基于物聯(lián)網(wǎng)的廣西水資源監(jiān)控能力構(gòu)建與應(yīng)用

王 皓

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 項(xiàng)目建設(shè)背景和目標(biāo)

為踐行黨的“十八大”以來(lái)中央和習(xí)近平總書(shū)記提出的一系列重要治水思想，根據(jù)《國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施方案（2016-2018 年）的通知》（水財(cái)務(wù)[2016]168 號(hào)），按照“三年基本建成，五年基本完善”的目標(biāo)，相關(guān)單位在廣西壯族自治區(qū)水資源項(xiàng)目辦的組織下編制了《國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)廣西壯族自治區(qū)技術(shù)方案（2016-2018年）》。

方案結(jié)合廣西的實(shí)際情況和特點(diǎn)，在一期項(xiàng)目的建設(shè)基礎(chǔ)上，完善水資源監(jiān)控管理平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)應(yīng)用開(kāi)展水資源監(jiān)控建設(shè)，進(jìn)一步對(duì)廣西達(dá)到水量監(jiān)測(cè)要求的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等管道、渠道進(jìn)行流量、水位、流速等信息采集，對(duì)列入《全國(guó)重要飲用水水源地》名錄且達(dá)到監(jiān)控要求的飲用水水源地的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)廣西河道外許可水量的82%以上和總用水量的46%進(jìn)行取用水量在線監(jiān)測(cè)，供水人口20萬(wàn)人以上的飲用水地表水水源地水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)全覆蓋。系統(tǒng)試運(yùn)行情況表明：該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控體系運(yùn)行穩(wěn)定，上線率、及時(shí)率和完成率均達(dá)90%，通過(guò)有效的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為自治區(qū)水資源決策與調(diào)配提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。

2 廣西水資源監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

廣西水資源監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)體系采用了“互聯(lián)互控”的方式，將傳感器設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

集合物聯(lián)網(wǎng)的要素，廣西水資源監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)主要由前端數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、應(yīng)用平臺(tái)三大部份組成。前端數(shù)據(jù)采集即對(duì)監(jiān)控對(duì)象的取水設(shè)施類(lèi)型合理選擇計(jì)量設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控，取得流量、水位、流速、水質(zhì)參數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)交換即把取得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)由遙測(cè)終端通過(guò)GPRS傳輸?shù)姆绞絺魉偷叫畔⒐芾砥脚_(tái)，并按平臺(tái)的指令進(jìn)行回應(yīng)；應(yīng)用平臺(tái)利用前端采集回來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、展示、預(yù)警，進(jìn)而對(duì)水資源的管理和決策調(diào)配提供支撐，總體架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 水資源物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備選型

3.1 流量監(jiān)測(cè)

水資源監(jiān)測(cè)站主要由傳感器（水位計(jì)、流量計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀、閘位計(jì)、功率計(jì)等）、RTU、電源和通信單元組成[1]。

在廣西水資源監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)中，水資源監(jiān)測(cè)站承擔(dān)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取的重要工作，結(jié)合廣西取用水戶取水點(diǎn)的實(shí)際情況，設(shè)備主要根據(jù)管道型和渠道型兩種監(jiān)測(cè)類(lèi)型選擇。

3.1.1 管道型取用水監(jiān)測(cè)點(diǎn)

管道型取用水監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)管道的材質(zhì)、管徑和客觀環(huán)境，選用能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建需求的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選用的傳感器類(lèi)型有電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)。傳統(tǒng)的機(jī)械式水表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不具備數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芏床捎谩?/p>

（1）電磁流量計(jì)。主要構(gòu)成部分是傳感器和轉(zhuǎn)化器，工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)該定律來(lái)對(duì)導(dǎo)電性的液體或液固兩項(xiàng)介質(zhì)進(jìn)行流量測(cè)算，具有高精度、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，還可測(cè)量各類(lèi)酸、堿、紙漿等介質(zhì)，基于成本考慮，主要用于管徑小同時(shí)有高精度要求的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（2）超聲波流量計(jì)。工作原理是利用傳遞速度受介質(zhì)流動(dòng)速度的影響來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此類(lèi)流量計(jì)對(duì)被測(cè)介質(zhì)要求比較嚴(yán)苛，但其優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需停水操作，但相比于電磁流量計(jì)而言，測(cè)量精度相對(duì)較低。項(xiàng)目建設(shè)多采用插入式超聲波流量計(jì)，對(duì)于管道直徑小或管道材質(zhì)或工況不利于施工等情況下選用外敷式超聲波流量計(jì)，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集目的并能保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

