水源水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用

彭 燁， 李曉如， 韓勇華

(深圳市深水龍崗水務(wù)集團(tuán)有限公司，廣東深圳518030)

原水水質(zhì)直接關(guān)系到飲用水安全，與生產(chǎn)生活息息相關(guān)。近年來，水源水質(zhì)污染事件頻發(fā)[1]，給居民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大威脅。同時(shí)，隨著工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的外來污染源隨時(shí)隨地排放進(jìn)入大自然，使水污染加劇，水源水質(zhì)安全得不到保障。針對水源水質(zhì)污染突發(fā)事件的應(yīng)急和預(yù)警監(jiān)測技術(shù)一直都是國內(nèi)外企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，目前已有部分研究成果應(yīng)用于市場，但是系統(tǒng)的建設(shè)主要集中在對水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)[2]、儀表選型及特定指標(biāo)的監(jiān)測[3-7]與分析[8]，缺乏對取水方式、監(jiān)測設(shè)備全生命周期管理及外部環(huán)境安全性的考慮。

本研究以深圳某水庫為對象，從水庫水源在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)全要素出發(fā)，構(gòu)建了取樣、監(jiān)測、預(yù)警、運(yùn)維、安防一體化的系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合水庫供水分布區(qū)域確定了最佳取水位置及方式。同時(shí)，針對水庫水質(zhì)特征，參考深圳市供水智慧化建設(shè)指引，確定了水庫水源監(jiān)測指標(biāo)，為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，構(gòu)建了基于AR技術(shù)的設(shè)備全生命周期管理模塊，并從智慧安防角度出發(fā)，設(shè)立了一套基于邊緣計(jì)算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)異物入侵快速檢測及報(bào)警，從而為水源水質(zhì)在線預(yù)警安全穩(wěn)定運(yùn)行及應(yīng)急響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支撐及決策支持。

1 技術(shù)路線

水庫水源水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、預(yù)警監(jiān)控軟件系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)系統(tǒng)又包含多個(gè)部分，系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)見圖1。

圖1 水庫水源水質(zhì)在線監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical framework of on-line monitoring and warning system for reservoir water source quality

硬件系統(tǒng)由自動(dòng)采樣系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測儀表、子站控制系統(tǒng)、生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)、智慧安防監(jiān)控系統(tǒng)等組成，主要實(shí)現(xiàn)對原水取樣、水質(zhì)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備控制及站房視頻監(jiān)控，屬于整個(gè)系統(tǒng)的感知層。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用互聯(lián)網(wǎng)專線(網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用型)解決方案，可將采集數(shù)據(jù)及視頻通過專線傳輸至預(yù)警監(jiān)控軟件系統(tǒng)，既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性、穩(wěn)定性又可兼顧數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，屬于整個(gè)系統(tǒng)的傳輸層。預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)為系統(tǒng)的應(yīng)用層，主要實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)展示與查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、設(shè)備全生命周期管理、應(yīng)急管理等功能，具備平臺(tái)、短信、APP三級(jí)預(yù)警機(jī)制。

2 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件由多個(gè)部分組成，包含取樣點(diǎn)選址及設(shè)計(jì)、預(yù)處理系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測儀表、子站控制系統(tǒng)、生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)、智慧安防監(jiān)控系統(tǒng)等，主要實(shí)現(xiàn)水庫水質(zhì)的快速監(jiān)測及預(yù)警。

2.1 取樣點(diǎn)選址及設(shè)計(jì)

原水取樣點(diǎn)的選址除了需滿足監(jiān)測的實(shí)用性，還需綜合考慮施工及后期運(yùn)維的方便性。深圳某水庫供應(yīng)多家水廠，日供水量約為25×104m3，考慮到該水庫原水至水廠需經(jīng)過原水加壓泵站，泵站在水庫岸邊且距離沿線水廠較遠(yuǎn)，有足夠預(yù)警時(shí)間，因此選擇將在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)在原水加壓泵站內(nèi)。

