面向城市群的区域水环境智能监测研究——以长株潭城市群为例

许秋飞，沈振萍，严 勇，陆 凯

(1.西安交大长天软件股份有限公司，陕西 西安 710065；2.南京农业大学 信息管理学院，江苏 南京 210095)

0 引言

近年来，水源短缺、水污染是城市水资源保护和利用方面存在的突出问题，严重制约了人们的生产和生活[1].因此，加强城市水环境监测是国家水资源项目中人们重点关注的问题，其中，积极加大在水环境监测工作中的技术投入、持续提升监测水平、开展科学的治理和保护是当前迫切需要解决的关键问题[2].国家和地区都加大了对水环境监测和水环境保护的技术、政策和资金的支持，水环境监测方面取得了重大的成果[3].

长沙、湘潭、株洲沿湘江水系自上而下分布、陆域相连，三座城市大致呈北—西南—东南走向.作为城市主要供水水源，湘江水系水网密集交叉、水资源丰富，但时空分布不均，每年4月至8月为丰水期，径流量占年净流量75%以上，10月至来年3月为枯水期，上游来水减少，同时湘江还面临重金属元素(如镉等)超标等历史发展问题，对三座城市的水环境安全有一定制约[4].

2007年，长株潭城市群获批为全国资源节约型和环境友好型社会建设综合配套改革试验区.为响应国家两型社会发展需求[5-7]，克服传统水质监测系统建设成本高、监测范围小、不同监测业务数据共享性差的缺点，本研究以长株潭城市群为试点，设计了面向城市群的多元化、广覆盖、低成本、易扩展的水环境智能监测系统[8]，能对地表水水质及重金属浓度、饮用水源地水质、污水处理厂出水水质等进行监测，同时对取水口、排放口及水下状况进行实时摄像，以便通过监测数据关联反演水污染成因并开展溯源，实现区域水环境监测及污染溯源示范，全面提升城市群水环境治理水平，为城市工业生产、居民安稳生活、城市群协同发展增添保障.

1 总体设计

长株潭城市群水环境智能监测系统总体架构如图1所示.该系统采用“云+端”的部署结构，主要由智能感知、数据传输、支撑平台、应用集群和业务系统五部分组成.其中，智能感知层用于部署面向长株潭水环境不同监测水体、不同监测要素的各类环境监测设备；数据传输层通过有线/无线的方式保证监测数据的实时、畅通传输；支撑平台(“云”平台)可支持数据的统一交换共享，支持利用区块链技术开展监测数据智能审核，并将数据安全存储于分布式时序数据库中，同时以资源目录为索引开展数据调度；在此基础上，通过构建应用集群，实现面向城市群多应用业务系统(部署节点，即“端”应用)的统一应用入口、用户认证和服务聚合，并支持业务系统独立部署、业务功能按需定制，实现业务与平台的解耦，提升整体系统的可用性和可扩展性.通过将嵌入式技术、无线通信技术、区块链技术融合，实现了系统的低功耗、低成本、灵活性、可扩展性，保障监测数据的可信性，推动长株潭城市群水质监测向智能化转变.

图1 系统总体架构图Fig.1 Overall architecture of the system

2 系统设计

2.1 智能感知

2.1.1 地表水水质自动监测体系

常规的水质自动监测站集成了采配水、预处理、自动分析等单元模块，配备一套严密的数据质量控制体系，适用于地表水水质监测、饮用水源地水质监测等，能满足流域水质评价、河长/湖长考核、水质预警、污染溯源等大数据监测需求.可以监测水质常规五参数(温度、pH、溶解氧、电导率和浊度)、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮等，同时支持扩展重金属(如砷、镉、铅等)、叶绿素、生化需氧量、生物毒性等[9-10].水质自动监控站与监控中心之间可通过控制单元实现双向通信，数据、仪器仪表状态信息可定时(通常为每4小时1次)传输到监测中心，同时监控中心通过下发控制命令，控制相应的在线仪器运行.

另外，为适应低成本、网格化布点和高频监测管理需求，还可以采用微型站、水下微型监测传感器、便携式水质检测仪等监测设备.

2.1.2 废水自动监控体系

废水自动监控体系通常针对企业废水、城市污水、农村污水等排放场景，监测一些反映水污染的综合指标，如pH值、化学需氧量、氨氮、总磷，以及流量、流速、排放量等，以便控制废水中各因子含量达到规定的水质排放标准.监测数据经有线或无线通信方式定时(通常为每小时1次)传送至支持平台，并支持信号双向通信实现仪器动态管控.

2.1.3 视频监控设备

为保障水质监测系统的取水安全和规范运行，通常会在站房取水口、企业排放口、监测站房及重要水体水下部位配置视频点，进行实时摄像，实现水站设备运行监控、周界安防监控和报警联动功能.各站房视频点通常由高清视频摄像头、硬盘录像机、交换机等设备组成，视频信号通过专线或VPN专网传送至监测中心，具备条件的还可在前端配置云台等配套设备.选用的水下视频监控设备实现对水体的温度、pH、溶解氧、电导率和浊度的监测，需支持USB 2.0 OTG协议，可接入OTG设备、支持多种帧率传输数据，本系统通过微控制器STC89C52RC指令来控制它的工作.

