基于物联网的广西水资源监控能力构建与应用

2020-10-21王皓

广西水利水电 2020年5期

王皓

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 项目建设背景和目标

为践行党的“十八大”以来中央和习近平总书记提出的一系列重要治水思想，根据《国家水资源监控能力建设项目实施方案（2016-2018 年）的通知》（水财务[2016]168 号），按照“三年基本建成，五年基本完善”的目标，相关单位在广西壮族自治区水资源项目办的组织下编制了《国家水资源监控能力建设广西壮族自治区技术方案（2016-2018年）》。

方案结合广西的实际情况和特点，在一期项目的建设基础上，完善水资源监控管理平台应用系统，通过数据采集、数据交换、数据应用开展水资源监控建设，进一步对广西达到水量监测要求的生活、工业、农业等管道、渠道进行流量、水位、流速等信息采集，对列入《全国重要饮用水水源地》名录且达到监控要求的饮用水水源地的水质数据进行监测，通过数据交互实现对广西河道外许可水量的82%以上和总用水量的46%进行取用水量在线监测，供水人口20万人以上的饮用水地表水水源地水质在线监测全覆盖。系统试运行情况表明：该物联网监控体系运行稳定，上线率、及时率和完成率均达90%，通过有效的数据开发和应用为自治区水资源决策与调配提供科学的数据支撑和依据。

2 广西水资源监控物联网的总体架构设计

广西水资源监控物联网体系采用了“互联互控”的方式，将传感器设备通过互联网连接，数据互联互通，实现远程监测和控制。

集合物联网的要素，广西水资源监控物联网主要由前端数据采集、数据交换、应用平台三大部份组成。前端数据采集即对监控对象的取水设施类型合理选择计量设施进行监控，取得流量、水位、流速、水质参数等实时数据；数据交换即把取得的实时数据经由遥测终端通过GPRS传输的方式传送到信息管理平台，并按平台的指令进行回应；应用平台利用前端采集回来的数据，进行分析、展示、预警，进而对水资源的管理和决策调配提供支撑，总体架构示意如图1所示。

图1 水资源物联网总体架构

3 数据采集设备选型

3.1 流量监测

水资源监测站主要由传感器（水位计、流量计、水质监测仪、闸位计、功率计等）、RTU、电源和通信单元组成[1]。

在广西水资源监控物联网中，水资源监测站承担了数据实时获取的重要工作，结合广西取用水户取水点的实际情况，设备主要根据管道型和渠道型两种监测类型选择。

3.1.1 管道型取用水监测点

管道型取用水监测点根据管道的材质、管径和客观环境，选用能够满足物联网构建需求的传感器进行数据采集，选用的传感器类型有电磁流量计和超声波流量计。传统的机械式水表结构简单，但不具备数据传输的功能而未采用。

（1）电磁流量计。主要构成部分是传感器和转化器，工作原理是法拉第电磁感应定律，通过该定律来对导电性的液体或液固两项介质进行流量测算，具有高精度、稳定性好的优点，还可测量各类酸、碱、纸浆等介质，基于成本考虑，主要用于管径小同时有高精度要求的监测点。

（2）超声波流量计。工作原理是利用传递速度受介质流动速度的影响来进行监测，此类流量计对被测介质要求比较严苛，但其优点是安装简单，无需停水操作，但相比于电磁流量计而言，测量精度相对较低。项目建设多采用插入式超声波流量计，对于管道直径小或管道材质或工况不利于施工等情况下选用外敷式超声波流量计，以达到数据采集目的并能保障数据的准确性和有效性。

3.1.2 渠道型取用水监测点

渠道型取用水监测根据渠道的渠宽、渠深和渠道平整程度等，可选用浮子式水位计、非接触式雷达流速流量仪和堰槽三类渠道型取用水计量设备进行监测。

（1)浮子式水位计。工作原理是基于标准断面水位流量关系法来进行流量测算，通过率定得出各水位下的实时流速，从而计算出各水位时的实时流量。浮子式水位计安装简单，但需多次率定，从经济性和维护性等角度出发，浮子式水位计适用性较高，项目中渠道型取用水监测断面多为三面平整的渠道，且下游1 km内无闸门等影响水流波动的设施。

（2）非接触式雷达流速流量仪。工作原理是通过雷达探头测量出渠道的表面流速，再通过表面测点流速与断面平均流速的关系计算该断面的流量数据。非接触式雷达流速流量仪精度不如浮子式水位计，但具有安装简单，施工成本低的优点，在项目中多用于渠道平顺，流速稳定的监测断面。

