基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

寧春平 王宇龍 鄭一鳴 王超亮

摘要：大型人工江海運河建成之后極易導致內(nèi)河航道鹽度超標，為了實時監(jiān)測人工運河重點區(qū)域鹽度分布，便于快速采取抑制鹽水上溯的措施，文章設計了基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監(jiān)測系統(tǒng)，將微型化鹽度傳感器布設在多功能航標上以便供電供網(wǎng)，并在入海河口、船閘上下游以及上游庫區(qū)和取水口處三類區(qū)域布設傳感器；將采集到的信息通過無線傳感網(wǎng)絡傳輸?shù)竭\河智慧管控平臺，結(jié)合實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，對超限鹽度區(qū)域進行預警；根據(jù)預測預警信息，結(jié)合智慧運河管控平臺決策系統(tǒng)，采取相應的抑制鹽水上溯的方案。

關(guān)鍵詞：運河；鹽度；監(jiān)測；航標

中圖分類號：U644.8+7? 文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0008-08

0 引言

隨著我國內(nèi)河航運的發(fā)展，大型人工江海運河凸顯出獨特的經(jīng)濟地位，但是也隨之帶來了鹽水上溯的問題。由于大型江海運河具有航運、防洪、灌溉等功能，鹽水上溯會對運河沿岸居民生活、生態(tài)環(huán)境、企業(yè)生產(chǎn)、旅游景區(qū)等產(chǎn)生重大影響。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)、新材料技術(shù)、微納加工技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等各種高新技術(shù)的發(fā)展與應用，新型環(huán)境監(jiān)測設備正向智能化、微型化、模塊化方向發(fā)展。針對江海運河航道鹽水監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)問題，本文設計了一種基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以多功能航標為載體，將微型化鹽度傳感器置于多功能航標上，將鹽度傳感器上的監(jiān)測要素與多功能航標的位置信息相結(jié)合，根據(jù)潮位、水文信息，利用長短周期人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測24 h以內(nèi)的大型人工江海運河全航段鹽度分布，建立大型江海運河全航段鹽度監(jiān)測預警體系，為鹽水上溯應急決策系統(tǒng)提供支持。本文以平陸運河為例，詳細論述了基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，闡明了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、信息預測以及平臺展示過程。

1 系統(tǒng)概述

基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監(jiān)測系統(tǒng)是以多功能航標為載體，利用已有的水文氣象采集模塊、流速流量模塊、GPS定位模塊等，結(jié)合鹽度-溫度-水位傳感器模塊，對全航段鹽水信息進行采集，將采集到的信息通過無線傳感網(wǎng)絡傳入運河智慧管控平臺，結(jié)合實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，不斷優(yōu)化鹽水上溯傳遞深度神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型，實時滾動預報感潮河段、船閘及樞紐庫區(qū)等運河典型斷面未來24 h的鹽度分布。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

鹽度監(jiān)測系統(tǒng)綜合應用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動化技術(shù)等多種技術(shù)手段，在多功能航標上安裝鹽度監(jiān)測設備［1］，可以實時監(jiān)控運河中的鹽度信息，并通過RTU（遠程終端單元）將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)感知平臺，實現(xiàn)全自動鹽度的實時監(jiān)控和采集。該系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，鹽度監(jiān)測傳感器為常開式，當鹽度監(jiān)測傳感器采集到鹽水信息之后，將該信息在智能基站終端進行預處理，判斷該斷面鹽水濃度是否達到預警值；收到鹽水信息之后進行初步分析，將鹽度信息和航標的位置信息通過無線傳感網(wǎng)絡傳輸?shù)竭\河智慧管控平臺，通過綜合分析潮位以及水文信息，利用長短期記憶網(wǎng)絡算法預演未來24 h以內(nèi)該斷面鹽水濃度的實時變化；運河智慧管控平臺接收到各監(jiān)測點的相關(guān)信息后將所有監(jiān)測點的信息綜合處理之后進行分析并預警，運河智慧管控平臺將根據(jù)接收到的信息制定具體的防咸措施。

3 鹽度監(jiān)測傳感器的設備選型

目前，鹽水監(jiān)測設備在海洋環(huán)境中研究較多，主要有拋棄式、拖拽式以及衛(wèi)星遙感等方式［2］。但是，這些設備與方法并不適用于內(nèi)河航道，主要原因在于：傳統(tǒng)的鹽度傳感器體積大、成本高，而內(nèi)河航道寬度、深度有限，監(jiān)測設備過大影響船舶通航；傳統(tǒng)鹽度傳感器響應時間過長，功耗和誤差較大，而內(nèi)河航道大部分區(qū)域處于山區(qū)，供電網(wǎng)絡條件不足；傳統(tǒng)鹽度傳感器檢出限較高，不適用于內(nèi)河低鹽度監(jiān)測的實際情況等。

