生產建設項目含沙量智慧監測設備研究與應用

夏 兵,張禎堯,蔣 達,黃守科,王永喜,王耀建

(1.深圳市北林苑景觀及建筑規劃設計院有限公司,廣東 深圳 518055;2.深圳市盈順達科技有限公司,廣東 深圳 518071)

1 研究背景

1.1 生產建設項目水土流失

城市水土流失具有敏感性、人為性、突發性[1-3]。以深圳市為例,據最新數據顯示,全市水土流失面積約59.57 km2,其中因生產建設活動產生的水土流失面積占比高達70%,生產建設項目水土保持是城市水土流失防治工作的重點[4]。生產建設項目水土保持通常與城市生態緊密結合,以防治水土流失為主要目的,從水土保持設計到施工各個環節,采取多種水土保持措施進行水土流失防治[5]。深圳自20世紀90年代提出城市水土保持的概念,在開發建設項目水土流失治理、裸露山體缺口治理、水土保持科技示范園技術展示、生產建設項目水土保持監督管理等多個方面開展了大規模的探索與實踐,在城市建設的各個領域進行水土保持理論研究和技術創新,豐富和拓展了城市生產建設項目水土保持的內容[6]。但在水土保持工作發展過程中,有關生產建設項目沉沙池排水口含沙量的專項監測技術、體系尚不完備。

1.2 生產建設項目含沙量監測領域相關標準缺失

目前,針對自然地的徑流、含沙量監測,通常是采取在坡面設置徑流小區的方式,根據《紅壤區坡面徑流小區徑流泥沙監測技術規范》(DB36/T 1590—2022),通過集流槽、集流桶收集坡面徑流,再通過烘干法測定徑流中的含沙量;對于生產建設項目的監測工作,主要根據《生產建設項目水土保持監測與評價標準》(GB/T 51240—2018),以徑流小區法、測釬法、集沙池法對水土流失狀況、土壤侵蝕狀況進行監測;而對于懸移質含沙量的專項監測,多以河道為主,根據《河流懸移質泥沙測驗規范》(GB/T 50159—2015),通常是經樣品采集再通過烘干法、置換法、過濾法等得出含沙量。此類監測方法缺乏長時間序列的監測數據,誤差較大,且難以適用于高濁度含沙量的監測。

1.3 行業需求

一方面,針對生產建設項目排水含沙量的監測,傳統的監測工作主要采取現場巡查及取樣烘干稱量的方式,這種方式往往由于監測人員無法及時到達現場,且監測范圍小、方式單一,導致數據具有一定的滯后性和瞬時性,監測結果缺乏代表性,參考價值很有限。在面臨極端天氣、短時強降雨的情況下,工程建設項目最易產生大量黃泥水,而多數工程建設項目無法實現事前及時有效監管,經常是下游的河道干流已有大量黃泥水流入才進行排查、溯源。

另一方面,生產建設項目排水是城市黃泥水的重要來源之一,而以往針對含沙量的監測工作多集中在河流和城市管網,鮮有將監測點定為生產建設項目的沉沙池的,忽略了這一可能對水環境造成威脅的源頭。研發高精度的在線實時監測設備,是解決當前生產建設項目黃泥水監測工作所面臨的“測不到、測不準、代價大”三大問題的根本途徑。因此,通過研發、推廣泥沙智慧監測設備,解決生產建設項目黃泥水的監測能力問題迫在眉睫,解決這一行業關鍵問題也是治水提質的關鍵環節之一。同時,對建設工程水環境泥沙排放含量智慧監測技術的研究亦是解決經濟發展和生態保護之間矛盾的有效途徑之一。

1.4 監測設備應用現狀

水質濁度監測儀器的原理普遍為光透射及散射原理,典型的包括國內于2003年授權的專利——水質濁度測量儀的光電檢測裝置(CN2556638Y),是一種可適用于多種場景、多種光源檢測的檢測儀,解決了以往水質濁度測量儀光電檢測裝置的衰減光檢測器沒有設置光欄、散射光檢測器沒有設置凸透鏡結構等問題;國外典型的是由埃里克·德科斯塔等設計的光學傳感器元件和光學樣品分析裝置(CN102636432A)。但在水體含沙量這個細分領域的監測設備,尤其是在生產建設項目的含沙量智慧監測方面,還沒有針對性的研發。