本項(xiàng)目取水系統(tǒng)采用水庫泵后原水管開口取水，采用三通閥，取水口1用1備?？紤]后期運(yùn)維的便利性，需在管道開口處制作閥門檢修井，供后期檢修使用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 檢修井內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Internal structure of manhole

系統(tǒng)采用原水管泵后取水，通過調(diào)節(jié)閥門大小可控制水壓在合理范圍內(nèi)，同時(shí)系統(tǒng)取水管管材要求耐腐蝕、耐沖撞，外部套用PVC管。取水管敷設(shè)需做管溝，便于定期更換取水管。

2.2 監(jiān)測指標(biāo)的選擇

為加快推進(jìn)深圳市供水智慧化建設(shè)，提升供水行業(yè)智慧化管理水平，深圳市水務(wù)局于2021年組織編制了《深圳市供水智慧化建設(shè)指引》(以下簡稱《建設(shè)指引》)?！督ㄔO(shè)指引》明確了水源在線監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)包括濁度、pH、水溫、溶解氧、電導(dǎo)率、氨氮、CODMn及水質(zhì)生物毒性指標(biāo)。

在滿足《建設(shè)指引》要求的基礎(chǔ)上，借鑒目前國內(nèi)外成熟建設(shè)經(jīng)驗(yàn)并綜合考慮水庫水質(zhì)可能的污染源，確定將水溫、電導(dǎo)率、溶解氧、pH、濁度、葉綠素、氨氮、CODMn、TOC、水位、氧化還原電位(ORP)、總磷、總氮、水質(zhì)綜合生物毒性這14項(xiàng)作為水庫水質(zhì)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測指標(biāo)。

2.3 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)既要保證能夠除去水中較大顆粒雜質(zhì)和泥沙，又要保證進(jìn)入分析儀器的水樣中被測成分不變。本系統(tǒng)選用Y型過濾器，具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、阻力小、排污方便等特點(diǎn)，便于后期維護(hù)與清洗。

2.4 子站控制系統(tǒng)

子站控制系統(tǒng)采用基于工業(yè)級(jí)PLC的可編程邏輯控制器，系統(tǒng)的控制單元具有系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及分析功能。系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)水樣采集、預(yù)處理、儀表測量、校準(zhǔn)、清洗等過程控制，能完成超標(biāo)留樣、定時(shí)留樣以及遠(yuǎn)程留樣。

現(xiàn)場控制軟件通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及分析，可顯示測量參數(shù)、監(jiān)測流程圖和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，能夠判斷故障部位和原因，具備故障以及狀態(tài)異常自動(dòng)報(bào)警功能。可對進(jìn)水水路、排水水路及反沖洗水路以不同顏色區(qū)分顯示，系統(tǒng)監(jiān)測流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)測流程Fig.3 Monitoring flow of the system

2.5 生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)

生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測和預(yù)警水質(zhì)突變的功能。系統(tǒng)以國際公認(rèn)的毒理性標(biāo)準(zhǔn)指示生物斑馬魚作為探測生物，利用圖像法分析水生物的行為參數(shù)[9]，建模后快速得出水質(zhì)綜合毒性指數(shù)，結(jié)合理化監(jiān)測，進(jìn)一步分析水體污染情況，且可實(shí)現(xiàn)無人值守的連續(xù)在線自動(dòng)監(jiān)控。

2.6 智慧安防監(jiān)測系統(tǒng)

智慧安防監(jiān)測系統(tǒng)采用“邊緣節(jié)點(diǎn)+高清攝像頭”模式[10]，融合計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)能力，支持業(yè)務(wù)規(guī)則、算法及應(yīng)用的靈活配置，可快速識(shí)別異物入侵監(jiān)測，同時(shí)將分析結(jié)果通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)上傳至預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，確保監(jiān)測站周邊運(yùn)行環(huán)境安全。

