基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的淠河總干渠遠(yuǎn)程水質(zhì)在線監(jiān)測方法

李大銀

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局，安徽 六安 237005)

淠河總干渠自建設(shè)以來，配套興建了橫排頭樞紐、羅管節(jié)制閘、干渠進(jìn)水閘、泄洪閘、渠下涵等大量水利工程，在灌溉、供水、防洪、發(fā)電、航運等方面發(fā)揮巨大效益。淠河總干渠始于裕安區(qū)橫排頭引水樞紐，尾至肥西縣高劉鎮(zhèn)新民壩，全長104.5km[1]，多年平均輸水量20億m3，是六安、合肥近千萬城鄉(xiāng)居民生產(chǎn)生活及農(nóng)業(yè)用水的命脈[2]。經(jīng)過多年灌區(qū)續(xù)建配套工程建設(shè)，目前淠河總干渠已經(jīng)建成堤防達(dá)標(biāo)、功能設(shè)施基本齊全，滿足功能需求的輸供水渠道[3]，為六安市、合肥市民生保障、經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。淠河總干渠水質(zhì)總體良好，但由于渠道流經(jīng)六安、合肥兩市，沿渠城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村環(huán)境多變、排口入渠支流眾多、填方切嶺交替、橋面污水直排入渠等諸多影響因素[4]，部分渠段存在渠道淤積、水草滋生、自然濕地生態(tài)多樣性缺失等問題，急需進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。

常規(guī)的淠河總干渠遠(yuǎn)程監(jiān)測方法主要利用人工結(jié)合水質(zhì)探測儀實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集[5]，采集到的數(shù)據(jù)繁雜，因此處理耗時較長，無法滿足淠河水質(zhì)的實時監(jiān)測需求。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效地采集來源復(fù)雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合分布式數(shù)據(jù)處理平臺快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測的實時性[6]，因此，本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，設(shè)計了一種新的淠河總干渠水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測方法，為淠河水質(zhì)監(jiān)測提供技術(shù)支持，以期為生態(tài)環(huán)境建設(shè)作出一定貢獻(xiàn)。

1 水質(zhì)大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)采集處理水質(zhì)監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)

常規(guī)的遠(yuǎn)程水質(zhì)在線監(jiān)測方法受水質(zhì)數(shù)據(jù)復(fù)雜度和水質(zhì)數(shù)據(jù)總量的限制，其處理水質(zhì)數(shù)據(jù)的速度極慢，因此本文使用大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合機(jī)器視覺算法對獲取的水質(zhì)圖像進(jìn)行追蹤[7]。水質(zhì)監(jiān)測圖像有幾個不同的特點，為了提高處理效率可以進(jìn)行拆分處理，進(jìn)行顏色特征轉(zhuǎn)換，顏色特征轉(zhuǎn)換式H、S如下式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

公式(1)、(2)中，R、G、B均代表顏色特征分量，此時可以進(jìn)行顏色特征轉(zhuǎn)換，判斷水質(zhì)監(jiān)測溶液的水質(zhì)狀態(tài)。

經(jīng)過多次采集的水質(zhì)監(jiān)測圖像通常都具有不同程度的噪聲，這些噪聲不論大小都具有一定的干擾性，為了提高水質(zhì)在線監(jiān)測的實時性，本文選取CCD工業(yè)相機(jī)采集水質(zhì)監(jiān)測圖像，進(jìn)行圖像預(yù)處理。為了保證水質(zhì)圖像監(jiān)測效果需要進(jìn)行濾波處理[8]，消除圖像噪聲，首先使用線性平均法計算圖像灰度平均值，此時水質(zhì)圖像邊緣可能會出現(xiàn)模糊信息，為了排除模糊邊緣信息對水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果造成的影響，還需要使用平滑濾波器進(jìn)行二次濾波處理，此時的處理式G(X，Y)如下式(3)所示。

(3)

式中，X、Y—處理點位；σ—處理權(quán)重；e—處理器參數(shù)。采集到的水質(zhì)溶液通常屬于有色溶液，且含有不同大小的氣泡，在進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測時圖像采集后還需要排除氣泡誤差，最大程度上提高水質(zhì)圖像信息的可靠性。