3.1.2 渠道型取用水監(jiān)測(cè)點(diǎn)

渠道型取用水監(jiān)測(cè)根據(jù)渠道的渠寬、渠深和渠道平整程度等，可選用浮子式水位計(jì)、非接觸式雷達(dá)流速流量?jī)x和堰槽三類(lèi)渠道型取用水計(jì)量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（1)浮子式水位計(jì)。工作原理是基于標(biāo)準(zhǔn)斷面水位流量關(guān)系法來(lái)進(jìn)行流量測(cè)算，通過(guò)率定得出各水位下的實(shí)時(shí)流速，從而計(jì)算出各水位時(shí)的實(shí)時(shí)流量。浮子式水位計(jì)安裝簡(jiǎn)單，但需多次率定，從經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)性等角度出發(fā)，浮子式水位計(jì)適用性較高，項(xiàng)目中渠道型取用水監(jiān)測(cè)斷面多為三面平整的渠道，且下游1 km內(nèi)無(wú)閘門(mén)等影響水流波動(dòng)的設(shè)施。

（2）非接觸式雷達(dá)流速流量?jī)x。工作原理是通過(guò)雷達(dá)探頭測(cè)量出渠道的表面流速，再通過(guò)表面測(cè)點(diǎn)流速與斷面平均流速的關(guān)系計(jì)算該斷面的流量數(shù)據(jù)。非接觸式雷達(dá)流速流量?jī)x精度不如浮子式水位計(jì)，但具有安裝簡(jiǎn)單，施工成本低的優(yōu)點(diǎn)，在項(xiàng)目中多用于渠道平順，流速穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)斷面。

（3）堰槽法。主要是在渠道制作測(cè)流堰槽（寬頂堰、矩形堰、巴歇爾槽等），槽、堰的尺寸一般為固定尺寸，通過(guò)測(cè)量過(guò)槽、堰的水位，再通過(guò)水位流量關(guān)系反算出過(guò)流流量。堰槽法測(cè)量精度高，但施工安裝過(guò)程復(fù)雜，須停水施工，土建工程量大，建設(shè)工期長(zhǎng)，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)渠道斷面的尺寸等選用一定規(guī)格的堰槽，在廣西水資源渠道型監(jiān)測(cè)中多用于小型、不平整且可停水施工的渠道。

3.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)從水源類(lèi)型分為河道型和湖庫(kù)型。河道型水源地，在線監(jiān)測(cè)常規(guī)水質(zhì)5 參數(shù)（水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度）加高錳酸鹽指數(shù)（COD?Mn）、氨氮共7 項(xiàng)參數(shù)。湖庫(kù)型水源地，除上述7 項(xiàng)參數(shù)外，加測(cè)對(duì)湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化有重要指示作用的水質(zhì)參數(shù)（總磷、總氮）2項(xiàng)，共計(jì)9項(xiàng)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)站由采水單元、配水單元、檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和輔助單元組成。

在廣西水資源水質(zhì)監(jiān)控建設(shè)中，結(jié)合水庫(kù)和河道情況，在能反映監(jiān)控污染物的變化趨勢(shì)的要求下主要采用濕化學(xué)法、電極法、UV+FL 光譜融合分析法監(jiān)測(cè)方式對(duì)飲用水源地進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

（1）濕化學(xué)法。該方法是基于實(shí)驗(yàn)室經(jīng)典化學(xué)法的水質(zhì)在線分析方法，具有高精度、穩(wěn)定性好、易擴(kuò)展等顯著的優(yōu)點(diǎn)，由于技術(shù)成熟，是目前使用最廣的監(jiān)測(cè)方法之一，但存在占地面積大，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備單價(jià)高，后期維護(hù)成本高的缺點(diǎn)。

（2）電極法。主要是通過(guò)使用各種水質(zhì)探頭，測(cè)定水體中某種物質(zhì)或物化特性所產(chǎn)生的光、電信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)率定模型轉(zhuǎn)換得出該物質(zhì)的濃度或水的物理特性。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，檢測(cè)周期較短，建設(shè)成本低，安裝簡(jiǎn)便，便于后期維護(hù)，但存在檢測(cè)精度低，可檢測(cè)的參數(shù)指標(biāo)有限，主要應(yīng)用于常規(guī)5 參數(shù)、氨氮、鹽度等10余項(xiàng)參數(shù)。

