王 皓

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 項目建設(shè)背景和目標(biāo)

為踐行黨的“十八大”以來中央和習(xí)近平總書記提出的一系列重要治水思想，根據(jù)《國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目實施方案（2016-2018 年）的通知》（水財務(wù)[2016]168 號），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)水資源項目辦的組織下編制了《國家水資源監(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)合廣西的實際情況和特點，在一期項目的建設(shè)基礎(chǔ)上，完善水資源監(jiān)控管理平臺應(yīng)用系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)應(yīng)用開展水資源監(jiān)控建設(shè)，進(jìn)一步對廣西達(dá)到水量監(jiān)測要求的生活、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，對列入《全國重要飲用水水源地》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，通過數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)對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，供水人口20萬人以上的飲用水地表水水源地水質(zhì)在線監(jiān)測全覆蓋。系統(tǒng)試運行情況表明：該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控體系運行穩(wěn)定，上線率、及時率和完成率均達(dá)90%，通過有效的數(shù)據(jù)開發(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

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)備通過互聯(lián)網(wǎng)連接，數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。

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)用平臺三大部份組成。前端數(shù)據(jù)采集即對監(jiān)控對象的取水設(shè)施類型合理選擇計量設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控，取得流量、水位、流速、水質(zhì)參數(shù)等實時數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)交換即把取得的實時數(shù)據(jù)經(jīng)由遙測終端通過GPRS傳輸?shù)姆绞絺魉偷叫畔⒐芾砥脚_，并按平臺的指令進(jìn)行回應(yīng)；應(yīng)用平臺利用前端采集回來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、展示、預(yù)警，進(jìn)而對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

水資源監(jiān)測站主要由傳感器（水位計、流量計、水質(zhì)監(jiān)測儀、閘位計、功率計等）、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)測站承擔(dān)了數(shù)據(jù)實時獲取的重要工作，結(jié)合廣西取用水戶取水點的實際情況，設(shè)備主要根據(jù)管道型和渠道型兩種監(jiān)測類型選擇。

3.1.1 管道型取用水監(jiān)測點

管道型取用水監(jiān)測點根據(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，選用的傳感器類型有電磁流量計和超聲波流量計。傳統(tǒng)的機械式水表結(jié)構(gòu)簡單，但不具備數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芏床捎谩?/p>

（1）電磁流量計。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，通過該定律來對導(dǎo)電性的液體或液固兩項介質(zhì)進(jìn)行流量測算，具有高精度、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，還可測量各類酸、堿、紙漿等介質(zhì)，基于成本考慮，主要用于管徑小同時有高精度要求的監(jiān)測點。

（2）超聲波流量計。工作原理是利用傳遞速度受介質(zhì)流動速度的影響來進(jìn)行監(jiān)測，此類流量計對被測介質(zhì)要求比較嚴(yán)苛，但其優(yōu)點是安裝簡單，無需停水操作，但相比于電磁流量計而言，測量精度相對較低。項目建設(shè)多采用插入式超聲波流量計，對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，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)測點

渠道型取用水監(jiān)測根據(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、非接觸式雷達(dá)流速流量儀和堰槽三類渠道型取用水計量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。

（1)浮子式水位計。工作原理是基于標(biāo)準(zhǔn)斷面水位流量關(guān)系法來進(jìn)行流量測算，通過率定得出各水位下的實時流速，從而計算出各水位時的實時流量。浮子式水位計安裝簡單，但需多次率定，從經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)性等角度出發(fā)，浮子式水位計適用性較高，項目中渠道型取用水監(jiān)測斷面多為三面平整的渠道，且下游1 km內(nèi)無閘門等影響水流波動的設(shè)施。

（2）非接觸式雷達(dá)流速流量儀。工作原理是通過雷達(dá)探頭測量出渠道的表面流速，再通過表面測點流速與斷面平均流速的關(guān)系計算該斷面的流量數(shù)據(jù)。非接觸式雷達(dá)流速流量儀精度不如浮子式水位計，但具有安裝簡單，施工成本低的優(yōu)點，在項目中多用于渠道平順，流速穩(wěn)定的監(jiān)測斷面。

（3）堰槽法。主要是在渠道制作測流堰槽（寬頂堰、矩形堰、巴歇爾槽等），槽、堰的尺寸一般為固定尺寸，通過測量過槽、堰的水位，再通過水位流量關(guān)系反算出過流流量。堰槽法測量精度高，但施工安裝過程復(fù)雜，須停水施工，土建工程量大，建設(shè)工期長，需要根據(jù)監(jiān)測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