2.2 数据传输

水环境智能监测系统的数据传输根据点位部署环境和条件不同，可以采用有线或无线方式进行，无线通信方式包括3G、4G、5G、北斗卫星等；有线通信方式支持VPN、ASDL、以太网等.

针对水下智能监测传感器(多参数水质监测仪，包含温度、pH、溶解氧、电导率和浊度等)，本系统设计有线和无线相结合的方式进行数据采集与传输，结构如图2所示.由于高频率电磁波在水下衰减严重，为保证数据的传输通畅以及实时到达，本系统以有线传输方式采集汇集水下监测数据到水面浮标的STC89C52RC微控制器，利用串口实现数字和视频信号的接收，水面的nRF24L01无线通信模块经由STC89C52RC微控制器开发后，设置中心节点、放置于浮标中并进行自动组网，构建一个水体区域短距离、全覆盖、高速率、稳定可靠的无线传输网络，并将数据传送给支持平台.

图2 水下智能监测传感器数据传输示意图Fig.2 Data transmission diagram of underwater intelligent monitoring sensor

2.3 支撑平台

在系统“云+端”的部署结构中，支撑平台承担“云”平台作用.系统建设了统一的共享交换平台，支持城市群各地已建水环境智能监测设备数据的跨系统、跨层级、跨区域的交换共享.针对物联网数据特点，设计了基于时序的数据索引，并采用分布式数据库集群，实现数据的高效存储和查询.同时，支持利用区块链技术开展监测数据智能审核，保障数据真实、可信.以水质自动监测数据为例，原始监测数据只允许一次操作，可依据数据审核规则开展无效值剔除、数据修约等行为，且该行为是数据产生到数据应用的可信操作，将区块链技术应用于自动监测数据进入时序数据库后的审核数据上链，可有效保障审核行为产生的次生数据为1次可控，为后续数据检索提供性能保障.

2.4 应用集群与业务系统

构建应用集群，实现面向城市群多应用业务系统(部署节点，即“端”应用)的统一应用入口、用户认证和服务聚合.该模式支持业务系统独立部署、业务功能按需定制，实现业务与平台的解耦，提升整体系统的可用性和可扩展性.本研究设计的集群界面如图3所示，业务中心包含水质监测预警子系统、污染源(废水)自动监控子系统、视频监控子系统和移动端等，另外还包含地理信息中心的“GIS一张图”，以及数据中心的“水质监管驾驶舱”等应用，由此构成水环境智能监测-预警-溯源-决策一体化应用体系.

生态环境管理人员可通过各业务系统实时查看被检测水体和水污染源的水质参数以及监控视频图像等，同时对水质参数设置合理警戒值，实现预警功能；对水质监测异常数据进行人工审核，并基于水质可信数据开展水质评价、考核；同时还可针对不同水质监测断面，结合GIS地图开展基于“河道-排污口-污染源”拓扑关系的水质污染溯源、水质应急指挥等.该系统还能拓展支持废水排污管理、污水处理厂工况监控等其他应用接入，为深入打好“碧水保卫战”提供有效技术支撑.

图3 应用集群子系统应用界面Fig.3 Application interface of application cluster subsystem

3 系统测试与数据分析

为验证水环境智能监测系统的性能，于2021年6月至10月在长株潭城市群进行了系统采集和通信性能、监测数据可靠性测试，并开展了基于区块链的数据可信性审核及水质状况分析评价.

3.1 系统采集和通信性能分析

通过设置于湘江流域不同河流断面、饮用水源地和长沙市主要污水处理厂的5个地表水/废水自动监控站，对地表水水质及重金属浓度、饮用水源地水质、污水处理厂出水水质等进行了监测，连续测试一周，检测各监测设备数据传输是否正常，是否出现数据漂移、失真、丢包、乱码等现象.测试结果表明，数据传输稳定，5个点位共计发生13次数据延时，但都通过数采仪完成了数据补传，数据丢包率为0，无乱码现象，数据无失真.同样对水下智能监测传感器无线传输性能进行了分析，连续测试12 h，数据传输中断1次，但2 s内恢复正常连接，并无发生丢包、乱码等其他情况.另外，受数据流较大影响，在取水口、排放口及水下拍摄的视频数据一定程度上存在数据传输不稳定现象，实时性较差，但通常可以通过增加传输网络带宽的方式改善.综上所述，本系统通信传输稳定可靠.

3.2 监测数据可靠性分析

监测数据的可靠性和准确性，是数据应用的前提.各水质监测仪器设备在投入使用前，都需依据设备运行技术规范进行性能验收，验收内容包括仪器检出限、准确度、精密度、零点漂移、量程漂移、重复性及实际水样比对等.以地表水自动监测设备的实际水样比对实验为例，实验需连续进行3天，每天于自动监测仪器采样时同步采集瞬时样(通常每4小时1次)，人工间隔采样6次，每次采集2个水样(平行样)，同步记录自动监测仪器读数，并计算实际水样比对相对误差，结果需满足HJ 915—2017规范要求[10-11].