（3）光譜法。分析儀器主要有在線UV 吸收光譜分析儀和新型UV+FL 光譜融合分析儀兩種。通過(guò)光譜分析儀利用紫外-可見(jiàn)光（UV）波段通過(guò)測(cè)量光束接收端的UV 吸收光譜強(qiáng)度，利用光譜強(qiáng)度和數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到水中有機(jī)物綜合指標(biāo)的測(cè)量值。這種監(jiān)測(cè)方法無(wú)需試劑，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，便于后期運(yùn)行維護(hù)，但易受水質(zhì)濁度條件限制，擴(kuò)展性差，監(jiān)測(cè)精度不穩(wěn)定，適用于水質(zhì)較好的水源地監(jiān)測(cè)。

在廣西水資源水質(zhì)監(jiān)測(cè)建設(shè)中，對(duì)于具有放置設(shè)備條件的水源地采用濕化學(xué)+電極法進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，水質(zhì)較好且維護(hù)需求小的湖庫(kù)型水源地采用UV+FL光譜融合分析法進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

3.3 數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換是整個(gè)廣西水資源物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)流通樞紐。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)，平臺(tái)將控制指令發(fā)送至監(jiān)測(cè)站點(diǎn)?，F(xiàn)有的主流數(shù)據(jù)傳輸方式有GPRS、北斗衛(wèi)星、LoRa、Zigee等。LoRa 和Zigee 均適用于相對(duì)較短距離的傳輸，由于站點(diǎn)分布廣，位置較為偏僻的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域多，而目前通過(guò)北斗衛(wèi)星傳輸建設(shè)成本和運(yùn)維成本偏高。GPRS 適用于長(zhǎng)距離傳輸，區(qū)內(nèi)移動(dòng)信號(hào)較為良好，運(yùn)營(yíng)商信號(hào)基站基本實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，可通過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的物聯(lián)卡服務(wù)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS的形式傳輸。根據(jù)廣西水資源信息采集點(diǎn)多范圍廣的特點(diǎn)，主要采用GPRS方式。

3.4 應(yīng)用平臺(tái)

基于一期項(xiàng)目的建設(shè)基礎(chǔ)，廣西水資源監(jiān)控能力二期項(xiàng)目建設(shè)對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行整合完善。在國(guó)家下發(fā)的三級(jí)通軟件基礎(chǔ)上將取用水相關(guān)業(yè)務(wù)等業(yè)務(wù)模塊根據(jù)廣西的實(shí)際需求進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，并系統(tǒng)集成，通過(guò)用戶分類(lèi)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)分級(jí)、分用戶展示。

建立數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)各類(lèi)數(shù)據(jù)共享。經(jīng)過(guò)初步整編后的信息，按照水資源監(jiān)控的需求，以圖表等形式在系統(tǒng)平臺(tái)界面進(jìn)行可視化展示，按照水資源分析和管理機(jī)制，建立各種告警規(guī)則，設(shè)置告警閾值，通過(guò)算法分析評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行告警，實(shí)現(xiàn)水資源監(jiān)控智能化管理。

4 建設(shè)成效

廣西水資源物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)完善和優(yōu)化，合理選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)方式，在二期項(xiàng)目中建成了1174 個(gè)取用水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和22個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)的整合和升級(jí)，順利實(shí)現(xiàn)與國(guó)家平臺(tái)的數(shù)據(jù)聯(lián)通，試運(yùn)行期整體系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，并于2019年8月順利通過(guò)各子系統(tǒng)驗(yàn)收，2019年12月通過(guò)由水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所組織的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)評(píng)估，成為全國(guó)第四個(gè)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)評(píng)估的省份。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著“水利設(shè)施補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的改革發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用中不斷深化與推進(jìn)，廣西水資源監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)取得重大成效，基本實(shí)現(xiàn)廣西規(guī)模以上的取用水監(jiān)測(cè)以及重要飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，為廣西的水資源調(diào)配決策提供有力支撐，成為廣西水資源的“強(qiáng)監(jiān)管”發(fā)展的主要推助力之一。