基于物联网感知体系的城市河道污染监测研究

顾嘉嘉

（深圳市龙岗区水务局,广东 深圳 518172）

城市水文方面龙岗区自建监测站点比较薄弱,水库水情、河道水情等监测站点大部分都由市水文水质中心所建,中小河流水位雨量视频三要素监测未实现全覆盖,难以满足精细化管理的要求。水环境方面除进行污水处理厂进出口水质在线监测外,龙岗区水务局仍不能完全掌控全区河流水环境情况。为此,研究以深圳市龙岗区为对象,对其河道污染的监测方法进行深入探索。研究旨在通过对河道水情水质的实时精确的监测,以期为区域水环境治理提供科学依据。

1 区域概况

目前,深圳移动4G 网络已经覆盖整个深圳,已成为我国4G 网络最密集的城市,其NB-IoT 网络覆盖率达到98%以上,5G 网络的规模也跻身全球城市前列,该市年底预计建设大约8500 个5G 基站。龙岗区隶属广东省深圳市。该区位于深圳市的东北部,辖区总面积为388.21 km2。龙岗区同时也是深圳通往福建、惠州、汕头等地的必经之路。龙岗区年均相对湿度为80%,年均降水量为1933 mm,年均降雨天数为140 天。龙岗区包含62 条流域面积大于1 km2的河流,其河道总长度211.56 km。主要划分为3 个流域,即龙岗河流域、深圳河河域,以及观澜河域。龙岗区共有13 座城市生活污水处理厂, 以及11 座分散式污水处理设施。总处理规模173.6 万m3/d,占全市约24%。表1 为龙岗河流域各污水处理具体情况。

表1 龙岗河流域各污水处理情况

2 基于物联网感知体系的城市河道污染监测方法

2.1 物联网感知体系

信息技术与多学科的交叉及应用研究,已逐渐成为科研工作的主流方向。物联网技术（Internet of Things,IoT）起源于传媒领域,是信息科技产业的第三次革命。物联网是将无线网络、电子射频、人工智能、云计算等技术相结合的新一代信息技术,已经在各个领域全面铺开[1]。在河道水质污染监测中,往往需要对水体的重金属含量、有机物含量等有关参数进行测量。将物联网技术引入到水环境中,能够实现远程、高效的数据传输。在获得监测数据之后,再根据其不同特征,来进行科学、合理的决策。物联感知体系基于水量水质监测相结合,驻站监测和移动监测相结合的一体化立体监测技术。及时、全面、准确地监测龙岗区的水情与水质状况。实现全覆盖的信息内容,全天候的监测时间,联机感知。

2.2 城市河道水质水情监测

城市河道的水情、水质感知信息采集方法,一是利用前端监测站点的建立来收集水情信息。另外,市水务局,市生态环境局,龙岗区供水、排水管网等部门的数据都是以数据共享的形式得到。不含前端站点建设,仅是信息接人。龙岗区新建水情水质监测包含河道水情、水位、雨量、流量、水质、内涝积水深度,排水系统液位/流量/水质监测、城市面源污染水质监测。排水管网已建360 套监测设备,直接接入本项目新建的物联网平台。对其他单位已经建成的水情水质监测数据,以数据共享的方式采集,通过“智慧龙岗”大数据中心进行共享。

2.3 监测系统结构设计

龙岗区河流水质在线监测系统采用物联网感知体系,利用布设于河流中的传感器,对河流水质进行实时监测。并将其上传到在线监测平台,对其进行存储与分析。网络地理信息系统可为用户提供地理信息查询,实时数据地图可视化,以及主题地图绘制[2]。在龙岗区河道进出口,固定排污点,重点监控断面。河流弯曲较大,流速较慢的地区,采用水力传感技术对其进行自动监控。实现对水体温度、 pH 值、浑浊度、溶解氧和电导率等多个参数的自动化检测,为河流流域水环境质量评价提供基本数据。图1 为监测系统的整体框架结构。

图1 监测系统框架

图1 中网络层是把收集到的数据快速、可靠地传送给应用层的核心。从数据实时性、传输安全性,以及可靠性的角度出发,采用 GPRS 技术进行水情水质在线监测数据的传输,具有投资少,安装灵活,维护方便等特点[3]。应用层主要是对系统的用户应用进行管理,对监测到的数据展开存储、处理等,并为用户提供统一的平台应用入口。LED 监视器主要是将水质监测数据以表格的方式进行实时监测,并在室外进行信息发布与展示。Web 页面主要是为了将监测资料提供给管理者和大众,以达到对水质资料的查询与共享。

