城市河道數字化生態養護系統應用探索

張志華 繆 平 薛露肖

(上海汀瀅環保科技有限公司，上海 201707)

1 河道養護要求及存在的問題

2015年至今，上海水務管理系統在河道黑臭治理、消除劣Ⅴ類水體問題上已采取了一系列水利工程和水生態措施，并取得了顯著成效。為了穩固治理成果，上海市政府成立了河長制辦公室，落實河道日常養護管理責任，維持良好的水生態環境。河道養護主要包括生態維護、水質保護、綠化養護、岸線管護、河面清護、河床修護六方面內容。而傳統河道養護管理過程中，由于河道岸線長、巡檢范圍廣、人員投入不到位，發現問題不及時等問題，導致了水質惡化、居民投訴、應急突發狀況較多，這給河道養護管理帶來了一定的難度。因此，在傳統水利養護管理模式下，開發一種數字化生態養護系統，提高專業化管理水平，維持河道水質不惡化，為居民創造綠色生態的水環境空間十分必要。

2 數字化生態養護系統設計

2.1 數字化生態養護系統特點

隨著互聯網的盛行，各種APP、小程序得以廣泛應用。根據河道養護要求和日常工作任務，開發設計一種數字化生態養護系統，可以使傳統養護管理更加高效化、便捷化和數字化。相比傳統河道養護模式，新數字系統主要用于實現和解決以下幾方面問題：

a.在關鍵節點位置安裝監控設施，實現河道監控全覆蓋，可以高效完成日常養護過程中的巡檢工作。

b.在河道考核斷面、河道交匯處、重要排放口安裝水質在線監測儀表，可以通過APP隨時查看水質指標，對河道污染情況作出預判，及時掌握水質狀況。

c.根據巡檢系統信息匯總，分析發現問題，可以隨時推送給運維人員，派發工單，及時解決整改。

d.可以根據日常巡檢、問題整改及消除情況、水質變化情況形成數字化檔案報表，實現養護檔案數字化。

e.可以定期向上級主管部門推送養護管理報告，實現上下級管理互通功能。

2.2 系統組成及操作流程

2.2.1 系統組成

河道數字化生態養護系統由在線儀表、攝像頭、PLC控制器、路由器、4G數據網關、現場觸摸屏等硬件系統和遠程河道數字化生態養護軟件系統組成，詳見圖1。其工作原理如圖2所示：通過現場在線儀表、攝像頭等硬件設施采集水質、流量、液位、能耗等基礎數據，傳輸給PLC控制器，PLC控制器將現場數據進行分析計算、整理后， 通過4G數據網關上傳到云端服務器。同時，網絡攝像頭獲取河道現場實時畫面，由SD卡存儲歷史畫面，并上傳到云端服務器。最終，在數字化生態養護軟件系統中分類呈現，并根據日常河道養護管理需要，在軟件系統中開發設計監控、巡檢、統計、報警、工單派放等多個功能單元，實現智慧化養護管理。

圖1 系統框架組成

圖2 數字化生態養護系統原理

2.2.2 日常養護管理架構和流程

河道日常養護管理工作以項目經理為第一負責人，下設日常巡視組、運維組和應急搶險3個組，見圖3。日常巡視組根據養護管理涵蓋范圍，按照專業不同分為設備設施巡視組、電氣儀表巡視組、水面綠化巡視組、水工建筑巡視組。根據日常巡視狀況在智慧化管理系統中填報巡視記錄，上傳巡視照片，對巡視情況進行描述，發現問題進行故障上報。系統自動推送消息至運維組。根據不同專業運維組對設備設施、電氣儀表、水面綠化、水工建筑進行維修養護，消除報警故障，并填報維修日志、上傳照片。應急搶修組負責對報警中突發的水質惡化、偷排、安全故障等事件及時組織搶險，消除故障，填報應急日志并記錄歸檔。項目經理作為第一責任人負責相關工作組統一協調安排，并對養護情況定期考核，將養護日常管理工作上報至上級主管部門。

圖3 日常養護構架

2.3 主要界面功能描述

根據河道養護需求，本系統主要開發了遠程監控、巡檢系統、巡檢記錄、統計分析、河道狀態、工單系統、報警記錄和現場視頻8個模塊，完成河道日常養護需要巡查日志填報、關注河道養護事件、任務分發和辦理、查看消息通知、水質狀況等，并形成數字檔案報表。

2.3.1 遠程監控

遠程監控包括數據實時監測和視頻畫面實施監測。數據監測包括水質考核指標(pH值、DO、NH3、TP、高錳酸鹽指數)、電耗、流量、液位等；視頻畫面覆蓋主要考核斷面、排口、河道交匯處等關鍵位置，可實現參數和畫面實時同步至遠程客戶端，隨時查看在線監測參數和實時巡檢畫面。

