水源水質在線監測預警系統的建設及應用

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[1]，給居民的生命財產安全帶來了巨大威脅。同時，隨著工、農業的快速發展，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事件的應急和預警監測技術一直都是國內外企業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，但是系統的建設主要集中在對水質監測技術[2]、儀表選型及特定指標的監測[3-7]與分析[8]，缺乏對取水方式、監測設備全生命周期管理及外部環境安全性的考慮。

本研究以深圳某水庫為對象，從水庫水源在線監測預警系統全要素出發，構建了取樣、監測、預警、運維、安防一體化的系統架構，結合水庫供水分布區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，確定了水庫水源監測指標，為確保監測數據的準確性，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，設立了一套基于邊緣計算的視頻監控系統，實現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定運行及應急響應提供數據支撐及決策支持。

1 技術路線

水庫水源水質在線監測預警系統主要由硬件系統、數據傳輸系統、預警監控軟件系統構成，每個系統又包含多個部分，系統技術架構見圖1。

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

硬件系統由自動采樣系統、預處理系統、水質監測儀表、子站控制系統、生物毒性監測系統、智慧安防監控系統等組成，主要實現對原水取樣、水質監測、數據采集、數據存儲、數據分析、設備控制及站房視頻監控，屬于整個系統的感知層。數據傳輸系統采用互聯網專線(網絡應用型)解決方案，可將采集數據及視頻通過專線傳輸至預警監控軟件系統，既保證了數據傳輸的及時性、穩定性又可兼顧數據傳輸的安全性，屬于整個系統的傳輸層。預警監控系統為系統的應用層，主要實現在線監測數據展示與查詢、數據統計與分析、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

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

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，因此選擇將在線監測系統設在原水加壓泵站內。

本項目取水系統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

系統采用原水管泵后取水，通過調節閥門大小可控制水壓在合理范圍內，同時系統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》)。《建設指引》明確了水源在線監測指標應包括濁度、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測預警系統的監測指標。

2.3 預處理系統

預處理系統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

子站控制系統采用基于工業級PLC的可編程邏輯控制器，系統的控制單元具有系統控制、數據采集、存儲及分析功能。系統控制實現水質自動監測系統水樣采集、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。

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

圖3 系統監測流程Fig.3 Monitoring flow of the system

2.5 生物毒性監測系統

生物毒性監測系統具有監測和預警水質突變的功能。系統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[9]，建模后快速得出水質綜合毒性指數，結合理化監測，進一步分析水體污染情況，且可實現無人值守的連續在線自動監控。

2.6 智慧安防監測系統

智慧安防監測系統采用“邊緣節點+高清攝像頭”模式[10]，融合計算、存儲、網絡等基礎能力，支持業務規則、算法及應用的靈活配置，可快速識別異物入侵監測，同時將分析結果通過數據傳輸系統上傳至預警監控系統，確保監測站周邊運行環境安全。

3 數據傳輸系統

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

4 預警監控系統

預警監控系統基于B/S架構開發，具備PC端及移動端APP應用，具備數據查詢、數據分析、報表統計、地圖總覽、設備管理、應急管理、系統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節，在保障供水安全方面意義重大。當監測到水質突變時，系統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

為滿足業務需求，系統為應急響應提供了有效的信息化支撐，開發了一套可視化應急預案流程配置工具，業務人員可隨需配置應急流程，系統按照配置的應急流程自動流轉，滿足應急需求。同時系統從應急全要素出發，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，系統可為水質事件整理及回溯提供依據，助力提升企業水質突變應急響應能力。

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

5 應用情況

目前該系統已在某水務企業試運行8個月，實現了對某水庫水源14項水質指標的常規連續監測(見圖6)，并可對水域污染突發事件進行應急檢測處置，及時發布水環境狀況報告等。設備、數據在線率達到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 預警系統多參數曲線分析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測過程中，加強源頭水質監測尤為重要。從硬件系統、傳輸系統和預警監測系統3層架構出發，結合后期運維便利性及應急響應等要求，借助現有AR、邊緣計算等信息化技術，完成了一套標準化原水預警監測系統的搭建，確保了水庫水源水質監測的實時性、準確性與先進性。