彭 燁， 李曉如， 韓勇華

(深圳市深水龍崗水務集團有限公司，廣東深圳518030)

原水水質直接關系到飲用水安全，與生產生活息息相關。近年來，水源水質污染事件頻發(fā)[1]，給居民的生命財產安全帶來了巨大威脅。同時，隨著工、農業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的外來污染源隨時隨地排放進入大自然，使水污染加劇，水源水質安全得不到保障。針對水源水質污染突發(fā)事件的應急和預警監(jiān)測技術一直都是國內外企業(yè)和科研機構的研究熱點，目前已有部分研究成果應用于市場，但是系統(tǒng)的建設主要集中在對水質監(jiān)測技術[2]、儀表選型及特定指標的監(jiān)測[3-7]與分析[8]，缺乏對取水方式、監(jiān)測設備全生命周期管理及外部環(huán)境安全性的考慮。

本研究以深圳某水庫為對象，從水庫水源在線監(jiān)測預警系統(tǒng)全要素出發(fā)，構建了取樣、監(jiān)測、預警、運維、安防一體化的系統(tǒng)架構，結合水庫供水分布區(qū)域確定了最佳取水位置及方式。同時，針對水庫水質特征，參考深圳市供水智慧化建設指引，確定了水庫水源監(jiān)測指標，為確保監(jiān)測數(shù)據的準確性，構建了基于AR技術的設備全生命周期管理模塊，并從智慧安防角度出發(fā)，設立了一套基于邊緣計算的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)異物入侵快速檢測及報警，從而為水源水質在線預警安全穩(wěn)定運行及應急響應提供數(shù)據支撐及決策支持。

1 技術路線

水庫水源水質在線監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)、數(shù)據傳輸系統(tǒng)、預警監(jiān)控軟件系統(tǒng)構成，每個系統(tǒng)又包含多個部分，系統(tǒng)技術架構見圖1。

圖1 水庫水源水質在線監(jiān)控預警系統(tǒng)技術架構Fig.1 Technical framework of on-line monitoring and warning system for reservoir water source quality

硬件系統(tǒng)由自動采樣系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、水質監(jiān)測儀表、子站控制系統(tǒng)、生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)、智慧安防監(jiān)控系統(tǒng)等組成，主要實現(xiàn)對原水取樣、水質監(jiān)測、數(shù)據采集、數(shù)據存儲、數(shù)據分析、設備控制及站房視頻監(jiān)控，屬于整個系統(tǒng)的感知層。數(shù)據傳輸系統(tǒng)采用互聯(lián)網專線(網絡應用型)解決方案，可將采集數(shù)據及視頻通過專線傳輸至預警監(jiān)控軟件系統(tǒng)，既保證了數(shù)據傳輸?shù)募皶r性、穩(wěn)定性又可兼顧數(shù)據傳輸?shù)陌踩?，屬于整個系統(tǒng)的傳輸層。預警監(jiān)控系統(tǒng)為系統(tǒng)的應用層，主要實現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據展示與查詢、數(shù)據統(tǒng)計與分析、設備全生命周期管理、應急管理等功能，具備平臺、短信、APP三級預警機制。

2 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件由多個部分組成，包含取樣點選址及設計、預處理系統(tǒng)、水質監(jiān)測儀表、子站控制系統(tǒng)、生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)、智慧安防監(jiān)控系統(tǒng)等，主要實現(xiàn)水庫水質的快速監(jiān)測及預警。

2.1 取樣點選址及設計

原水取樣點的選址除了需滿足監(jiān)測的實用性，還需綜合考慮施工及后期運維的方便性。深圳某水庫供應多家水廠，日供水量約為25×104m3，考慮到該水庫原水至水廠需經過原水加壓泵站，泵站在水庫岸邊且距離沿線水廠較遠，有足夠預警時間，因此選擇將在線監(jiān)測系統(tǒng)設在原水加壓泵站內。

本項目取水系統(tǒng)采用水庫泵后原水管開口取水，采用三通閥，取水口1用1備。考慮后期運維的便利性，需在管道開口處制作閥門檢修井，供后期檢修使用，其內部結構見圖2。

圖2 檢修井內部結構示意Fig.2 Internal structure of manhole

系統(tǒng)采用原水管泵后取水，通過調節(jié)閥門大小可控制水壓在合理范圍內，同時系統(tǒng)取水管管材要求耐腐蝕、耐沖撞，外部套用PVC管。取水管敷設需做管溝，便于定期更換取水管。

2.2 監(jiān)測指標的選擇

為加快推進深圳市供水智慧化建設，提升供水行業(yè)智慧化管理水平，深圳市水務局于2021年組織編制了《深圳市供水智慧化建設指引》(以下簡稱《建設指引》)?！督ㄔO指引》明確了水源在線監(jiān)測指標應包括濁度、pH、水溫、溶解氧、電導率、氨氮、CODMn及水質生物毒性指標。

在滿足《建設指引》要求的基礎上，借鑒目前國內外成熟建設經驗并綜合考慮水庫水質可能的污染源，確定將水溫、電導率、溶解氧、pH、濁度、葉綠素、氨氮、CODMn、TOC、水位、氧化還原電位(ORP)、總磷、總氮、水質綜合生物毒性這14項作為水庫水質在線監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測指標。

2.3 預處理系統(tǒng)

