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(dòng)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(gè)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(kāi)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(gè)方面開(kāi)展了大規(guī)模的探索與實(shí)踐,在城市建設(shè)的各個(gè)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(guò)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(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)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(cè)領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失

目前,針對(duì)自然地的徑流、含沙量監(jiān)測(cè),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(cè)技術(shù)規(guī)范》(DB36/T 1590—2022),通過(guò)集流槽、集流桶收集坡面徑流,再通過(guò)烘干法測(cè)定徑流中的含沙量;對(duì)于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)工作,主要根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51240—2018),以徑流小區(qū)法、測(cè)釬法、集沙池法對(duì)水土流失狀況、土壤侵蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè);而對(duì)于懸移質(zhì)含沙量的專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè),多以河道為主,根據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB/T 50159—2015),通常是經(jīng)樣品采集再通過(guò)烘干法、置換法、過(guò)濾法等得出含沙量。此類(lèi)監(jiān)測(cè)方法缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),誤差較大,且難以適用于高濁度含沙量的監(jiān)測(cè)。

1.3 行業(yè)需求

一方面,針對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目排水含沙量的監(jiān)測(cè),傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作主要采取現(xiàn)場(chǎng)巡查及取樣烘干稱(chēng)量的方式,這種方式往往由于監(jiān)測(cè)人員無(wú)法及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng),且監(jiān)測(cè)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(cè)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(wú)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(lái)源之一,而以往針對(duì)含沙量的監(jiān)測(cè)工作多集中在河流和城市管網(wǎng),鮮有將監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)設(shè)備,是解決當(dāng)前生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目黃泥水監(jiān)測(cè)工作所面臨的“測(cè)不到、測(cè)不準(zhǔn)、代價(jià)大”三大問(wèn)題的根本途徑。因此,通過(guò)研發(fā)、推廣泥沙智慧監(jiān)測(cè)設(shè)備,解決生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目黃泥水的監(jiān)測(cè)能力問(wèn)題迫在眉睫,解決這一行業(yè)關(guān)鍵問(wèn)題也是治水提質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。同時(shí),對(duì)建設(shè)工程水環(huán)境泥沙排放含量智慧監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

水質(zhì)濁度監(jiān)測(cè)儀器的原理普遍為光透射及散射原理,典型的包括國(guó)內(nèi)于2003年授權(quán)的專(zhuān)利——水質(zhì)濁度測(cè)量?jī)x的光電檢測(cè)裝置(CN2556638Y),是一種可適用于多種場(chǎng)景、多種光源檢測(cè)的檢測(cè)儀,解決了以往水質(zhì)濁度測(cè)量?jī)x光電檢測(cè)裝置的衰減光檢測(cè)器沒(méi)有設(shè)置光欄、散射光檢測(cè)器沒(méi)有設(shè)置凸透鏡結(jié)構(gòu)等問(wèn)題;國(guó)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(gè)細(xì)分領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)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(cè)方面,還沒(méi)有針對(duì)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(guó)外進(jìn)口儀器雖然具備較高檢測(cè)精度,但造價(jià)昂貴且無(wú)法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸;國(guó)內(nèi)的類(lèi)似產(chǎn)品較多,但處于較低端水平,儀器檢測(cè)精度低,檢測(cè)結(jié)果缺乏高質(zhì)量的時(shí)間序列;另一方面,目前國(guó)內(nèi)外泥沙檢測(cè)儀器使用時(shí)都不能長(zhǎng)期浸泡在高濁度的水環(huán)境中,原因是惡劣的檢測(cè)環(huán)境會(huì)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(zhǎng)時(shí)間浸泡的在線含沙量監(jiān)測(cè)設(shè)備。

筆者團(tuán)隊(duì)針對(duì)國(guó)內(nèi)目前沒(méi)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(cè)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(cè)設(shè)備(見(jiàn)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(gè)構(gòu)成為光接收元件的光學(xué)傳感器元件和一個(gè)構(gòu)成為發(fā)光元件的光學(xué)傳感器元件。利用太陽(yáng)能供電,并通過(guò)4G CAT1進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,信號(hào)覆蓋范圍廣,在保證檢測(cè)精度的同時(shí),無(wú)需人為干預(yù)。同時(shí),針對(duì)目前現(xiàn)存技術(shù)儀器的另一大弊端無(wú)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(cè)的基礎(chǔ)上,通過(guò)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(jiàn)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(duì)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(huì)產(chǎn)生折射、散射和吸收,根據(jù)入射光的衰減程度,從而測(cè)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(guò)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(dòng);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(cè)行業(yè)領(lǐng)先的哈希高精度懸浮物檢測(cè)儀進(jìn)行對(duì)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(shì)

