城市河道数字化生态养护系统应用探索

张志华 缪 平 薛露肖

(上海汀滢环保科技有限公司，上海 201707)

1 河道养护要求及存在的问题

2015年至今，上海水务管理系统在河道黑臭治理、消除劣Ⅴ类水体问题上已采取了一系列水利工程和水生态措施，并取得了显著成效。为了稳固治理成果，上海市政府成立了河长制办公室，落实河道日常养护管理责任，维持良好的水生态环境。河道养护主要包括生态维护、水质保护、绿化养护、岸线管护、河面清护、河床修护六方面内容。而传统河道养护管理过程中，由于河道岸线长、巡检范围广、人员投入不到位，发现问题不及时等问题，导致了水质恶化、居民投诉、应急突发状况较多，这给河道养护管理带来了一定的难度。因此，在传统水利养护管理模式下，开发一种数字化生态养护系统，提高专业化管理水平，维持河道水质不恶化，为居民创造绿色生态的水环境空间十分必要。

2 数字化生态养护系统设计

2.1 数字化生态养护系统特点

随着互联网的盛行，各种APP、小程序得以广泛应用。根据河道养护要求和日常工作任务，开发设计一种数字化生态养护系统，可以使传统养护管理更加高效化、便捷化和数字化。相比传统河道养护模式，新数字系统主要用于实现和解决以下几方面问题：

a.在关键节点位置安装监控设施，实现河道监控全覆盖，可以高效完成日常养护过程中的巡检工作。

b.在河道考核断面、河道交汇处、重要排放口安装水质在线监测仪表，可以通过APP随时查看水质指标，对河道污染情况作出预判，及时掌握水质状况。

c.根据巡检系统信息汇总，分析发现问题，可以随时推送给运维人员，派发工单，及时解决整改。

d.可以根据日常巡检、问题整改及消除情况、水质变化情况形成数字化档案报表，实现养护档案数字化。

e.可以定期向上级主管部门推送养护管理报告，实现上下级管理互通功能。

2.2 系统组成及操作流程

2.2.1 系统组成

河道数字化生态养护系统由在线仪表、摄像头、PLC控制器、路由器、4G数据网关、现场触摸屏等硬件系统和远程河道数字化生态养护软件系统组成，详见图1。其工作原理如图2所示：通过现场在线仪表、摄像头等硬件设施采集水质、流量、液位、能耗等基础数据，传输给PLC控制器，PLC控制器将现场数据进行分析计算、整理后， 通过4G数据网关上传到云端服务器。同时，网络摄像头获取河道现场实时画面，由SD卡存储历史画面，并上传到云端服务器。最终，在数字化生态养护软件系统中分类呈现，并根据日常河道养护管理需要，在软件系统中开发设计监控、巡检、统计、报警、工单派放等多个功能单元，实现智慧化养护管理。

图1 系统框架组成

图2 数字化生态养护系统原理

2.2.2 日常养护管理架构和流程

河道日常养护管理工作以项目经理为第一负责人，下设日常巡视组、运维组和应急抢险3个组，见图3。日常巡视组根据养护管理涵盖范围，按照专业不同分为设备设施巡视组、电气仪表巡视组、水面绿化巡视组、水工建筑巡视组。根据日常巡视状况在智慧化管理系统中填报巡视记录，上传巡视照片，对巡视情况进行描述，发现问题进行故障上报。系统自动推送消息至运维组。根据不同专业运维组对设备设施、电气仪表、水面绿化、水工建筑进行维修养护，消除报警故障，并填报维修日志、上传照片。应急抢修组负责对报警中突发的水质恶化、偷排、安全故障等事件及时组织抢险，消除故障，填报应急日志并记录归档。项目经理作为第一责任人负责相关工作组统一协调安排，并对养护情况定期考核，将养护日常管理工作上报至上级主管部门。

图3 日常养护构架

2.3 主要界面功能描述

根据河道养护需求，本系统主要开发了远程监控、巡检系统、巡检记录、统计分析、河道状态、工单系统、报警记录和现场视频8个模块，完成河道日常养护需要巡查日志填报、关注河道养护事件、任务分发和办理、查看消息通知、水质状况等，并形成数字档案报表。

2.3.1 远程监控

远程监控包括数据实时监测和视频画面实施监测。数据监测包括水质考核指标(pH值、DO、NH3、TP、高锰酸盐指数)、电耗、流量、液位等；视频画面覆盖主要考核断面、排口、河道交汇处等关键位置，可实现参数和画面实时同步至远程客户端，随时查看在线监测参数和实时巡检画面。