2 設備研發探索

2.1 研發目標及成果

一方面,國外進口儀器雖然具備較高檢測精度,但造價昂貴且無法實現監測數據的實時傳輸;國內的類似產品較多,但處于較低端水平,儀器檢測精度低,檢測結果缺乏高質量的時間序列;另一方面,目前國內外泥沙檢測儀器使用時都不能長期浸泡在高濁度的水環境中,原因是惡劣的檢測環境會導致精度嚴重下降。因此,急需一種高精度、可在含沙量較大的水體中長時間浸泡的在線含沙量監測設備。

筆者團隊針對國內目前沒有能夠勝任生產建設項目沉沙池排水口高濁度含沙量監測裝置這一行業缺失,自主研發出一種能夠適用于建設項目排口的含沙量監測設備(見圖1),本設備是一種構造成作為模塊化濁度傳感器裝置工作的光學樣品分析裝置,且具有至少一個構成為光接收元件的光學傳感器元件和一個構成為發光元件的光學傳感器元件。利用太陽能供電,并通過4G CAT1進行數據傳輸,信號覆蓋范圍廣,在保證檢測精度的同時,無需人為干預。同時,針對目前現存技術儀器的另一大弊端無法聯網,加大了數據聯通的成本,在實現實時監測的基礎上,通過建立手機APP的手段實現物聯網,打造數據共享和互聯互通機制。

圖1 設備實物

2.2 運行原理

儀器運行原理為光的透射及散射(見圖2),濁度作為表征水體光學性質的參數,表示水中的懸浮顆粒對光線投射產生阻礙作用的程度。當一束光線射向水樣中,水中的物質與光線相互作用,會產生折射、散射和吸收,根據入射光的衰減程度,從而測出水樣濁度的大小。在物理現象中表現為,當水越渾濁,透射光越弱,散射光越強;反之,透射光越強,散射光越弱。研發過程采取大量數據耦合試驗,包括:實地采樣不同濃度泥沙水體及特殊濃度標準液等;主控單元采取了恒流源保證供電穩定不產生波動;加入了載波防止其他光源干擾,發射光源穩定;主控單元增加前置放大增益控制,并采取高精度ADC采集控制計算模塊,數據更精確。在儀器成品完成以后,將成品與水質檢測行業領先的哈希高精度懸浮物檢測儀進行對比試驗,確保數據準確性及穩定性處于同一水平。

圖2 設備運行原理

2.3 功能優勢

2.3.1 自清潔功能

目前,市面上已有的含沙量監測儀器都缺乏自動清潔探頭的功能,此類儀器長期浸泡在高濁度含沙量的水環境中,隨著時間增長,檢測精度會出現下降趨勢,監測結果的準確度、可信度會隨著儀器使用年限增長而降低。本項目自主研發的含沙量檢測裝置,由太陽能供電,探頭設置自清潔功能,在無人為干預的前提下,監測結果的準確性隨著設備的使用年限增長還能夠維持穩定。

2.3.2 智慧監測

本項目自主研發儀器在實現實時監測的基礎上,通過連接手機APP的手段實現物聯網,打造數據的共享和互聯互通機制,具有以下特點:設備體積小,24 h不間斷監測更為便利;APP實時在線可查,水務監管反應更精確迅速;核心技術的創新及大量數據耦合試驗給出科學數據支持。在實時監測、無人為干預的基礎上,實現數據的互聯互通,智慧監管(見圖3)。

圖3 設備聯網示意

2.4 耦合試驗

本設備研發利用標準液模擬不同濁度的水環境,通過對標準液的濃度設置不同的梯度區間(0～500 mg/L,>500～2 000 mg/L,>2 000～8 000 mg/L),建立數據耦合試驗,通過不同濃度標準液的耦合試驗結果對本設備精度進行檢驗及校準。經檢驗和校準后,對同一水體分別用本設備和水質檢測行業領先的高精度進口儀器(哈希SOLITAXTMsc懸浮物檢測儀)進行濁度檢測,將二者檢測結果進行對比,結果顯示,本設備檢測的準確性及穩定性與哈希高精度懸浮物檢測儀處于同一標準,并且本設備的反應靈敏度還要略高。

