷面水質(zhì)指標(biāo)之間的相像度，確定不同斷面之間的親疏關(guān)系，從而明確不同類(lèi)別監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)控性質(zhì)。各監(jiān)測(cè)斷面的聚類(lèi)分析主要利用SPSS軟件進(jìn)行分析。

監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化的物元分析法主要是通過(guò)建立多項(xiàng)指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，依據(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。本討論中利用物元分析法進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化主要根據(jù)以下步驟進(jìn)行：①依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及采樣監(jiān)測(cè)，獵取監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)，確定各項(xiàng)污染指標(biāo)監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣，見(jiàn)式(1)和式(2)。③由2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣構(gòu)成節(jié)域物元矩陣見(jiàn)式（3）。④建立每一監(jiān)測(cè)斷面各項(xiàng)污染指標(biāo)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物元A、B的線性關(guān)聯(lián)函數(shù)，見(jiàn)式(4)和式(5)。⑤計(jì)算監(jiān)測(cè)斷面的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)，見(jiàn)式(6)和式(7)。⑥繪制點(diǎn)聚圖，依據(jù)點(diǎn)聚圖進(jìn)行監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化。

其中，M為對(duì)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(cè)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(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)

2.3.1基于聚類(lèi)分析的監(jiān)測(cè)斷面分類(lèi)

主要選擇環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)調(diào)查過(guò)程中具備采樣條件的69條溝渠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行聚類(lèi)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(huì)進(jìn)入配套建設(shè)的污水處理廠進(jìn)行處理，故采納《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2022）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各溝渠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并根據(jù)不同渠段，利用SPSS軟件中層次聚類(lèi)將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行層次聚類(lèi)分析，聚類(lèi)方式選擇組間平均連接法，距離測(cè)量選擇歐式距離平方。

依據(jù)各溝渠水質(zhì)的相像度，省城投段的25條溝渠可以分為3類(lèi)，旅游度假區(qū)段的4條溝渠可以分為3類(lèi)，晉城段的23條溝渠可以分為4類(lèi)，昆陽(yáng)段的4條溝渠可以分為3類(lèi)，古城段的13條溝渠可以分為2類(lèi)。一般認(rèn)為，聚類(lèi)結(jié)果中聚合為一類(lèi)的點(diǎn)可以相互替代，依據(jù)聚類(lèi)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(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

2.3.2基于物元分析的監(jiān)測(cè)斷面分類(lèi)

與聚類(lèi)分析全都，本討論中同樣利用69條溝渠的5個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了物元分析。依據(jù)各指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獵取了各指標(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(cè)斷面的物元矩陣。分別建立每一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各污染指標(biāo)對(duì)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)》（GB18918-2022）一級(jí)A標(biāo)各污染標(biāo)準(zhǔn)值及各污染指標(biāo)實(shí)測(cè)值，得到各污染物的歸一化權(quán)值，并計(jì)算各監(jiān)測(cè)斷面全部指標(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(cè)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(cè)斷面中，除個(gè)別監(jiān)測(cè)斷面外，均主要分布于第Ⅱ和第Ⅳ象限內(nèi)，依據(jù)KA和KB的計(jì)算公式可以看出，KA越小于-1時(shí)，該斷面的水質(zhì)越好，而當(dāng)KB越大于-1時(shí)，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(cè)斷面水質(zhì)相對(duì)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(cè)斷面水質(zhì)相對(duì)較好。依據(jù)各斷面的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)值，將省城投段的監(jiān)測(cè)斷面分為3類(lèi)，旅游度假區(qū)段的監(jiān)測(cè)斷面分為3類(lèi)，晉城段的監(jiān)測(cè)斷面分為5類(lèi)，昆陽(yáng)段的監(jiān)測(cè)斷面分為4類(lèi)，古城段的監(jiān)測(cè)斷面分為4類(lèi)。

2.3.3監(jiān)測(cè)斷面綜合優(yōu)化結(jié)果

依據(jù)聚類(lèi)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)的溝渠依據(jù)其水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，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(yáng)段分類(lèi)全都，古城段和晉城段分類(lèi)結(jié)果有肯定的差距。

結(jié)合各溝渠斷面的優(yōu)化結(jié)果，在兼顧各來(lái)水類(lèi)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(duì)規(guī)章且具備在線監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)斷面共計(jì)10個(gè)（見(jiàn)圖2），每個(gè)渠段分別設(shè)置1個(gè)合流污水代表性監(jiān)測(cè)斷面和1個(gè)面源污水代表性監(jiān)測(cè)斷面。其中，省城投段、旅游度假區(qū)段、晉城段、昆陽(yáng)段、古城段合流污水代表性監(jiān)測(cè)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(lái)水以合流污水為主且水量較大，各溝渠多穿村而過(guò)，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(yáng)段、古城段面源污水代表性監(jiān)測(cè)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#接近村莊，其余三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接近干渠掌握室，均具備較好的監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝條件。

圖2環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)監(jiān)控?cái)嗝娣植?/p>

2.4環(huán)湖截污干渠掌握斷面優(yōu)化布設(shè)

環(huán)湖截污干渠系統(tǒng)內(nèi)溝渠眾多，對(duì)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)程掌握點(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(guò)優(yōu)化篩選，共選擇遠(yuǎn)程掌握斷面25個(gè)，其中省城投段、旅游度假區(qū)段段、晉城段、昆陽(yáng)段均選擇雨季平均流量大于3000m3/d，且具備接入條件的溝渠，溝渠徑流掌握率可分別達(dá)到65%、97%、66%、98%；昆陽(yáng)段水量較分散，選擇雨季平均流量大于2000m3/d，且具備接入條件的溝渠，溝渠徑流掌握率可達(dá)到62%。

表1不同分析方法斷面優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

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

滇池環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)主要包括在線監(jiān)測(cè)掌握系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和智能化掌握平臺(tái)系統(tǒng)三個(gè)部分組成。滇池環(huán)湖截污干渠監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)律框圖如圖3所示。

3.1在線監(jiān)測(cè)及掌握系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

依據(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(cè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于環(huán)湖截污系統(tǒng)在降雨過(guò)程中溝渠水質(zhì)水量變化較大，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備需滿意以下要求：①設(shè)備成熟、有用，能夠滿意監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求且運(yùn)行穩(wěn)定；②能夠滿意監(jiān)測(cè)所需的監(jiān)測(cè)頻率和監(jiān)測(cè)精度；③設(shè)備使用維護(hù)便利，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(mén)的掌握來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)調(diào)度掌握點(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(mén)，分別用于掌握環(huán)湖截污干渠對(duì)溝渠污水的截流和溝渠向滇池