生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目含沙量智慧監(jiān)測設(shè)備研究與應(yīng)用

夏 兵,張禎堯,蔣 達(dá),黃守科,王永喜,王耀建

(1.深圳市北林苑景觀及建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 深圳 518055;2.深圳市盈順達(dá)科技有限公司,廣東 深圳 518071)

1 研究背景

1.1 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失

城市水土流失具有敏感性、人為性、突發(fā)性[1-3]。以深圳市為例,據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示,全市水土流失面積約59.57 km2,其中因生產(chǎn)建設(shè)活動產(chǎn)生的水土流失面積占比高達(dá)70%,生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持是城市水土流失防治工作的重點(diǎn)[4]。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持通常與城市生態(tài)緊密結(jié)合,以防治水土流失為主要目的,從水土保持設(shè)計(jì)到施工各個環(huán)節(jié),采取多種水土保持措施進(jìn)行水土流失防治[5]。深圳自20世紀(jì)90年代提出城市水土保持的概念,在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失治理、裸露山體缺口治理、水土保持科技示范園技術(shù)展示、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理等多個方面開展了大規(guī)模的探索與實(shí)踐,在城市建設(shè)的各個領(lǐng)域進(jìn)行水土保持理論研究和技術(shù)創(chuàng)新,豐富和拓展了城市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持的內(nèi)容[6]。但在水土保持工作發(fā)展過程中,有關(guān)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池排水口含沙量的專項(xiàng)監(jiān)測技術(shù)、體系尚不完備。

1.2 生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目含沙量監(jiān)測領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失

目前,針對自然地的徑流、含沙量監(jiān)測,通常是采取在坡面設(shè)置徑流小區(qū)的方式,根據(jù)《紅壤區(qū)坡面徑流小區(qū)徑流泥沙監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(DB36/T 1590—2022),通過集流槽、集流桶收集坡面徑流,再通過烘干法測定徑流中的含沙量;對于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的監(jiān)測工作,主要根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51240—2018),以徑流小區(qū)法、測釬法、集沙池法對水土流失狀況、土壤侵蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測;而對于懸移質(zhì)含沙量的專項(xiàng)監(jiān)測,多以河道為主,根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》(GB/T 50159—2015),通常是經(jīng)樣品采集再通過烘干法、置換法、過濾法等得出含沙量。此類監(jiān)測方法缺乏長時(shí)間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù),誤差較大,且難以適用于高濁度含沙量的監(jiān)測。

1.3 行業(yè)需求

一方面,針對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目排水含沙量的監(jiān)測,傳統(tǒng)的監(jiān)測工作主要采取現(xiàn)場巡查及取樣烘干稱量的方式,這種方式往往由于監(jiān)測人員無法及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場,且監(jiān)測范圍小、方式單一,導(dǎo)致數(shù)據(jù)具有一定的滯后性和瞬時(shí)性,監(jiān)測結(jié)果缺乏代表性,參考價(jià)值很有限。在面臨極端天氣、短時(shí)強(qiáng)降雨的情況下,工程建設(shè)項(xiàng)目最易產(chǎn)生大量黃泥水,而多數(shù)工程建設(shè)項(xiàng)目無法實(shí)現(xiàn)事前及時(shí)有效監(jiān)管,經(jīng)常是下游的河道干流已有大量黃泥水流入才進(jìn)行排查、溯源。

另一方面,生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目排水是城市黃泥水的重要來源之一,而以往針對含沙量的監(jiān)測工作多集中在河流和城市管網(wǎng),鮮有將監(jiān)測點(diǎn)定為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的沉沙池的,忽略了這一可能對水環(huán)境造成威脅的源頭。研發(fā)高精度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備,是解決當(dāng)前生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目黃泥水監(jiān)測工作所面臨的“測不到、測不準(zhǔn)、代價(jià)大”三大問題的根本途徑。因此,通過研發(fā)、推廣泥沙智慧監(jiān)測設(shè)備,解決生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目黃泥水的監(jiān)測能力問題迫在眉睫,解決這一行業(yè)關(guān)鍵問題也是治水提質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。同時(shí),對建設(shè)工程水環(huán)境泥沙排放含量智慧監(jiān)測技術(shù)的研究亦是解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)之間矛盾的有效途徑之一。