1.2 布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測點

為了提高遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測效果，需要布設(shè)有效的水質(zhì)監(jiān)測點，本文使用節(jié)點覆蓋法進(jìn)行布置，即結(jié)合監(jiān)測區(qū)域的狀態(tài)判斷監(jiān)測區(qū)域的自然屬性[9]，設(shè)置若干個小的監(jiān)測節(jié)點，再連接各個監(jiān)測節(jié)點，作為一個大的水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測點，因此可以將各個節(jié)點的連接方式簡化為兩種。第一種是完全覆蓋節(jié)點，第二種是部分覆蓋節(jié)點，兩種類型的節(jié)點間距不同，但都符合水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測需求，可以計算水質(zhì)在線監(jiān)測點位置，如式(4)所示。

(4)

式中，k(A，B)—初始監(jiān)測節(jié)點；dj—監(jiān)測約束權(quán)重。該節(jié)點布設(shè)方法主要可在上游節(jié)點水質(zhì)優(yōu)于下游節(jié)點水質(zhì)時布設(shè)，但實際遠(yuǎn)程監(jiān)測中存在較多干擾因素，可能出現(xiàn)突發(fā)污染事件導(dǎo)致監(jiān)測異常[10]。為此，本文設(shè)計了節(jié)點水齡輔助監(jiān)測點布設(shè)法，即采集各個節(jié)點的水質(zhì)參數(shù)，判斷區(qū)域水質(zhì)狀況，完成監(jiān)測節(jié)點的布設(shè)，最大程度上降低監(jiān)測節(jié)點布設(shè)難度，提高監(jiān)測節(jié)點水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)的采集效率，保證水質(zhì)在線監(jiān)測的實時性。

1.3 構(gòu)建遠(yuǎn)程水質(zhì)在線監(jiān)測平臺

由于污染水質(zhì)的污染物種類較多，組成成分不定，因此，可以構(gòu)建一個高敏感性水質(zhì)在線監(jiān)測平臺，提高水質(zhì)在線監(jiān)測的監(jiān)測效果[11]。需要設(shè)置能反應(yīng)水質(zhì)污染中臺的污染標(biāo)度，添加具體污染項目，再根據(jù)污染程度設(shè)計水質(zhì)在線監(jiān)測平臺的監(jiān)測功能。

構(gòu)建的遠(yuǎn)程水質(zhì)在線監(jiān)測平臺需要滿足數(shù)據(jù)實時采集需求，因此，需要在現(xiàn)場采集各種各樣的水質(zhì)數(shù)據(jù)，使用無線通訊工具實時對監(jiān)測現(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，一旦發(fā)現(xiàn)污染超標(biāo)問題立即啟動預(yù)警，保證監(jiān)測現(xiàn)場水質(zhì)的穩(wěn)定性。監(jiān)測平臺需要按照時間變化需求繪制合理的監(jiān)測曲線，實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，且需多不同的用戶設(shè)置不同的權(quán)限，方便進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，該水質(zhì)在線監(jiān)測平臺的監(jiān)測核心終端組成如圖1所示。

圖1 監(jiān)測核心終端

由圖1可知，該遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測平臺通過電源模塊和通信模塊為監(jiān)測傳感器及儲存中心提供輸出基礎(chǔ)，再由調(diào)理電路傳輸至水質(zhì)在線監(jiān)測中心，完成水質(zhì)監(jiān)測。為了提高監(jiān)測平臺的監(jiān)測性能，設(shè)計監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)顯示模塊。

數(shù)據(jù)顯示模塊可以實時顯示采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)，調(diào)查歷史數(shù)據(jù)，及時進(jìn)行報警和事件處理，若水質(zhì)監(jiān)測人員未能實時進(jìn)行響應(yīng)，該模塊還可以自動生成報警信息，進(jìn)行重復(fù)提醒，使水質(zhì)監(jiān)測人員能更快速，有效地了解水質(zhì)狀況，判斷水質(zhì)的變化趨勢。為了便于數(shù)據(jù)觀測，該平臺還設(shè)置了數(shù)據(jù)報表打印中心，能實時打印已經(jīng)監(jiān)測完畢的水質(zhì)數(shù)據(jù)，供檢測人員進(jìn)行核查。在水質(zhì)監(jiān)測過程中還可以使用修改模塊實時對不合理的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行二次修改，最大程度上保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。使用該平臺可以快速地對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷水質(zhì)狀況，實現(xiàn)水質(zhì)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。

