基于物聯(lián)網(wǎng)感知體系的城市河道污染監(jiān)測研究

顧嘉嘉

（深圳市龍崗區(qū)水務(wù)局,廣東 深圳 518172）

城市水文方面龍崗區(qū)自建監(jiān)測站點(diǎn)比較薄弱,水庫水情、河道水情等監(jiān)測站點(diǎn)大部分都由市水文水質(zhì)中心所建,中小河流水位雨量視頻三要素監(jiān)測未實(shí)現(xiàn)全覆蓋,難以滿足精細(xì)化管理的要求。水環(huán)境方面除進(jìn)行污水處理廠進(jìn)出口水質(zhì)在線監(jiān)測外,龍崗區(qū)水務(wù)局仍不能完全掌控全區(qū)河流水環(huán)境情況。為此,研究以深圳市龍崗區(qū)為對象,對其河道污染的監(jiān)測方法進(jìn)行深入探索。研究旨在通過對河道水情水質(zhì)的實(shí)時(shí)精確的監(jiān)測,以期為區(qū)域水環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

目前,深圳移動4G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋整個(gè)深圳,已成為我國4G 網(wǎng)絡(luò)最密集的城市,其NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達(dá)到98%以上,5G 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也躋身全球城市前列,該市年底預(yù)計(jì)建設(shè)大約8500 個(gè)5G 基站。龍崗區(qū)隸屬廣東省深圳市。該區(qū)位于深圳市的東北部,轄區(qū)總面積為388.21 km2。龍崗區(qū)同時(shí)也是深圳通往福建、惠州、汕頭等地的必經(jīng)之路。龍崗區(qū)年均相對濕度為80%,年均降水量為1933 mm,年均降雨天數(shù)為140 天。龍崗區(qū)包含62 條流域面積大于1 km2的河流,其河道總長度211.56 km。主要劃分為3 個(gè)流域,即龍崗河流域、深圳河河域,以及觀瀾河域。龍崗區(qū)共有13 座城市生活污水處理廠, 以及11 座分散式污水處理設(shè)施。總處理規(guī)模173.6 萬m3/d,占全市約24%。表1 為龍崗河流域各污水處理具體情況。

表1 龍崗河流域各污水處理情況

2 基于物聯(lián)網(wǎng)感知體系的城市河道污染監(jiān)測方法

2.1 物聯(lián)網(wǎng)感知體系

信息技術(shù)與多學(xué)科的交叉及應(yīng)用研究,已逐漸成為科研工作的主流方向。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Things,IoT）起源于傳媒領(lǐng)域,是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是將無線網(wǎng)絡(luò)、電子射頻、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合的新一代信息技術(shù),已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域全面鋪開[1]。在河道水質(zhì)污染監(jiān)測中,往往需要對水體的重金屬含量、有機(jī)物含量等有關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到水環(huán)境中,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、高效的數(shù)據(jù)傳輸。在獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)之后,再根據(jù)其不同特征,來進(jìn)行科學(xué)、合理的決策。物聯(lián)感知體系基于水量水質(zhì)監(jiān)測相結(jié)合,駐站監(jiān)測和移動監(jiān)測相結(jié)合的一體化立體監(jiān)測技術(shù)。及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地監(jiān)測龍崗區(qū)的水情與水質(zhì)狀況。實(shí)現(xiàn)全覆蓋的信息內(nèi)容,全天候的監(jiān)測時(shí)間,聯(lián)機(jī)感知。

2.2 城市河道水質(zhì)水情監(jiān)測

城市河道的水情、水質(zhì)感知信息采集方法,一是利用前端監(jiān)測站點(diǎn)的建立來收集水情信息。另外,市水務(wù)局,市生態(tài)環(huán)境局,龍崗區(qū)供水、排水管網(wǎng)等部門的數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)共享的形式得到。不含前端站點(diǎn)建設(shè),僅是信息接人。龍崗區(qū)新建水情水質(zhì)監(jiān)測包含河道水情、水位、雨量、流量、水質(zhì)、內(nèi)澇積水深度,排水系統(tǒng)液位/流量/水質(zhì)監(jiān)測、城市面源污染水質(zhì)監(jiān)測。排水管網(wǎng)已建360 套監(jiān)測設(shè)備,直接接入本項(xiàng)目新建的物聯(lián)網(wǎng)平臺。對其他單位已經(jīng)建成的水情水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),以數(shù)據(jù)共享的方式采集,通過“智慧龍崗”大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行共享。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