3 异常状态的时空关联监测

目前大部分水情水质监测系统均是单独运行,按照各自的时间间隔,对其进行实时的感知监测。针对水体中的高流动性、高扩散性污染,无法对其峰值、扩散等情况进行有效监测的问题。研究针对异常状况下,提出了一种监测点位时空相关性收集感知方法。正常模式下,该系统以预先设定的循环时间来收集和监测水情水质参数,并进行数据回传上报。若该监测系统的监控指标超过国家规定的数值,则该装置将进入特殊监测模式。当城市河流污染达到一定范围时,在监测设备管理子系统的调度下,自动监测设备将监测设备维持在某一监测状态。并根据监测设备的前三个监测指标,对污染物浓度是否上升进行判定。如果判定为上升,则维持密集采集状态。否则,逐渐增加收集和监视的间隔,直至装置重新回到正常监视模式。在龙岗区常规状况下,对于水情水质监测的频率很低。并且小范围、分散的生活污水极易引起漏检。在污染源出现后,研究方法可通过计算估算污染物的扩散状况。并通过有目的的集中收集监测,使得监测数据可以全面反映出水质的变化状况。

4 城市河道污染监测站点布设

4.1 监测站点布设原则

目前,三大流域一级、二级支流的水质在线监测站仍未建成,无法满足河流污染源溯源、污水水体治理、流域智慧管理、“厂网河库”协同调控等需求。因此需要对已有监测点位进行补充和完善,在辖区内龙岗河流域、观澜河流域和深圳河流域的一级、二级支流布置水情水质监测站。监测站点的布局原则是充分实现信息资源的共享,避免重复建设。根据广东省水利厅关于做好中小河流治理工程布设信息化三要素监测设施的通知要求水位、雨量、图像三要素可集中于“一杆式装置”。在测定地点的上、下游至少要有一段相当于河面宽度几倍距离的直流部分,而且又不是形成堆积和冲刷的地点。具有足够的水深和流量,把流速计带来的水流紊乱影响降到最小,最好选择具有相当于流速计旋转直径至少8 倍的水深和宽度的特点。在测定点上的水流横断面与其上、下游的水流横断面之间不应有很大的差异。以水环境功能区为界,以国考、省考、市考、入库支流和三个主要流域的二级支流为控制断面。断面布置要避免死水区、回水区和排污口附近。并尽可能选择河床稳定,水面宽阔,无急流的地方。为了更好地利用其水文参数,将水质和水量有机地结合起来,应在一定程度上使监测剖面与水文测量剖面相一致。

4.2 监测站点布置

目前龙岗区有26 个水质考核断面,40 个一周一测断面。26 个水质考核断面生态环境局已经布设了20 个自动水质监测站,40 个一周一测断面中二级支流有29 个,29 个二级支流生态环境局已经布设了12 个自动水质监测站,根据布设原则,本项目需布设的水质监测站点共24 个。根据龙岗区水务局业务管理需求,河道水质监测站共监测6 个参数,包括pH、电导率、氨氮、COD、总磷、溶解氧。表2 为监测站点布设位置与数量。

表2 国考、省考、市考监测站点布设位置及数量

4.3 水体污染扩散情况

利用基于物联网感知体系的城市河道污染监测方法对龙岗区河道水质污染进行监测。表3 为监测站点的水质污染扩散情况。

表3 各监测站点水质污染扩散评价结果

由表3 可知,龙岗河流域中,新生村排水渠、低山村排水渠、上輋水、和尚径水（电镀厂排洪渠）这四处监测位置的水质污染综合指数分别为0.38、0.17、0.08、2.31。污染级别分别为微清洁、清洁,清洁、中度污染。观澜河流域中,坂田河位置的水质污染综合指数为0.45,为微清洁级别。深圳河河域中,南坑水位置的水质污染综合指数为0.06,为清洁级别。

5 结论

为了解决龙岗区的水文、水环境、水安全方面的信息采集存在明显短板的问题,研究依托市智慧水务和智慧龙岗总体框架,根据龙岗区智慧水务总体方案,结合龙岗区现阶段水务业务重点。以物联网为基础,无线网络、计算机应用等多种手段,构成城市河道污染的监测系统。此外,研究还提出的异常状态下监测点时空关联采集感知方法。根据龙岗区河流小规模、突发性排污的特征,结合河流的水流速度及监测站点的位置,对水体的污染扩散情况进行了评估,评估结果准确显示了龙岗河流域和观澜河流域的水体污染情况,大部分监测点水质污染指数均小于0.5,为清洁和微清洁水质。该方法可通过命令来遥控各个监测点,实现有目标的密集采集。从而克服了传统监测方式在连续动态上的限制,可以最大限度地反映出河道城市污染的真实状况。