預處理系統(tǒng)既要保證能夠除去水中較大顆粒雜質和泥沙，又要保證進入分析儀器的水樣中被測成分不變。本系統(tǒng)選用Y型過濾器，具有結構先進、阻力小、排污方便等特點，便于后期維護與清洗。

2.4 子站控制系統(tǒng)

子站控制系統(tǒng)采用基于工業(yè)級PLC的可編程邏輯控制器，系統(tǒng)的控制單元具有系統(tǒng)控制、數(shù)據采集、存儲及分析功能。系統(tǒng)控制實現(xiàn)水質自動監(jiān)測系統(tǒng)水樣采集、預處理、儀表測量、校準、清洗等過程控制，能完成超標留樣、定時留樣以及遠程留樣。

現(xiàn)場控制軟件通過對現(xiàn)場數(shù)據進行采集、存儲及分析，可顯示測量參數(shù)、監(jiān)測流程圖和設備運行狀態(tài)等，能夠判斷故障部位和原因，具備故障以及狀態(tài)異常自動報警功能。可對進水水路、排水水路及反沖洗水路以不同顏色區(qū)分顯示，系統(tǒng)監(jiān)測流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)測流程Fig.3 Monitoring flow of the system

2.5 生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)

生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測和預警水質突變的功能。系統(tǒng)以國際公認的毒理性標準指示生物斑馬魚作為探測生物，利用圖像法分析水生物的行為參數(shù)[9]，建模后快速得出水質綜合毒性指數(shù)，結合理化監(jiān)測，進一步分析水體污染情況，且可實現(xiàn)無人值守的連續(xù)在線自動監(jiān)控。

2.6 智慧安防監(jiān)測系統(tǒng)

智慧安防監(jiān)測系統(tǒng)采用“邊緣節(jié)點+高清攝像頭”模式[10]，融合計算、存儲、網絡等基礎能力，支持業(yè)務規(guī)則、算法及應用的靈活配置，可快速識別異物入侵監(jiān)測，同時將分析結果通過數(shù)據傳輸系統(tǒng)上傳至預警監(jiān)控系統(tǒng)，確保監(jiān)測站周邊運行環(huán)境安全。

3 數(shù)據傳輸系統(tǒng)

數(shù)據傳輸系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的傳輸層，采用互聯(lián)網專線(網絡應用型)將采集的各類水質信息和現(xiàn)場視頻傳輸至預警監(jiān)控系統(tǒng)。依托雄厚的網絡資源，數(shù)據傳輸速率高，可滿足實時性要求。

4 預警監(jiān)控系統(tǒng)

預警監(jiān)控系統(tǒng)基于B/S架構開發(fā)，具備PC端及移動端APP應用，具備數(shù)據查詢、數(shù)據分析、報表統(tǒng)計、地圖總覽、設備管理、應急管理、系統(tǒng)管理七大基礎功能模塊。

4.1 設備管理

設備管理提供AR智能識別功能，可核對實物與賬物是否相同，調出設備的臺賬信息及歷史運行情況，并查看設備作業(yè)指導手冊等。

可通過AR技術邀請外部專家進行遠程指導，使整個設備的運維過程更加透明和直觀，運維質量有保證，設備管理更加智能化。

4.2 應急管理

應急作為水質預警一個重要環(huán)節(jié)，在保障供水安全方面意義重大。當監(jiān)測到水質突變時，系統(tǒng)將嚴格按照原水水質突變應急管理流程進行預警，圖4所示為某水務企業(yè)目前水質突變應急響應流程。

圖4 水質突變應急響應流程Fig.4 Emergency response process of sudden water quality change

為滿足業(yè)務需求，系統(tǒng)為應急響應提供了有效的信息化支撐，開發(fā)了一套可視化應急預案流程配置工具，業(yè)務人員可隨需配置應急流程，系統(tǒng)按照配置的應急流程自動流轉，滿足應急需求。同時系統(tǒng)從應急全要素出發(fā)，通過“應急一張圖”集中展示了各類應急事件來源、處理過程及可調控資源，可實現(xiàn)對應急人員、車輛、物資的科學分配處置，確保應急工作有序開展，如圖5所示。通過對應急全流程的跟蹤及處理，系統(tǒng)可為水質事件整理及回溯提供依據，助力提升企業(yè)水質突變應急響應能力。

圖5 預警系統(tǒng)“應急一張圖”示意Fig.5 Schematic diagram of "Emergency Map" of the early warning system

5 應用情況

目前該系統(tǒng)已在某水務企業(yè)試運行8個月，實現(xiàn)了對某水庫水源14項水質指標的常規(guī)連續(xù)監(jiān)測(見圖6)，并可對水域污染突發(fā)事件進行應急檢測處置，及時發(fā)布水環(huán)境狀況報告等。設備、數(shù)據在線率達到100%，管理人員可隨時隨地掌控水質變化情況，確保原水水質安全。

圖6 預警系統(tǒng)多參數(shù)曲線分析Fig.6 Multi-parameter curve analysis of the early warning system

6 結語

水源質量直接影響用水質量，關系到人民的身體健康，因此在水質的全流程監(jiān)測過程中，加強源頭水質監(jiān)測尤為重要。從硬件系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和預警監(jiān)測系統(tǒng)3層架構出發(fā)，結合后期運維便利性及應急響應等要求，借助現(xiàn)有AR、邊緣計算等信息化技術，完成了一套標準化原水預警監(jiān)測系統(tǒng)的搭建，確保了水庫水源水質監(jiān)測的實時性、準確性與先進性。