1.4 監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

水質(zhì)濁度監(jiān)測儀器的原理普遍為光透射及散射原理,典型的包括國內(nèi)于2003年授權(quán)的專利——水質(zhì)濁度測量儀的光電檢測裝置(CN2556638Y),是一種可適用于多種場景、多種光源檢測的檢測儀,解決了以往水質(zhì)濁度測量儀光電檢測裝置的衰減光檢測器沒有設(shè)置光欄、散射光檢測器沒有設(shè)置凸透鏡結(jié)構(gòu)等問題;國外典型的是由埃里克·德科斯塔等設(shè)計(jì)的光學(xué)傳感器元件和光學(xué)樣品分析裝置(CN102636432A)。但在水體含沙量這個細(xì)分領(lǐng)域的監(jiān)測設(shè)備,尤其是在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的含沙量智慧監(jiān)測方面,還沒有針對性的研發(fā)。

2 設(shè)備研發(fā)探索

2.1 研發(fā)目標(biāo)及成果

一方面,國外進(jìn)口儀器雖然具備較高檢測精度,但造價(jià)昂貴且無法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸;國內(nèi)的類似產(chǎn)品較多,但處于較低端水平,儀器檢測精度低,檢測結(jié)果缺乏高質(zhì)量的時(shí)間序列;另一方面,目前國內(nèi)外泥沙檢測儀器使用時(shí)都不能長期浸泡在高濁度的水環(huán)境中,原因是惡劣的檢測環(huán)境會導(dǎo)致精度嚴(yán)重下降。因此,急需一種高精度、可在含沙量較大的水體中長時(shí)間浸泡的在線含沙量監(jiān)測設(shè)備。

筆者團(tuán)隊(duì)針對國內(nèi)目前沒有能夠勝任生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池排水口高濁度含沙量監(jiān)測裝置這一行業(yè)缺失,自主研發(fā)出一種能夠適用于建設(shè)項(xiàng)目排口的含沙量監(jiān)測設(shè)備(見圖1),本設(shè)備是一種構(gòu)造成作為模塊化濁度傳感器裝置工作的光學(xué)樣品分析裝置,且具有至少一個構(gòu)成為光接收元件的光學(xué)傳感器元件和一個構(gòu)成為發(fā)光元件的光學(xué)傳感器元件。利用太陽能供電,并通過4G CAT1進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,信號覆蓋范圍廣,在保證檢測精度的同時(shí),無需人為干預(yù)。同時(shí),針對目前現(xiàn)存技術(shù)儀器的另一大弊端無法聯(lián)網(wǎng),加大了數(shù)據(jù)聯(lián)通的成本,在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,通過建立手機(jī)APP的手段實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng),打造數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通機(jī)制。

圖1 設(shè)備實(shí)物

2.2 運(yùn)行原理

儀器運(yùn)行原理為光的透射及散射(見圖2),濁度作為表征水體光學(xué)性質(zhì)的參數(shù),表示水中的懸浮顆粒對光線投射產(chǎn)生阻礙作用的程度。當(dāng)一束光線射向水樣中,水中的物質(zhì)與光線相互作用,會產(chǎn)生折射、散射和吸收,根據(jù)入射光的衰減程度,從而測出水樣濁度的大小。在物理現(xiàn)象中表現(xiàn)為,當(dāng)水越渾濁,透射光越弱,散射光越強(qiáng);反之,透射光越強(qiáng),散射光越弱。研發(fā)過程采取大量數(shù)據(jù)耦合試驗(yàn),包括:實(shí)地采樣不同濃度泥沙水體及特殊濃度標(biāo)準(zhǔn)液等;主控單元采取了恒流源保證供電穩(wěn)定不產(chǎn)生波動;加入了載波防止其他光源干擾,發(fā)射光源穩(wěn)定;主控單元增加前置放大增益控制,并采取高精度ADC采集控制計(jì)算模塊,數(shù)據(jù)更精確。在儀器成品完成以后,將成品與水質(zhì)檢測行業(yè)領(lǐng)先的哈希高精度懸浮物檢測儀進(jìn)行對比試驗(yàn),確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性處于同一水平。