2.3.2 巡检系统

巡检系统设置和录入了不同设备、设施、植物等养护管理知识要点和型号参数、分布位置等，便于工作人员及时掌握巡检要点、巡检频次、巡检要求、安全应急预案养护维修方法等，进行精准化管理，提高管理水平。

2.3.3 巡检记录

巡检记录主要用于巡检人员填报巡检日志，查看往期巡检记录，故障解决方案等。可根据实时巡检情况上传照片文件、编辑和更新巡检情况。建立数字化巡检档案，定期推送给上级主管部门。

2.3.4 统计分析

统计分析模块除具有对水质参数、运行能耗电量、日均流量水位、水生动植物品种进行统计和变化趋势分析等功能外，还可以对不同的统计报表单独进行导出、下载和打印，形式数字化信息报表，提高工作效率。

2.3.5 河道状态

河道状态中可单独查看单条河道基本参数、治理措施、设备设施数量、水质监测断面位置、河道的特征统计、巡检历史、报警维修记录、视频监控等。多条河道中如有存在异常状况需要维修检修、加强巡视的河道，则予以提醒。

2.3.6 工单系统

工单系统主要用于处理日常巡检过程中发现的问题，通过工单形式发送给相应的维修人员，对巡检故障进行处理，并且上传维修状态照片等，记录维修故障消除方法。该系统会根据事件的类型自动推送工单给相应的责任人。

2.3.7 报警记录

当河道水质出现超标、设备运行出现突发故障、设备设施达到日常保养时限、水生植物需要收割等问题时，系统会作出报警提醒，将信息推送给相应养护管理人员，便于及时作出响应，消除故障。在该模块单元中可以查阅故障历史报警记录，对报警频率进行统计。

2.3.8 现场视频

由于河道养护范围较广，需要巡检内容较多，日常巡检强度较大。通过网络摄像头可以随时随地查看每个站点的实时画面，也可查看1个月内(与SD卡大小有关)的历史视频。及时把握巡检重点，大大提升巡检效率，及时发现问题，消除故障。

3 系统应用效果

将上述开发设计的河道数字化生态养护管理系统，用于上海奉贤管三条河道进行试点应用。根据2021年1—12月系统报表中的日常巡检情况及数据分析，研究该系统是否具备应用推广性。

3.1 日常巡检情况分析

图4、图5为生态养护系统数字化报表导出的2021年1—12月的巡检情况汇总变化趋势图。从图4可以看出，水面保洁和垃圾清理主要工作量集中在5—8月，随着气温上升，水生植物生长茂盛，则夏季需要增加水生植物养护人员和水面保洁人员，以免带来水质二次污染。从图5可以看出，5—10月随着汛期到来，养护管理人员需要加强沉降及护岸渗漏性监测，同时加强水质监测，减少居民投诉问题。

图4 日常巡检情况

3.2 河道水质情况分析

主要水质指标变化趋势从图5可以看出，全年85%水质指标可以稳定达到地表Ⅴ类水标准。7—8月水质不稳定，两条河道出现氨氮超标现象。从一年的系统使用情况得知，在养护管理中7—8月需要特别重视河道养护管理、水质变化情况。由于7—8月汛期排涝情况较多，可能会存在挡墙渗漏、水生植物清理不及时的二次污染问题，因此要特别关注巡检系统水质变化情况，加强河道养护维修清理力度。

图5 水质变化情况

3.3 养护运行成本分析

该数字化生态养护管理系统开发后经过在上海某区管河道一年的试点应用，日常养护巡视人员由原来投入的35人减少为16人，节约人员投入55%。设备设施维修响应时间大幅提高，基本可在2h内完成故障排除，实现了设备设施的稳定运行。水质指标更加平稳，突发水质恶化事件为原来的80%，日常运行管理成本节约了35%，居民投诉率大幅降低。

4 结论与展望

相较于传统河道养护，采用数字化生态养护系统后，可以根据巡检记录对河道养护情况、变化趋势进行科学预判，保证养护人员的有效投入，更加精准化做到养护管理全覆盖，有效保障河道水质不恶化；发现和解决问题的响应时间大大提高，有效减少了居民投诉事件；采用科学化数字管理系统一次性投入大，但是节约了日常养护管理中无效人员投入费用；实现了多级有效监管养护管理水平，在上海河道生态养护管理中具有创新性和可推广性。后续可以增加更多监测设施，共享信息端口，打造区域互联网养护管理平台，提高河道养护长效管理水平。