龍崗區(qū)河流水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)感知體系,利用布設(shè)于河流中的傳感器,對河流水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。并將其上傳到在線監(jiān)測平臺,對其進(jìn)行存儲與分析。網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)可為用戶提供地理信息查詢,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)地圖可視化,以及主題地圖繪制[2]。在龍崗區(qū)河道進(jìn)出口,固定排污點(diǎn),重點(diǎn)監(jiān)控?cái)嗝?。河流彎曲較大,流速較慢的地區(qū),采用水力傳感技術(shù)對其進(jìn)行自動監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)對水體溫度、 pH 值、渾濁度、溶解氧和電導(dǎo)率等多個(gè)參數(shù)的自動化檢測,為河流流域水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)提供基本數(shù)據(jù)。圖1 為監(jiān)測系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)框架

圖1 中網(wǎng)絡(luò)層是把收集到的數(shù)據(jù)快速、可靠地傳送給應(yīng)用層的核心。從數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、傳輸安全性,以及可靠性的角度出發(fā),采用 GPRS 技術(shù)進(jìn)行水情水質(zhì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸,具有投資少,安裝靈活,維護(hù)方便等特點(diǎn)[3]。應(yīng)用層主要是對系統(tǒng)的用戶應(yīng)用進(jìn)行管理,對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)展開存儲、處理等,并為用戶提供統(tǒng)一的平臺應(yīng)用入口。LED 監(jiān)視器主要是將水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以表格的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,并在室外進(jìn)行信息發(fā)布與展示。Web 頁面主要是為了將監(jiān)測資料提供給管理者和大眾,以達(dá)到對水質(zhì)資料的查詢與共享。

3 異常狀態(tài)的時(shí)空關(guān)聯(lián)監(jiān)測

目前大部分水情水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)均是單獨(dú)運(yùn)行,按照各自的時(shí)間間隔,對其進(jìn)行實(shí)時(shí)的感知監(jiān)測。針對水體中的高流動性、高擴(kuò)散性污染,無法對其峰值、擴(kuò)散等情況進(jìn)行有效監(jiān)測的問題。研究針對異常狀況下,提出了一種監(jiān)測點(diǎn)位時(shí)空相關(guān)性收集感知方法。正常模式下,該系統(tǒng)以預(yù)先設(shè)定的循環(huán)時(shí)間來收集和監(jiān)測水情水質(zhì)參數(shù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳上報(bào)。若該監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控指標(biāo)超過國家規(guī)定的數(shù)值,則該裝置將進(jìn)入特殊監(jiān)測模式。當(dāng)城市河流污染達(dá)到一定范圍時(shí),在監(jiān)測設(shè)備管理子系統(tǒng)的調(diào)度下,自動監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測設(shè)備維持在某一監(jiān)測狀態(tài)。并根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的前三個(gè)監(jiān)測指標(biāo),對污染物濃度是否上升進(jìn)行判定。如果判定為上升,則維持密集采集狀態(tài)。否則,逐漸增加收集和監(jiān)視的間隔,直至裝置重新回到正常監(jiān)視模式。在龍崗區(qū)常規(guī)狀況下,對于水情水質(zhì)監(jiān)測的頻率很低。并且小范圍、分散的生活污水極易引起漏檢。在污染源出現(xiàn)后,研究方法可通過計(jì)算估算污染物的擴(kuò)散狀況。并通過有目的的集中收集監(jiān)測,使得監(jiān)測數(shù)據(jù)可以全面反映出水質(zhì)的變化狀況。

4 城市河道污染監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)