圖2 設(shè)備運(yùn)行原理

2.3 功能優(yōu)勢

2.3.1 自清潔功能

目前,市面上已有的含沙量監(jiān)測儀器都缺乏自動清潔探頭的功能,此類儀器長期浸泡在高濁度含沙量的水環(huán)境中,隨著時(shí)間增長,檢測精度會出現(xiàn)下降趨勢,監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度、可信度會隨著儀器使用年限增長而降低。本項(xiàng)目自主研發(fā)的含沙量檢測裝置,由太陽能供電,探頭設(shè)置自清潔功能,在無人為干預(yù)的前提下,監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性隨著設(shè)備的使用年限增長還能夠維持穩(wěn)定。

2.3.2 智慧監(jiān)測

本項(xiàng)目自主研發(fā)儀器在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,通過連接手機(jī)APP的手段實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng),打造數(shù)據(jù)的共享和互聯(lián)互通機(jī)制,具有以下特點(diǎn):設(shè)備體積小,24 h不間斷監(jiān)測更為便利;APP實(shí)時(shí)在線可查,水務(wù)監(jiān)管反應(yīng)更精確迅速;核心技術(shù)的創(chuàng)新及大量數(shù)據(jù)耦合試驗(yàn)給出科學(xué)數(shù)據(jù)支持。在實(shí)時(shí)監(jiān)測、無人為干預(yù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通,智慧監(jiān)管(見圖3)。

圖3 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)示意

2.4 耦合試驗(yàn)

本設(shè)備研發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn)液模擬不同濁度的水環(huán)境,通過對標(biāo)準(zhǔn)液的濃度設(shè)置不同的梯度區(qū)間(0～500 mg/L,>500～2 000 mg/L,>2 000～8 000 mg/L),建立數(shù)據(jù)耦合試驗(yàn),通過不同濃度標(biāo)準(zhǔn)液的耦合試驗(yàn)結(jié)果對本設(shè)備精度進(jìn)行檢驗(yàn)及校準(zhǔn)。經(jīng)檢驗(yàn)和校準(zhǔn)后,對同一水體分別用本設(shè)備和水質(zhì)檢測行業(yè)領(lǐng)先的高精度進(jìn)口儀器(哈希SOLITAXTMsc懸浮物檢測儀)進(jìn)行濁度檢測,將二者檢測結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果顯示,本設(shè)備檢測的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性與哈希高精度懸浮物檢測儀處于同一標(biāo)準(zhǔn),并且本設(shè)備的反應(yīng)靈敏度還要略高。

3 場地試驗(yàn)

以往關(guān)于水體中固體懸浮物(SS)監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用,多集中在河道以及市政雨水管網(wǎng),一定程度上忽視了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池排水口這一對水環(huán)境具有威脅的源頭。本設(shè)備針對高濃度含沙量水體的監(jiān)測,適用場景不僅限于河道以及市政雨水管網(wǎng),更可以在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池排水口進(jìn)行安裝使用,對排水口懸移質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、上傳。在儀器投產(chǎn)使用之前,在實(shí)地及生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目做了大量試點(diǎn)試驗(yàn),改進(jìn)了很多細(xì)節(jié)以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。本研究應(yīng)用場景設(shè)置的采集頻率為5 min/次。設(shè)備設(shè)定了3個監(jiān)測區(qū)間:<200 mg/L,200 ～<500 mg/L,≥500 mg/L。當(dāng)含沙量監(jiān)測數(shù)據(jù)低于200 mg/L,APP顯示數(shù)據(jù)信息為綠色,當(dāng)含沙量監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警閾值(200 mg/L、500 mg/L),設(shè)備會將報(bào)警信息自動上傳APP,報(bào)警顏色顯示依次為黃色、紅色。