2.3.1 自清潔功能

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

2.3.2 智慧監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目自主研發(fā)儀器在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,通過(guò)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(cè)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(cè)、無(wú)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(jiàn)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(guò)對(duì)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(guò)不同濃度標(biāo)準(zhǔn)液的耦合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(duì)同一水體分別用本設(shè)備和水質(zhì)檢測(cè)行業(yè)領(lǐng)先的高精度進(jìn)口儀器(哈希SOLITAXTMsc懸浮物檢測(cè)儀)進(jìn)行濁度檢測(cè),將二者檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示,本設(shè)備檢測(cè)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性與哈希高精度懸浮物檢測(cè)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(chǎng)地試驗(yàn)

以往關(guān)于水體中固體懸浮物(SS)監(jiān)測(cè)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(duì)水環(huán)境具有威脅的源頭。本設(shè)備針對(duì)高濃度含沙量水體的監(jiān)測(cè),適用場(chǎng)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(duì)排水口懸移質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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(chǎng)景設(shè)置的采集頻率為5 min/次。設(shè)備設(shè)定了3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)間:<200 mg/L,200 ～<500 mg/L,≥500 mg/L。當(dāng)含沙量監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警閾值(200 mg/L、500 mg/L),設(shè)備會(huì)將報(bào)警信息自動(dòng)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(chǎng)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(guò)14號(hào)排水口排入深圳灣,影響極易引人關(guān)注。該設(shè)備針對(duì)深圳灣14號(hào)排水口及上游排水口的使用,是深圳市第一個(gè)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失量化監(jiān)管示范項(xiàng)目(見(jiàn)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(gè)設(shè)備安裝點(diǎn)共計(jì)獲取數(shù)據(jù)411 096條。通過(guò)對(duì)含沙量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,得出:多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在8—10月含沙量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)(見(jiàn)表1);4號(hào)、8號(hào)點(diǎn)位8月含沙量平均數(shù)據(jù)超過(guò)了閾值(200 mg/L);9號(hào)點(diǎn)位8—10月含沙量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均較大,其中8月平均含量達(dá)到411 mg/L;11號(hào)點(diǎn)位8月平均含量達(dá)到404 mg/L。通過(guò)進(jìn)一步分析得知,含沙量超過(guò)預(yù)警值的4個(gè)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(cè)點(diǎn)位示意

圖5 各點(diǎn)位現(xiàn)場(chǎng)照片

3.2 對(duì)比試驗(yàn)

除市政雨水管網(wǎng)外,將本設(shè)備針對(duì)不同場(chǎng)景的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)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(duì)3種場(chǎng)景下的含沙量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),基于不同場(chǎng)景下3個(gè)月的數(shù)據(jù)積累,對(duì)試驗(yàn)設(shè)備近10萬(wàn)條數(shù)據(jù)的有效性占比進(jìn)行了分析(見(jiàn)表2)。生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池排水口的監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),安裝在河道的泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備的探頭位置是固定的,而河道水位卻會(huì)因枯水期的到來(lái)發(fā)生劇烈波動(dòng),有的點(diǎn)位甚至?xí)霈F(xiàn)斷流的情況,導(dǎo)致探頭無(wú)法接觸水體,這是河道數(shù)據(jù)異常的主要原因。對(duì)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(yáng)能板供電,而應(yīng)用于雨水井中的泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備受實(shí)地環(huán)境限制無(wú)法連接太陽(yáng)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(gè)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(chǎng)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(cè)設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)更加容易。

表2 不同應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)景,應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池的該監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)有效性占比最高,且針對(duì)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(yǔ)

通過(guò)前期耦合試驗(yàn)和場(chǎng)地試驗(yàn)證明,該設(shè)備檢測(cè)精度達(dá)到國(guó)外高精度懸浮物檢測(cè)儀器的精度,且適用于高濁度的含沙水體。監(jiān)測(cè)對(duì)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(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目沉沙池的含沙量監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用,旨在推動(dòng)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(lái)的黃泥水入河面源污染和人民群眾親水負(fù)面感官問(wèn)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(duì)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(guó)城市生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持發(fā)展。