美國鹽度傳感器主要由Seabird、FSI、YSI等公司生產(chǎn)，其中海鳥系列SBE 911-PLUS-CTD最具代表性，該設備的傳感器安裝在外部金屬管中，主要為海水監(jiān)測而開發(fā)，可以承受10 000 PIS壓力，最大深度可達6 800 m；意大利、德國等歐洲國家研制的OCEAN-SEVEN-320設備采用無水泵導流管式電導池，與海鳥公司的設備相比消除了水泵誤差；日本亞克力的ACT-W-CAR鹽度傳感器不僅可以測量鹽度還可以測量溫度，消除了溫度差異引起的誤差。研究表明，當溫度為5 ℃時，其鹽度一般為3.5%～3.7%。而當海水溫度升高到10 ℃時，其鹽度會增加到3.8%～4.0%。此外，我國也自主研發(fā)了應用于不同環(huán)境的鹽度測量設備，主要有拋棄式和船體固定式，例如國產(chǎn)6 000米CTDC，但是仍存在集成化程度不高、智能化程度較低等缺點。國內(nèi)外各類設備優(yōu)缺點如表1所示。

多功能航標在內(nèi)河航運安全中發(fā)揮著越來越重要的作用，現(xiàn)代多功能航標不僅能為船舶提供導航功能，還具備了航道要素測量采集等功能。現(xiàn)代多功能航標安裝了航道水沙要素傳感器、水文氣象傳感器，還增加了太陽能電池供電、無線傳輸、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等功能［3］。大型江海運河的鹽度傳感器可以安裝在內(nèi)河多功能航標上，因此在鹽度傳感器選型方面要統(tǒng)籌考慮內(nèi)河通航環(huán)境和航標等因素。主要從以下3個方面進行考慮：（1）人工運河水域?qū)挾扰c深度有限，多功能航標尺寸也有限，因此需要選用微型化鹽水監(jiān)測設備；（2）多功能航標由太陽能供電，多功能航標上需要用電的設備很多，因此需要統(tǒng)籌考慮用電需求；（3）內(nèi)河航道鹽度較低，需要選用檢出限低、反應靈敏、誤差小的傳感器。

考慮到大型人工運河的實際情況，采用微型化鹽度傳感器以減少對船舶航行的影響，其中傳感器探頭同步對溫度和鹽度進行測試以消除溫度帶來的誤差。電導率測量采用平面條形開放式七電極電導率傳感探頭［4］，其可有效避免鄰近效應和極化效應產(chǎn)生的影響。溫度測量采用柵狀薄膜鉑電阻傳感探頭，在有限的空間增大測量阻值，提高溫度傳感器靈敏度。將電極進行開放式平面設計，以電場消除外界雜質(zhì)對監(jiān)測結(jié)果的影響。該傳感器的溫度范圍為-3 ℃～40 ℃，測量精度為±0.06 ℃；電導率的測量范圍為0～65 ms/cm，測量精度為±0.08 ms/cm。該傳感器體積小、方便安裝，探頭厚度為2 mm，長與寬分別為15 mm和10 mm，最大程度降低了鹽度監(jiān)測過程中對船舶航行的影響。

4 鹽度監(jiān)測傳感器的設備布設方案

由于鹽水上溯與潮位有關(guān)，潮位變化引起的水平面抬升導致鹽水入侵的風險大大增加。尤其在干旱季節(jié)，缺乏強潮汐流和潮汐誘導的湍流，導致淡水與咸水界面的垂直混合有限［5］。在這種條件下，在河道下游的河床低于平均海平面，會導致雙向雙層流動，上層較稀的河水向下游流向河口，下層較重的鹽水向上游推進，加劇了鹽水入侵的程度，所以需要在入海河口處以及水位急劇變化處對運河鹽水濃度進行監(jiān)測。海側(cè)船閘在閘門啟閉時由于異重流的影響很容易發(fā)生鹽水入侵，大型人工運河建成之后會導致密集的船舶交通流，進而導致更加頻繁的閘門啟閉，頻繁的閘門啟閉導致的異重流會使船閘內(nèi)部鹽度增加。此外，越來越大的樞紐和閘門尺寸也會導致閘室內(nèi)部鹽水入侵量增加，船閘受到鹽水入侵之后內(nèi)部結(jié)構(gòu)極易被腐蝕，所以需要對船閘上下游鹽度進行監(jiān)測，一旦發(fā)生鹽水入侵，就需要采取相應的措施。由于大型人工運河不僅有航運功能，還要兼顧防洪、灌溉、生態(tài)、居民飲水等，上游庫區(qū)一旦發(fā)生鹽水入侵將影響上游水生態(tài)安全及飲水安全。所以需要在上游庫區(qū)以及取水口處對鹽度進行監(jiān)測，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)實時預警，以保證上游水生態(tài)與水環(huán)境安全。根據(jù)前期鹽度監(jiān)測結(jié)果，感潮河段、船閘上下游以及樞紐庫區(qū)是鹽度敏感區(qū)域，因此需要在以上3類區(qū)域沿程多點位布設鹽度實時監(jiān)測設備。