4.1 監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)原則

目前,三大流域一級、二級支流的水質(zhì)在線監(jiān)測站仍未建成,無法滿足河流污染源溯源、污水水體治理、流域智慧管理、“廠網(wǎng)河庫”協(xié)同調(diào)控等需求。因此需要對已有監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行補(bǔ)充和完善,在轄區(qū)內(nèi)龍崗河流域、觀瀾河流域和深圳河流域的一級、二級支流布置水情水質(zhì)監(jiān)測站。監(jiān)測站點(diǎn)的布局原則是充分實(shí)現(xiàn)信息資源的共享,避免重復(fù)建設(shè)。根據(jù)廣東省水利廳關(guān)于做好中小河流治理工程布設(shè)信息化三要素監(jiān)測設(shè)施的通知要求水位、雨量、圖像三要素可集中于“一桿式裝置”。在測定地點(diǎn)的上、下游至少要有一段相當(dāng)于河面寬度幾倍距離的直流部分,而且又不是形成堆積和沖刷的地點(diǎn)。具有足夠的水深和流量,把流速計(jì)帶來的水流紊亂影響降到最小,最好選擇具有相當(dāng)于流速計(jì)旋轉(zhuǎn)直徑至少8 倍的水深和寬度的特點(diǎn)。在測定點(diǎn)上的水流橫斷面與其上、下游的水流橫斷面之間不應(yīng)有很大的差異。以水環(huán)境功能區(qū)為界,以國考、省考、市考、入庫支流和三個(gè)主要流域的二級支流為控制斷面。斷面布置要避免死水區(qū)、回水區(qū)和排污口附近。并盡可能選擇河床穩(wěn)定,水面寬闊,無急流的地方。為了更好地利用其水文參數(shù),將水質(zhì)和水量有機(jī)地結(jié)合起來,應(yīng)在一定程度上使監(jiān)測剖面與水文測量剖面相一致。

4.2 監(jiān)測站點(diǎn)布置

目前龍崗區(qū)有26 個(gè)水質(zhì)考核斷面,40 個(gè)一周一測斷面。26 個(gè)水質(zhì)考核斷面生態(tài)環(huán)境局已經(jīng)布設(shè)了20 個(gè)自動水質(zhì)監(jiān)測站,40 個(gè)一周一測斷面中二級支流有29 個(gè),29 個(gè)二級支流生態(tài)環(huán)境局已經(jīng)布設(shè)了12 個(gè)自動水質(zhì)監(jiān)測站,根據(jù)布設(shè)原則,本項(xiàng)目需布設(shè)的水質(zhì)監(jiān)測站點(diǎn)共24 個(gè)。根據(jù)龍崗區(qū)水務(wù)局業(yè)務(wù)管理需求,河道水質(zhì)監(jiān)測站共監(jiān)測6 個(gè)參數(shù),包括pH、電導(dǎo)率、氨氮、COD、總磷、溶解氧。表2 為監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)位置與數(shù)量。

表2 國考、省考、市考監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)位置及數(shù)量

4.3 水體污染擴(kuò)散情況

利用基于物聯(lián)網(wǎng)感知體系的城市河道污染監(jiān)測方法對龍崗區(qū)河道水質(zhì)污染進(jìn)行監(jiān)測。表3 為監(jiān)測站點(diǎn)的水質(zhì)污染擴(kuò)散情況。

表3 各監(jiān)測站點(diǎn)水質(zhì)污染擴(kuò)散評價(jià)結(jié)果

由表3 可知,龍崗河流域中,新生村排水渠、低山村排水渠、上輋水、和尚徑水（電鍍廠排洪渠）這四處監(jiān)測位置的水質(zhì)污染綜合指數(shù)分別為0.38、0.17、0.08、2.31。污染級別分別為微清潔、清潔,清潔、中度污染。觀瀾河流域中,坂田河位置的水質(zhì)污染綜合指數(shù)為0.45,為微清潔級別。深圳河河域中,南坑水位置的水質(zhì)污染綜合指數(shù)為0.06,為清潔級別。

5 結(jié)論

為了解決龍崗區(qū)的水文、水環(huán)境、水安全方面的信息采集存在明顯短板的問題,研究依托市智慧水務(wù)和智慧龍崗總體框架,根據(jù)龍崗區(qū)智慧水務(wù)總體方案,結(jié)合龍崗區(qū)現(xiàn)階段水務(wù)業(yè)務(wù)重點(diǎn)。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),無線網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多種手段,構(gòu)成城市河道污染的監(jiān)測系統(tǒng)。此外,研究還提出的異常狀態(tài)下監(jiān)測點(diǎn)時(shí)空關(guān)聯(lián)采集感知方法。根據(jù)龍崗區(qū)河流小規(guī)模、突發(fā)性排污的特征,結(jié)合河流的水流速度及監(jiān)測站點(diǎn)的位置,對水體的污染擴(kuò)散情況進(jìn)行了評估,評估結(jié)果準(zhǔn)確顯示了龍崗河流域和觀瀾河流域的水體污染情況,大部分監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)污染指數(shù)均小于0.5,為清潔和微清潔水質(zhì)。該方法可通過命令來遙控各個(gè)監(jiān)測點(diǎn),實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的密集采集。從而克服了傳統(tǒng)監(jiān)測方式在連續(xù)動態(tài)上的限制,可以最大限度地反映出河道城市污染的真實(shí)狀況。