水質(zhì)監(jiān)測從水源類型分為河道型和湖庫型。河道型水源地，在線監(jiān)測常規(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 項參數(shù)。湖庫型水源地，除上述7 項參數(shù)外，加測對湖庫富營養(yǎng)化有重要指示作用的水質(zhì)參數(shù)（總磷、總氮）2項，共計9項。

水質(zhì)監(jiān)測站由采水單元、配水單元、檢測單元、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)合水庫和河道情況，在能反映監(jiān)控污染物的變化趨勢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)測方式對飲用水源地進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。

（1）濕化學(xué)法。該方法是基于實驗室經(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、易擴展等顯著的優(yōu)點，由于技術(shù)成熟，是目前使用最廣的監(jiān)測方法之一，但存在占地面積大，檢測時間長，設(shè)備單價高，后期維護(hù)成本高的缺點。

（2）電極法。主要是通過使用各種水質(zhì)探頭，測定水體中某種物質(zhì)或物化特性所產(chǎn)生的光、電信號的信號強度，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)點在于設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，檢測周期較短，建設(shè)成本低，安裝簡便，便于后期維護(hù)，但存在檢測精度低，可檢測的參數(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。通過光譜分析儀利用紫外-可見光（UV）波段通過測量光束接收端的UV 吸收光譜強度，利用光譜強度和數(shù)學(xué)模型計算得到水中有機物綜合指標(biāo)的測量值。這種監(jiān)測方法無需試劑，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，便于后期運行維護(hù)，但易受水質(zhì)濁度條件限制，擴展性差，監(jiān)測精度不穩(wěn)定，適用于水質(zhì)較好的水源地監(jiān)測。

在廣西水資源水質(zhì)監(jiān)測建設(shè)中，對于具有放置設(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，水質(zhì)較好且維護(hù)需求小的湖庫型水源地采用UV+FL光譜融合分析法進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。

3.3 數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換是整個廣西水資源物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)流通樞紐。通過互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)測站點將采集的數(shù)據(jù)上傳至平臺，平臺將控制指令發(fā)送至監(jiān)測站點?，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 均適用于相對較短距離的傳輸，由于站點分布廣，位置較為偏僻的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域多，而目前通過北斗衛(wèi)星傳輸建設(shè)成本和運維成本偏高。GPRS 適用于長距離傳輸，區(qū)內(nèi)移動信號較為良好，運營商信號基站基本實現(xiàn)全面覆蓋，可通過移動運營商的物聯(lián)卡服務(wù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS的形式傳輸。根據(jù)廣西水資源信息采集點多范圍廣的特點，主要采用GPRS方式。

3.4 應(yīng)用平臺

基于一期項目的建設(shè)基礎(chǔ)，廣西水資源監(jiān)控能力二期項目建設(shè)對系統(tǒng)平臺進(jìn)行整合完善。在國家下發(fā)的三級通軟件基礎(chǔ)上將取用水相關(guān)業(yè)務(wù)等業(yè)務(wù)模塊根據(jù)廣西的實際需求進(jìn)行定制開發(fā)，并系統(tǒng)集成，通過用戶分類識別，實現(xiàn)平臺分級、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)，實現(xiàn)各級各類數(shù)據(jù)共享。經(jīng)過初步整編后的信息，按照水資源監(jiān)控的需求，以圖表等形式在系統(tǒng)平臺界面進(jìn)行可視化展示，按照水資源分析和管理機制，建立各種告警規(guī)則，設(shè)置告警閾值，通過算法分析評價數(shù)據(jù)變化，實時進(jìn)行告警，實現(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)測點、監(jiān)測方式，在二期項目中建成了1174 個取用水監(jiān)測站點和22個水質(zhì)監(jiān)測站點，通過系統(tǒng)平臺的整合和升級，順利實現(xiàn)與國家平臺的數(shù)據(jù)聯(lián)通，試運行期整體系統(tǒng)運行情況良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，并于2019年8月順利通過各子系統(tǒng)驗收，2019年12月通過由水利部南京水利水文自動化研究所組織的現(xiàn)場技術(shù)評估，成為全國第四個通過現(xiàn)場技術(shù)評估的省份。

5 結(jié)語

隨著“水利設(shè)施補短板，水利行業(yè)強監(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，基本實現(xiàn)廣西規(guī)模以上的取用水監(jiān)測以及重要飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)測，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“強監(jiān)管”發(fā)展的主要推助力之一。