3.1 典型應(yīng)用

儀器已于2022年下半年在深圳市深灣片區(qū)陸續(xù)投入使用,應(yīng)用場景為各項(xiàng)目與市政管網(wǎng)交界地帶。深灣片區(qū)臨近深圳灣公園,片區(qū)在建工程較多,工地黃泥水通過14號排水口排入深圳灣,影響極易引人關(guān)注。該設(shè)備針對深圳灣14號排水口及上游排水口的使用,是深圳市第一個生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失量化監(jiān)管示范項(xiàng)目(見圖4、圖5)。設(shè)置每5 min取一次數(shù)據(jù),每15 min上傳一次數(shù)據(jù),截至2022年11月18日,深灣片區(qū)12個設(shè)備安裝點(diǎn)共計(jì)獲取數(shù)據(jù)411 096條。通過對含沙量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,得出:多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)位在8—10月含沙量監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)(見表1);4號、8號點(diǎn)位8月含沙量平均數(shù)據(jù)超過了閾值(200 mg/L);9號點(diǎn)位8—10月含沙量監(jiān)測數(shù)據(jù)均較大,其中8月平均含量達(dá)到411 mg/L;11號點(diǎn)位8月平均含量達(dá)到404 mg/L。通過進(jìn)一步分析得知,含沙量超過預(yù)警值的4個點(diǎn)位數(shù)據(jù)超標(biāo)情況主要集中在8月,這與氣候因素有很大關(guān)系,主要是由于降雨量大、暴雨頻率高導(dǎo)致地表徑流量大,進(jìn)而造成泥沙搬運(yùn)、堆積的概率增高。

表1 深灣片區(qū)各點(diǎn)位8—10月含沙量數(shù)據(jù) mg/L

圖4 深灣片區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位示意

圖5 各點(diǎn)位現(xiàn)場照片

3.2 對比試驗(yàn)

除市政雨水管網(wǎng)外,將本設(shè)備針對不同場景的應(yīng)用進(jìn)行了對比試驗(yàn),具體做法是于2022年8—10月將設(shè)備分別安裝在河道、生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池排水口、雨水井,對3種場景下的含沙量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,基于不同場景下3個月的數(shù)據(jù)積累,對試驗(yàn)設(shè)備近10萬條數(shù)據(jù)的有效性占比進(jìn)行了分析(見表2)。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池排水口的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,100%為有效數(shù)據(jù);而安裝在河道和雨水井的監(jiān)測設(shè)備受各種因素影響,有效數(shù)據(jù)占比分別為79.6%和70.2%。通過對現(xiàn)場情況的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),安裝在河道的泥沙監(jiān)測設(shè)備的探頭位置是固定的,而河道水位卻會因枯水期的到來發(fā)生劇烈波動,有的點(diǎn)位甚至?xí)霈F(xiàn)斷流的情況,導(dǎo)致探頭無法接觸水體,這是河道數(shù)據(jù)異常的主要原因。對于連接市政雨水管網(wǎng)的雨水井,本次設(shè)備研發(fā)的設(shè)想是采用太陽能板供電,而應(yīng)用于雨水井中的泥沙監(jiān)測設(shè)備受實(shí)地環(huán)境限制無法連接太陽能板,只能采取電池供電的方式,但該設(shè)備設(shè)置的數(shù)據(jù)采集頻次較高(5 min/次),耗電量高,因此目前電池的續(xù)航能力難以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性,約3個月需更換一次電池,且雨水管網(wǎng)里面條件復(fù)雜,不時(shí)有塑料袋、木頭等雜物干擾,需要更多頻次的現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)。相比于地下管網(wǎng)的復(fù)雜條件和河道水位的不可控性,沉沙池泥沙監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)更加容易。

表2 不同應(yīng)用場景含沙量數(shù)據(jù)有效性占比

事實(shí)證明,相比于河道、雨水井等其他場景,應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池的該監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)有效性占比最高,且針對沉沙池高濁度的泥沙,本設(shè)備的適應(yīng)性、精確性、即時(shí)性非常理想。

4 結(jié)束語

通過前期耦合試驗(yàn)和場地試驗(yàn)證明,該設(shè)備檢測精度達(dá)到國外高精度懸浮物檢測儀器的精度,且適用于高濁度的含沙水體。監(jiān)測對比試驗(yàn)的結(jié)果顯示,相比于河道和雨水井,該設(shè)備更能適應(yīng)對生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池的含沙量監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性、即時(shí)性、連續(xù)性都有很好的保證。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目含沙量監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用,旨在推動治水從鞏固治污成果轉(zhuǎn)向全面提質(zhì),探索建立生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失全鏈條監(jiān)管體系,形成一系列可復(fù)制、可推廣的量化監(jiān)管經(jīng)驗(yàn),從而減輕人為水土流失帶來的黃泥水入河面源污染和人民群眾親水負(fù)面感官問題。加大水土保持新設(shè)備、新理念的應(yīng)用,可為今后深圳城市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作提供有力的技術(shù)支撐,對提升深圳市城市生態(tài)環(huán)境具有重要意義,有助于深圳市乃至全國城市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持發(fā)展。