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

作者:張英等  
評(píng)論: 更新日期:2024年09月05日

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(jì)研究。采用聚類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(gè)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(shí)控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和智能化控制平臺(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(jì)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(gè)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(jì)對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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?cái)嗝鎯?yōu)化方法

環(huán)湖截污干渠監(jiān)控?cái)嗝嬷饕ūO(jiān)測斷面和遠(yuǎn)程控制斷面兩個(gè)部分。其中,監(jiān)測斷面主要用于獲取各接入點(diǎn)的實(shí)時(shí)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(shí)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?cái)嗝妫钚〉耐度?,獲取最全面的、科學(xué)、合理的水質(zhì)監(jiān)測信息。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?cái)嗝鎯?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(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣,見式(1)和式(2)。③由2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物元矩陣構(gòu)成節(jié)域物元矩陣見式(3)。④建立每一監(jiān)測斷面各項(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),見式(4)和式(5)。⑤計(jì)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(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。

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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(huì)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)監(jiān)測斷面各污染指標(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)》(GB 18918-2002)一級(jí)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(jì)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。

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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(gè)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(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)測斷面水質(zhì)相對(duì)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(duì)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(jì)10個(gè)(見圖2),每個(gè)渠段分別設(shè)置1個(gè)合流污水代表性監(jiān)測斷面和1個(gè)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(gè)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。

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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(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(gè),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(duì)比

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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)測控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和智能化控制平臺(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)邏輯框圖如圖3所示。

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3.1 在線監(jiān)測及控制系統(tǒng)基本功能設(shè)計(jì)

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(gè)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(duì)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(tái)下發(fā)的指令單獨(dú)控制,具備三種控制方式:現(xiàn)場手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程全自動(dòng)控制。

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

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(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)度控制點(diǎn)實(shí)時(shí)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(shí)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(shí),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(shí),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(bào)警界限時(shí),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(bào)警界限,且溝渠、干渠水位均處于安全水位以下時(shí),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。

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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(shí)水質(zhì)水量數(shù)據(jù),根據(jù)智能化調(diào)度平臺(tái)的分析計(jì)算,獲取整個(gè)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(dòng)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(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,最大化的控制進(jìn)入滇池的污染負(fù)荷。

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