（3）堰槽法。主要是在渠道制作测流堰槽（宽顶堰、矩形堰、巴歇尔槽等），槽、堰的尺寸一般为固定尺寸，通过测量过槽、堰的水位，再通过水位流量关系反算出过流流量。堰槽法测量精度高，但施工安装过程复杂，须停水施工，土建工程量大，建设工期长，需要根据监测渠道断面的尺寸等选用一定规格的堰槽，在广西水资源渠道型监测中多用于小型、不平整且可停水施工的渠道。

3.2 水质监测

水质监测从水源类型分为河道型和湖库型。河道型水源地，在线监测常规水质5 参数（水温、pH、溶解氧、电导率、浊度）加高锰酸盐指数（COD⁃Mn）、氨氮共7 项参数。湖库型水源地，除上述7 项参数外，加测对湖库富营养化有重要指示作用的水质参数（总磷、总氮）2项，共计9项。

水质监测站由采水单元、配水单元、检测单元、数据采集单元、数据传输单元和辅助单元组成。

在广西水资源水质监控建设中，结合水库和河道情况，在能反映监控污染物的变化趋势的要求下主要采用湿化学法、电极法、UV+FL 光谱融合分析法监测方式对饮用水源地进行水质监测。

（1）湿化学法。该方法是基于实验室经典化学法的水质在线分析方法，具有高精度、稳定性好、易扩展等显著的优点，由于技术成熟，是目前使用最广的监测方法之一，但存在占地面积大，检测时间长，设备单价高，后期维护成本高的缺点。

（2）电极法。主要是通过使用各种水质探头，测定水体中某种物质或物化特性所产生的光、电信号的信号强度，根据率定模型转换得出该物质的浓度或水的物理特性。该方法的优点在于设备结构相对简单，检测周期较短，建设成本低，安装简便，便于后期维护，但存在检测精度低，可检测的参数指标有限，主要应用于常规5 参数、氨氮、盐度等10余项参数。

（3）光谱法。分析仪器主要有在线UV 吸收光谱分析仪和新型UV+FL 光谱融合分析仪两种。通过光谱分析仪利用紫外-可见光（UV）波段通过测量光束接收端的UV 吸收光谱强度，利用光谱强度和数学模型计算得到水中有机物综合指标的测量值。这种监测方法无需试剂，结构简单，安装方便，便于后期运行维护，但易受水质浊度条件限制，扩展性差，监测精度不稳定，适用于水质较好的水源地监测。

在广西水资源水质监测建设中，对于具有放置设备条件的水源地采用湿化学+电极法进行水质监测，水质较好且维护需求小的湖库型水源地采用UV+FL光谱融合分析法进行水质监测。

3.3 数据交换

数据交换是整个广西水资源物联网中数据流通枢纽。通过互联网，监测站点将采集的数据上传至平台，平台将控制指令发送至监测站点。现有的主流数据传输方式有GPRS、北斗卫星、LoRa、Zigee等。LoRa 和Zigee 均适用于相对较短距离的传输，由于站点分布广，位置较为偏僻的农业灌溉区域多，而目前通过北斗卫星传输建设成本和运维成本偏高。GPRS 适用于长距离传输，区内移动信号较为良好，运营商信号基站基本实现全面覆盖，可通过移动运营商的物联卡服务，将监测数据通过GPRS的形式传输。根据广西水资源信息采集点多范围广的特点，主要采用GPRS方式。

3.4 应用平台

基于一期项目的建设基础，广西水资源监控能力二期项目建设对系统平台进行整合完善。在国家下发的三级通软件基础上将取用水相关业务等业务模块根据广西的实际需求进行定制开发，并系统集成，通过用户分类识别，实现平台分级、分用户展示。

建立数据汇集系统，统一数据标准，实现各级各类数据共享。经过初步整编后的信息，按照水资源监控的需求，以图表等形式在系统平台界面进行可视化展示，按照水资源分析和管理机制，建立各种告警规则，设置告警阈值，通过算法分析评价数据变化，实时进行告警，实现水资源监控智能化管理。

4 建设成效

广西水资源物联网经完善和优化，合理选择监测点、监测方式，在二期项目中建成了1174 个取用水监测站点和22个水质监测站点，通过系统平台的整合和升级，顺利实现与国家平台的数据联通，试运行期整体系统运行情况良好，数据稳定，并于2019年8月顺利通过各子系统验收，2019年12月通过由水利部南京水利水文自动化研究所组织的现场技术评估，成为全国第四个通过现场技术评估的省份。