3 場地試驗

以往關于水體中固體懸浮物(SS)監測設備的應用,多集中在河道以及市政雨水管網,一定程度上忽視了生產建設項目沉沙池排水口這一對水環境具有威脅的源頭。本設備針對高濃度含沙量水體的監測,適用場景不僅限于河道以及市政雨水管網,更可以在生產建設項目沉沙池排水口進行安裝使用,對排水口懸移質數據進行實時監測、上傳。在儀器投產使用之前,在實地及生產建設項目做了大量試點試驗,改進了很多細節以適應不同的工作環境。本研究應用場景設置的采集頻率為5 min/次。設備設定了3個監測區間:<200 mg/L,200 ～<500 mg/L,≥500 mg/L。當含沙量監測數據低于200 mg/L,APP顯示數據信息為綠色,當含沙量監測數據達到報警閾值(200 mg/L、500 mg/L),設備會將報警信息自動上傳APP,報警顏色顯示依次為黃色、紅色。

3.1 典型應用

儀器已于2022年下半年在深圳市深灣片區陸續投入使用,應用場景為各項目與市政管網交界地帶。深灣片區臨近深圳灣公園,片區在建工程較多,工地黃泥水通過14號排水口排入深圳灣,影響極易引人關注。該設備針對深圳灣14號排水口及上游排水口的使用,是深圳市第一個生產建設項目水土流失量化監管示范項目(見圖4、圖5)。設置每5 min取一次數據,每15 min上傳一次數據,截至2022年11月18日,深灣片區12個設備安裝點共計獲取數據411 096條。通過對含沙量監測數據分析,得出:多數監測點位在8—10月含沙量監測數據達標(見表1);4號、8號點位8月含沙量平均數據超過了閾值(200 mg/L);9號點位8—10月含沙量監測數據均較大,其中8月平均含量達到411 mg/L;11號點位8月平均含量達到404 mg/L。通過進一步分析得知,含沙量超過預警值的4個點位數據超標情況主要集中在8月,這與氣候因素有很大關系,主要是由于降雨量大、暴雨頻率高導致地表徑流量大,進而造成泥沙搬運、堆積的概率增高。

表1 深灣片區各點位8—10月含沙量數據 mg/L

圖4 深灣片區監測點位示意

圖5 各點位現場照片

3.2 對比試驗

除市政雨水管網外,將本設備針對不同場景的應用進行了對比試驗,具體做法是于2022年8—10月將設備分別安裝在河道、生產建設項目沉沙池排水口、雨水井,對3種場景下的含沙量進行連續監測,基于不同場景下3個月的數據積累,對試驗設備近10萬條數據的有效性占比進行了分析(見表2)。生產建設項目沉沙池排水口的監測數據顯示,100%為有效數據;而安裝在河道和雨水井的監測設備受各種因素影響,有效數據占比分別為79.6%和70.2%。通過對現場情況的進一步分析發現,安裝在河道的泥沙監測設備的探頭位置是固定的,而河道水位卻會因枯水期的到來發生劇烈波動,有的點位甚至會出現斷流的情況,導致探頭無法接觸水體,這是河道數據異常的主要原因。對于連接市政雨水管網的雨水井,本次設備研發的設想是采用太陽能板供電,而應用于雨水井中的泥沙監測設備受實地環境限制無法連接太陽能板,只能采取電池供電的方式,但該設備設置的數據采集頻次較高(5 min/次),耗電量高,因此目前電池的續航能力難以保證數據的連續性,約3個月需更換一次電池,且雨水管網里面條件復雜,不時有塑料袋、木頭等雜物干擾,需要更多頻次的現場設備維護。相比于地下管網的復雜條件和河道水位的不可控性,沉沙池泥沙監測設備的運行、維護更加容易。

表2 不同應用場景含沙量數據有效性占比

事實證明,相比于河道、雨水井等其他場景,應用于生產建設項目沉沙池的該監測設備數據有效性占比最高,且針對沉沙池高濁度的泥沙,本設備的適應性、精確性、即時性非常理想。

4 結束語

通過前期耦合試驗和場地試驗證明,該設備檢測精度達到國外高精度懸浮物檢測儀器的精度,且適用于高濁度的含沙水體。監測對比試驗的結果顯示,相比于河道和雨水井,該設備更能適應對生產建設項目沉沙池的含沙量監測,監測結果的準確性、即時性、連續性都有很好的保證。生產建設項目含沙量監測設備的研發與應用,旨在推動治水從鞏固治污成果轉向全面提質,探索建立生產建設項目水土流失全鏈條監管體系,形成一系列可復制、可推廣的量化監管經驗,從而減輕人為水土流失帶來的黃泥水入河面源污染和人民群眾親水負面感官問題。加大水土保持新設備、新理念的應用,可為今后深圳城市生產建設項目水土保持工作提供有力的技術支撐,對提升深圳市城市生態環境具有重要意義,有助于深圳市乃至全國城市生產建設項目水土保持發展。