5 系統(tǒng)應用

平陸運河自上而下設置馬道頭、企石垌、大田坪、青年4個梯級。青年梯級以上為欽江干流段，為淡水航道；以下為入?？跉J江段，為鹽水航道。青年梯級原本無通航設施，淡水通過泄水閘流入入海口欽江段，不存在鹽淡水交換的問題。建設大型通航設施后，船閘運行期鹽淡水會發(fā)生水體交換，造成鹽水上溯，對青年梯級以上的生態(tài)環(huán)境造成一定影響。

如圖2所示，微型化鹽度傳感器安裝在多功能航標上，鹽水監(jiān)測的信息通過監(jiān)測設備的簡單處理之后和航標的其他信息通過5G無線傳輸?shù)姆绞睫D(zhuǎn)遞給基站，再由基站傳遞給運河智慧管控平臺。借助5G網(wǎng)絡與岸基控制中心互聯(lián)，多功能航標與鹽度傳感器之間的物理層采用RS-485總線傳輸。RS-485總線采用差分接收和平衡發(fā)送方式實現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號從A、B 兩路輸出，有極強的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器可以檢測到低至200 mV的電壓。RS-485采用半雙工工作方式支持多點數(shù)據(jù)通信。鹽度傳感器信號與其他采集終端都通過RS-485總線與多功能航標進行通信［6］。將鹽水監(jiān)測數(shù)據(jù)進行校準，并根據(jù)實際情況剔除湖泊修正異常值、缺失值等，保障數(shù)據(jù)質(zhì)量。將鹽水數(shù)據(jù)和航標位置數(shù)據(jù)與電子航道圖等運河地形信息進行融合，將融合后的信息傳入智慧運河管控平臺進行可視化展示，并根據(jù)潮位信息、水文信息，利用運河智慧管控平臺的長短期記憶網(wǎng)絡算法對未來24 h內(nèi)運河沿程以及重點管控區(qū)域的鹽度分布以進行預測，對超限鹽度區(qū)域進行預警。根據(jù)預測預警信息，結(jié)合智慧運河管控平臺決策系統(tǒng)，采取相應的抑制鹽水上溯的方案。

青年樞紐船閘開啟時，海水會在重力作用下向淡水入侵，海水入侵量取決于閘室與外部港口之間水體密度差異、水位、水深、船閘尺寸和閘門開啟時間。鹽度達到7.8‰就會與淡水形成異重流，而入?？诤Ｋ}度一般為25‰，異重流是海側(cè)船閘主要的海水入侵形式。根據(jù)以上原則，平陸運河鹽水監(jiān)測布設點位選擇如圖3所示，在茅尾海入海口處、北部灣大學水深急劇變化處、金海灣大橋和子材大橋等重點航道、東西干渠引水處和欽州引水處等取水口、青年樞紐閘室以及上下游處等點位布設鹽水監(jiān)測設備。

6 結(jié)語

基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監(jiān)測系統(tǒng)將鹽水監(jiān)測安裝在多功能航標上，具有體積小、反應靈敏、安裝方便、不影響通航等優(yōu)勢。實現(xiàn)了入海河口區(qū)、船閘上下游、上游庫區(qū)、取水口處等重點區(qū)域的鹽水監(jiān)測，利用長短周期人工神經(jīng)網(wǎng)絡，結(jié)合潮位水文信息，對未來24 h內(nèi)的運河沿程以及重點區(qū)域的鹽度進行了預測，并上傳運河智慧管控平臺，便于決策平臺快速采取措施抑制鹽水上溯，提高了決策效率與科學性，推動了大型人工江海運河的信息化建設。

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［3］尹奇志，孫 星，初秀民，等. 基于多功能航標的水面溢油在線監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.武漢理工大學學報，2010，32（21）：81-84.

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［5］裘 誠，顧圣華，李 琪. 長江河口鹽度監(jiān)測布局研究［J］. 華東師范大學學報（自然科學版），2015（4）：7-16.

［6］鄧瀟陽，徐志宇. 面向物聯(lián)網(wǎng)應用的水體鹽度監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］. 自動化儀表，2021，42（5）：19-21，26.

作者簡介：寧春平（1990—），工程師，主要從事水運工程信息化科技方面的工作。