3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的傳輸層，采用互聯(lián)網(wǎng)專線(網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用型)將采集的各類水質(zhì)信息和現(xiàn)場視頻傳輸至預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)。依托雄厚的網(wǎng)絡(luò)資源，數(shù)據(jù)傳輸速率高，可滿足實(shí)時(shí)性要求。

4 預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)

預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)開發(fā)，具備PC端及移動(dòng)端APP應(yīng)用，具備數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、地圖總覽、設(shè)備管理、應(yīng)急管理、系統(tǒng)管理七大基礎(chǔ)功能模塊。

4.1 設(shè)備管理

設(shè)備管理提供AR智能識(shí)別功能，可核對實(shí)物與賬物是否相同，調(diào)出設(shè)備的臺(tái)賬信息及歷史運(yùn)行情況，并查看設(shè)備作業(yè)指導(dǎo)手冊等。

可通過AR技術(shù)邀請外部專家進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，使整個(gè)設(shè)備的運(yùn)維過程更加透明和直觀，運(yùn)維質(zhì)量有保證，設(shè)備管理更加智能化。

4.2 應(yīng)急管理

應(yīng)急作為水質(zhì)預(yù)警一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在保障供水安全方面意義重大。當(dāng)監(jiān)測到水質(zhì)突變時(shí)，系統(tǒng)將嚴(yán)格按照原水水質(zhì)突變應(yīng)急管理流程進(jìn)行預(yù)警，圖4所示為某水務(wù)企業(yè)目前水質(zhì)突變應(yīng)急響應(yīng)流程。

圖4 水質(zhì)突變應(yīng)急響應(yīng)流程Fig.4 Emergency response process of sudden water quality change

為滿足業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)為應(yīng)急響應(yīng)提供了有效的信息化支撐，開發(fā)了一套可視化應(yīng)急預(yù)案流程配置工具，業(yè)務(wù)人員可隨需配置應(yīng)急流程，系統(tǒng)按照配置的應(yīng)急流程自動(dòng)流轉(zhuǎn)，滿足應(yīng)急需求。同時(shí)系統(tǒng)從應(yīng)急全要素出發(fā)，通過“應(yīng)急一張圖”集中展示了各類應(yīng)急事件來源、處理過程及可調(diào)控資源，可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)急人員、車輛、物資的科學(xué)分配處置，確保應(yīng)急工作有序開展，如圖5所示。通過對應(yīng)急全流程的跟蹤及處理，系統(tǒng)可為水質(zhì)事件整理及回溯提供依據(jù)，助力提升企業(yè)水質(zhì)突變應(yīng)急響應(yīng)能力。

圖5 預(yù)警系統(tǒng)“應(yīng)急一張圖”示意Fig.5 Schematic diagram of "Emergency Map" of the early warning system

5 應(yīng)用情況

目前該系統(tǒng)已在某水務(wù)企業(yè)試運(yùn)行8個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了對某水庫水源14項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的常規(guī)連續(xù)監(jiān)測(見圖6)，并可對水域污染突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急檢測處置，及時(shí)發(fā)布水環(huán)境狀況報(bào)告等。設(shè)備、數(shù)據(jù)在線率達(dá)到100%，管理人員可隨時(shí)隨地掌控水質(zhì)變化情況，確保原水水質(zhì)安全。

圖6 預(yù)警系統(tǒng)多參數(shù)曲線分析Fig.6 Multi-parameter curve analysis of the early warning system

6 結(jié)語

水源質(zhì)量直接影響用水質(zhì)量，關(guān)系到人民的身體健康，因此在水質(zhì)的全流程監(jiān)測過程中，加強(qiáng)源頭水質(zhì)監(jiān)測尤為重要。從硬件系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)3層架構(gòu)出發(fā)，結(jié)合后期運(yùn)維便利性及應(yīng)急響應(yīng)等要求，借助現(xiàn)有AR、邊緣計(jì)算等信息化技術(shù)，完成了一套標(biāo)準(zhǔn)化原水預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的搭建，確保了水庫水源水質(zhì)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性與先進(jìn)性。