2 實例分析

2.1 淠河水質(zhì)監(jiān)測區(qū)概況

為了驗證本文設(shè)計的水質(zhì)大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測方法的監(jiān)測效果，選取淠河總干渠進(jìn)行實例分析，在該干渠內(nèi)部選取不同的水質(zhì)監(jiān)測點驗證兩種方法的監(jiān)測實時性。淠河總干渠建成于1958年，途經(jīng)多個省市，全長104.5km。經(jīng)過多年灌區(qū)續(xù)建配套工程建設(shè)，目前淠河總干渠已經(jīng)建成為堤防達(dá)標(biāo)、功能設(shè)施基本齊全，滿足功能需求的輸供水渠道，為六安市、合肥市民生保障、經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但據(jù)淠河總干渠水質(zhì)監(jiān)測資料顯示，2019年肥西縣高店鄉(xiāng)處及官亭水廠取水口處全年共有6個月水質(zhì)類別為III類，分別為2—5月，9—10月。未達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)的指標(biāo)主要原因為高錳酸鹽指數(shù)及溶解氧值不達(dá)標(biāo)，淠河總干渠水系圖如圖2所示。

圖2 淠河總干渠水系圖

由圖2可知，淠河總干渠流經(jīng)的范圍較廣，其水質(zhì)對周圍群眾的正常生活影響較大，其設(shè)置了多個入渠排放口，見表1。

表1 淠河入渠排放口

由表1可知，近年來，隨著對于環(huán)保要求越來越高，目前淠河總干渠六安城區(qū)段雨污混流及污水排口已初步得到治理，雨水排口也已經(jīng)采取部分?jǐn)r截過濾措施；但隨著城市的發(fā)展，建成區(qū)加大，淠河總干渠水質(zhì)受到的威脅區(qū)域越來越大。目前，淠河總干渠主要以受到初期雨水帶來的面源污染及暴雨期間溢流的混流污水威脅為主，目前尚有一定數(shù)量的排污口未能實現(xiàn)截污，這些工業(yè)和生產(chǎn)污水的直接排放，可能會嚴(yán)重污染淠河總干渠的水體?？偢汕砂队晡刍炝髋趴?4個，雨水排口34個，污水排口1個，農(nóng)灌排水口48個。其中污水排口位于城區(qū)段，水運一公司，排口直徑1000mm，所在位置河總干渠右岸K28+700。

淠河總干渠左岸全渠段區(qū)間內(nèi)利用已建成道路或六安市區(qū)道路實現(xiàn)基本貫通，含將軍嶺段累計左岸沿渠堤頂?shù)缆房傞L度115.05km。右岸道路未貫通，渠道兩岸多為土路、碎石路甚至無道路，含將軍嶺段累計沿渠堤頂?shù)缆房傞L度48.23km。淠河總干渠大部分現(xiàn)狀岸坡在其常年運行水位以下基本為混凝土護(hù)坡，由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，部分護(hù)坡上生長了雜草和低矮灌木，秋冬季節(jié)樹葉和樹枝容易掉落至河道內(nèi)，影響水質(zhì)。

2.2 監(jiān)測結(jié)果及討論

結(jié)合上述的淠河總干渠概況可以選取10處水質(zhì)不同的監(jiān)測點，分別使用本文設(shè)計的水質(zhì)大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測方法和常規(guī)的水質(zhì)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測方法進(jìn)行檢測，記錄監(jiān)測延時時間，監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 監(jiān)測結(jié)果

由表2可知，本文設(shè)計的水質(zhì)大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測方法在10處水質(zhì)不同的監(jiān)測點的監(jiān)測延時均較短，能夠保持在0.1s以下；而常規(guī)的水質(zhì)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測方法的監(jiān)測延時較高，證明本文設(shè)計的淠河總干渠水質(zhì)大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測方法的監(jiān)測效果較好，具有一定的實時性，可滿足實際應(yīng)用需求。

3 結(jié)語

淠河總干渠的水質(zhì)對周圍生活群眾有重要影響，因此需要進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。由于淠河流域較廣，常規(guī)的水質(zhì)遠(yuǎn)程監(jiān)測方法監(jiān)測延時較長，無法進(jìn)行實時監(jiān)測，不滿足目前的淠河監(jiān)測需求。因此本文設(shè)計了新的水質(zhì)大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測方法，并通過實例分析的結(jié)果證明了設(shè)計的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測方法的監(jiān)測延時較低，監(jiān)測效果較好，具有實時性。

但是由于時間限制，本文設(shè)計的監(jiān)測方法僅在淠河總干渠中選取了10個監(jiān)測點，對于全長104.5km的淠河總干渠來說采樣數(shù)量較少。因此在接下來的研究中，將在淠河總干渠設(shè)置更多的采樣點，包括污水排口、雨水排口、農(nóng)灌排水口等，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)更好的監(jiān)測淠河水質(zhì)狀態(tài)，為后續(xù)淠河總干渠的生態(tài)維護(hù)提供一定的參考。