2.3.2 巡檢系統

巡檢系統設置和錄入了不同設備、設施、植物等養護管理知識要點和型號參數、分布位置等，便于工作人員及時掌握巡檢要點、巡檢頻次、巡檢要求、安全應急預案養護維修方法等，進行精準化管理，提高管理水平。

2.3.3 巡檢記錄

巡檢記錄主要用于巡檢人員填報巡檢日志，查看往期巡檢記錄，故障解決方案等。可根據實時巡檢情況上傳照片文件、編輯和更新巡檢情況。建立數字化巡檢檔案，定期推送給上級主管部門。

2.3.4 統計分析

統計分析模塊除具有對水質參數、運行能耗電量、日均流量水位、水生動植物品種進行統計和變化趨勢分析等功能外，還可以對不同的統計報表單獨進行導出、下載和打印，形式數字化信息報表，提高工作效率。

2.3.5 河道狀態

河道狀態中可單獨查看單條河道基本參數、治理措施、設備設施數量、水質監測斷面位置、河道的特征統計、巡檢歷史、報警維修記錄、視頻監控等。多條河道中如有存在異常狀況需要維修檢修、加強巡視的河道，則予以提醒。

2.3.6 工單系統

工單系統主要用于處理日常巡檢過程中發現的問題，通過工單形式發送給相應的維修人員，對巡檢故障進行處理，并且上傳維修狀態照片等，記錄維修故障消除方法。該系統會根據事件的類型自動推送工單給相應的責任人。

2.3.7 報警記錄

當河道水質出現超標、設備運行出現突發故障、設備設施達到日常保養時限、水生植物需要收割等問題時，系統會作出報警提醒，將信息推送給相應養護管理人員，便于及時作出響應，消除故障。在該模塊單元中可以查閱故障歷史報警記錄，對報警頻率進行統計。

2.3.8 現場視頻

由于河道養護范圍較廣，需要巡檢內容較多，日常巡檢強度較大。通過網絡攝像頭可以隨時隨地查看每個站點的實時畫面，也可查看1個月內(與SD卡大小有關)的歷史視頻。及時把握巡檢重點，大大提升巡檢效率，及時發現問題，消除故障。

3 系統應用效果

將上述開發設計的河道數字化生態養護管理系統，用于上海奉賢管三條河道進行試點應用。根據2021年1—12月系統報表中的日常巡檢情況及數據分析，研究該系統是否具備應用推廣性。

3.1 日常巡檢情況分析

圖4、圖5為生態養護系統數字化報表導出的2021年1—12月的巡檢情況匯總變化趨勢圖。從圖4可以看出，水面保潔和垃圾清理主要工作量集中在5—8月，隨著氣溫上升，水生植物生長茂盛，則夏季需要增加水生植物養護人員和水面保潔人員，以免帶來水質二次污染。從圖5可以看出，5—10月隨著汛期到來，養護管理人員需要加強沉降及護岸滲漏性監測，同時加強水質監測，減少居民投訴問題。

圖4 日常巡檢情況

3.2 河道水質情況分析

主要水質指標變化趨勢從圖5可以看出，全年85%水質指標可以穩定達到地表Ⅴ類水標準。7—8月水質不穩定，兩條河道出現氨氮超標現象。從一年的系統使用情況得知，在養護管理中7—8月需要特別重視河道養護管理、水質變化情況。由于7—8月汛期排澇情況較多，可能會存在擋墻滲漏、水生植物清理不及時的二次污染問題，因此要特別關注巡檢系統水質變化情況，加強河道養護維修清理力度。

圖5 水質變化情況

3.3 養護運行成本分析

該數字化生態養護管理系統開發后經過在上海某區管河道一年的試點應用，日常養護巡視人員由原來投入的35人減少為16人，節約人員投入55%。設備設施維修響應時間大幅提高，基本可在2h內完成故障排除，實現了設備設施的穩定運行。水質指標更加平穩，突發水質惡化事件為原來的80%，日常運行管理成本節約了35%，居民投訴率大幅降低。

4 結論與展望

相較于傳統河道養護，采用數字化生態養護系統后，可以根據巡檢記錄對河道養護情況、變化趨勢進行科學預判，保證養護人員的有效投入，更加精準化做到養護管理全覆蓋，有效保障河道水質不惡化；發現和解決問題的響應時間大大提高，有效減少了居民投訴事件；采用科學化數字管理系統一次性投入大，但是節約了日常養護管理中無效人員投入費用；實現了多級有效監管養護管理水平，在上海河道生態養護管理中具有創新性和可推廣性。后續可以增加更多監測設施，共享信息端口，打造區域互聯網養護管理平臺，提高河道養護長效管理水平。