基于物聯網感知體系的城市河道污染監測研究

顧嘉嘉

（深圳市龍崗區水務局,廣東 深圳 518172）

城市水文方面龍崗區自建監測站點比較薄弱,水庫水情、河道水情等監測站點大部分都由市水文水質中心所建,中小河流水位雨量視頻三要素監測未實現全覆蓋,難以滿足精細化管理的要求。水環境方面除進行污水處理廠進出口水質在線監測外,龍崗區水務局仍不能完全掌控全區河流水環境情況。為此,研究以深圳市龍崗區為對象,對其河道污染的監測方法進行深入探索。研究旨在通過對河道水情水質的實時精確的監測,以期為區域水環境治理提供科學依據。

1 區域概況

目前,深圳移動4G 網絡已經覆蓋整個深圳,已成為我國4G 網絡最密集的城市,其NB-IoT 網絡覆蓋率達到98%以上,5G 網絡的規模也躋身全球城市前列,該市年底預計建設大約8500 個5G 基站。龍崗區隸屬廣東省深圳市。該區位于深圳市的東北部,轄區總面積為388.21 km2。龍崗區同時也是深圳通往福建、惠州、汕頭等地的必經之路。龍崗區年均相對濕度為80%,年均降水量為1933 mm,年均降雨天數為140 天。龍崗區包含62 條流域面積大于1 km2的河流,其河道總長度211.56 km。主要劃分為3 個流域,即龍崗河流域、深圳河河域,以及觀瀾河域。龍崗區共有13 座城市生活污水處理廠, 以及11 座分散式污水處理設施。總處理規模173.6 萬m3/d,占全市約24%。表1 為龍崗河流域各污水處理具體情況。

表1 龍崗河流域各污水處理情況

2 基于物聯網感知體系的城市河道污染監測方法

2.1 物聯網感知體系

信息技術與多學科的交叉及應用研究,已逐漸成為科研工作的主流方向。物聯網技術（Internet of Things,IoT）起源于傳媒領域,是信息科技產業的第三次革命。物聯網是將無線網絡、電子射頻、人工智能、云計算等技術相結合的新一代信息技術,已經在各個領域全面鋪開[1]。在河道水質污染監測中,往往需要對水體的重金屬含量、有機物含量等有關參數進行測量。將物聯網技術引入到水環境中,能夠實現遠程、高效的數據傳輸。在獲得監測數據之后,再根據其不同特征,來進行科學、合理的決策。物聯感知體系基于水量水質監測相結合,駐站監測和移動監測相結合的一體化立體監測技術。及時、全面、準確地監測龍崗區的水情與水質狀況。實現全覆蓋的信息內容,全天候的監測時間,聯機感知。

2.2 城市河道水質水情監測

城市河道的水情、水質感知信息采集方法,一是利用前端監測站點的建立來收集水情信息。另外,市水務局,市生態環境局,龍崗區供水、排水管網等部門的數據都是以數據共享的形式得到。不含前端站點建設,僅是信息接人。龍崗區新建水情水質監測包含河道水情、水位、雨量、流量、水質、內澇積水深度,排水系統液位/流量/水質監測、城市面源污染水質監測。排水管網已建360 套監測設備,直接接入本項目新建的物聯網平臺。對其他單位已經建成的水情水質監測數據,以數據共享的方式采集,通過“智慧龍崗”大數據中心進行共享。

2.3 監測系統結構設計

龍崗區河流水質在線監測系統采用物聯網感知體系,利用布設于河流中的傳感器,對河流水質進行實時監測。并將其上傳到在線監測平臺,對其進行存儲與分析。網絡地理信息系統可為用戶提供地理信息查詢,實時數據地圖可視化,以及主題地圖繪制[2]。在龍崗區河道進出口,固定排污點,重點監控斷面。河流彎曲較大,流速較慢的地區,采用水力傳感技術對其進行自動監控。實現對水體溫度、 pH 值、渾濁度、溶解氧和電導率等多個參數的自動化檢測,為河流流域水環境質量評價提供基本數據。圖1 為監測系統的整體框架結構。

圖1 監測系統框架

圖1 中網絡層是把收集到的數據快速、可靠地傳送給應用層的核心。從數據實時性、傳輸安全性,以及可靠性的角度出發,采用 GPRS 技術進行水情水質在線監測數據的傳輸,具有投資少,安裝靈活,維護方便等特點[3]。應用層主要是對系統的用戶應用進行管理,對監測到的數據展開存儲、處理等,并為用戶提供統一的平臺應用入口。LED 監視器主要是將水質監測數據以表格的方式進行實時監測,并在室外進行信息發布與展示。Web 頁面主要是為了將監測資料提供給管理者和大眾,以達到對水質資料的查詢與共享。

3 異常狀態的時空關聯監測

目前大部分水情水質監測系統均是單獨運行,按照各自的時間間隔,對其進行實時的感知監測。針對水體中的高流動性、高擴散性污染,無法對其峰值、擴散等情況進行有效監測的問題。研究針對異常狀況下,提出了一種監測點位時空相關性收集感知方法。正常模式下,該系統以預先設定的循環時間來收集和監測水情水質參數,并進行數據回傳上報。若該監測系統的監控指標超過國家規定的數值,則該裝置將進入特殊監測模式。當城市河流污染達到一定范圍時,在監測設備管理子系統的調度下,自動監測設備將監測設備維持在某一監測狀態。并根據監測設備的前三個監測指標,對污染物濃度是否上升進行判定。如果判定為上升,則維持密集采集狀態。否則,逐漸增加收集和監視的間隔,直至裝置重新回到正常監視模式。在龍崗區常規狀況下,對于水情水質監測的頻率很低。并且小范圍、分散的生活污水極易引起漏檢。在污染源出現后,研究方法可通過計算估算污染物的擴散狀況。并通過有目的的集中收集監測,使得監測數據可以全面反映出水質的變化狀況。

4 城市河道污染監測站點布設

4.1 監測站點布設原則

目前,三大流域一級、二級支流的水質在線監測站仍未建成,無法滿足河流污染源溯源、污水水體治理、流域智慧管理、“廠網河庫”協同調控等需求。因此需要對已有監測點位進行補充和完善,在轄區內龍崗河流域、觀瀾河流域和深圳河流域的一級、二級支流布置水情水質監測站。監測站點的布局原則是充分實現信息資源的共享,避免重復建設。根據廣東省水利廳關于做好中小河流治理工程布設信息化三要素監測設施的通知要求水位、雨量、圖像三要素可集中于“一桿式裝置”。在測定地點的上、下游至少要有一段相當于河面寬度幾倍距離的直流部分,而且又不是形成堆積和沖刷的地點。具有足夠的水深和流量,把流速計帶來的水流紊亂影響降到最小,最好選擇具有相當于流速計旋轉直徑至少8 倍的水深和寬度的特點。在測定點上的水流橫斷面與其上、下游的水流橫斷面之間不應有很大的差異。以水環境功能區為界,以國考、省考、市考、入庫支流和三個主要流域的二級支流為控制斷面。斷面布置要避免死水區、回水區和排污口附近。并盡可能選擇河床穩定,水面寬闊,無急流的地方。為了更好地利用其水文參數,將水質和水量有機地結合起來,應在一定程度上使監測剖面與水文測量剖面相一致。

4.2 監測站點布置

目前龍崗區有26 個水質考核斷面,40 個一周一測斷面。26 個水質考核斷面生態環境局已經布設了20 個自動水質監測站,40 個一周一測斷面中二級支流有29 個,29 個二級支流生態環境局已經布設了12 個自動水質監測站,根據布設原則,本項目需布設的水質監測站點共24 個。根據龍崗區水務局業務管理需求,河道水質監測站共監測6 個參數,包括pH、電導率、氨氮、COD、總磷、溶解氧。表2 為監測站點布設位置與數量。

表2 國考、省考、市考監測站點布設位置及數量

4.3 水體污染擴散情況

利用基于物聯網感知體系的城市河道污染監測方法對龍崗區河道水質污染進行監測。表3 為監測站點的水質污染擴散情況。

表3 各監測站點水質污染擴散評價結果

由表3 可知,龍崗河流域中,新生村排水渠、低山村排水渠、上輋水、和尚徑水（電鍍廠排洪渠）這四處監測位置的水質污染綜合指數分別為0.38、0.17、0.08、2.31。污染級別分別為微清潔、清潔,清潔、中度污染。觀瀾河流域中,坂田河位置的水質污染綜合指數為0.45,為微清潔級別。深圳河河域中,南坑水位置的水質污染綜合指數為0.06,為清潔級別。

5 結論

為了解決龍崗區的水文、水環境、水安全方面的信息采集存在明顯短板的問題,研究依托市智慧水務和智慧龍崗總體框架,根據龍崗區智慧水務總體方案,結合龍崗區現階段水務業務重點。以物聯網為基礎,無線網絡、計算機應用等多種手段,構成城市河道污染的監測系統。此外,研究還提出的異常狀態下監測點時空關聯采集感知方法。根據龍崗區河流小規模、突發性排污的特征,結合河流的水流速度及監測站點的位置,對水體的污染擴散情況進行了評估,評估結果準確顯示了龍崗河流域和觀瀾河流域的水體污染情況,大部分監測點水質污染指數均小于0.5,為清潔和微清潔水質。該方法可通過命令來遙控各個監測點,實現有目標的密集采集。從而克服了傳統監測方式在連續動態上的限制,可以最大限度地反映出河道城市污染的真實狀況。