表1所示为连续3天、每天上午8∶00，采用的某型号地表水水质自动监测系统实际水样pH、溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数及总磷等监测因子的比对实验结果，完整时间序列各因子比对结果参见图4.可以看出，该自动监控系统的监测数据与实验室手工分析数据相差较小，各因子相对误差在-22.39% ～ 15.46%之间，完全满足HJ 915—2017规范要求.该设备其他各性能指标，以及其他监测仪器设备各项性能指标，也均符合相关技术规范，本系统监测数据满足可靠性要求.

表1 水质自动监测系统实际水样比对实验结果(以每天8：00采样为例)

图4 水质自动监测系统实际水样比对实验结果Fig.4 Experimental results of actual water sample comparison in automatic water quality monitoring system

3.3 数据可信性审核

为加强水环境质量监测管理、规范水环境质量评价，提升废水监测数据的有效性，水环境质量自动监测数据应用于水环境质量评价、执法应用时，在数据统计、整合、补遗、修约以及有效性审核等方面须遵循一定的规则.平台根据仪器质控测试结果对数据有效性进行自动预判，当判定为无效数据或存疑数据，如图5所示监测数据为零值或负值低于仪器检出限、超量程上限、发生突变(大于上一次监测值的 3 倍及以上或小于上一次监测值的 1/3及以下)或连续不变(单个指标的测量值连续3组无变化)等各类异常情况时，须结合仪器运维质控情况、水站周边情况、佐证材料等，开展人工审核，并按规范进行数据补遗、数据修约、数据修正等，以确保自动监测数据真实、有效[12-18].

图5 水质自动监测系统异常数据类型示意Fig.5 Abnormal data types of automatic water quality monitoring system

本系统创新地将区块链技术应用于监测数据智能审核，利用区块链去中心化、共识机制、安全、透明、数据不可篡改、可追溯等特性，解决人工干扰审核过程通过将真实的超标(突变)数据审核掉来达到监测数据不超标的目的，同时原始监测数据一次审核后即为审核数据，审核频次收敛，极大地规避了大规模计算导致区块链计算耗时、耗资源、耗成本等实际问题，为长株潭水环境管理数据跨地域、跨部门、跨业务的数据集成、数据治理、数据共享、数据确权等提供了数据真实性保障.系统数据审核界面如图6所示.

图6 系统数据审核界面Fig.6 System data review interface

3.4 长株潭水质监测应用分析

基于以上水环境智能监测系统，建立了长株潭水质监测、废水排放、监控视频等数据的实时传输(交换共享)、查询展示、智能审核、评价分析与预警体系，使监测、传输/共享、存储、审核、展示、分析、预警、溯源全过程实现数字化，通过水质监测设备结合浮标监测对河流断面地表水中氨氮、总磷、COD和水质等参数实施监测，当出现监测数据异常变化时，结合视频分析技术排除漂浮物等干扰，系统依据污染源纳污通道管网逻辑拓扑，按照规则追溯上游疑似污染源，通过特定影响因子排放浓度分析，精确定位影响水质监测的污染源，通过在线反控技术动态关闭污染源排放阀门，触发污水回流再处理流程，直至监测浓度达标后，开启阀门，系统自动跟踪预警水质监测站点数据的动态变化趋势，监测数据达标后停止跟踪任务.通过水质监测技术互补、业务系统协同，提高水环境监测与管理效率.

如图7所示，为水环境智能监测系统2021年7-10月长株潭城市群地表水环境质量监测状况分析图.可以发现，湘江流域长株潭三市地表水环境质量整体较好，除湘潭市有1～2个断面为IV类及V类水体外，其余断面水质基本都稳定在III类及以上，且以II类居多.对比三市水质状况，株洲市整体水质状况最优，7-10月I类和II类断面占比高达91.43%～97.14%；长沙次之，为58.06%～93.75%，但水质状况起伏较大；湘潭市最差，为64.29%～78.57%.

图7 长株潭城市群地表水环境质量监测状况(2021年7-10月)Fig.7 Monitoring status of surface water environmental quality in Changzhutan urban agglomeration (July to October 2021)

4 结论

本研究利用嵌入式、无线通信、区块链等技术，设计了面向长株潭城市群的水环境智能监测系统，主要具有3个创新点：

1)传感器的监测预警辅助智能视频提升了预警的准确率，同时配合溯源机理动态控制污染排放，提升了水质达标与水环境安全能力.

2)将区块链技术应用到水环境监测数据审核中，保证了数据的可信性、可追溯性和大规模应用能力.

3)基于“云+端”的系统部署方式，通过应用集群实现多应用系统的单点登录和统一用户认证，满足多种用户不同区域特征、管理诉求的使用要求.

经过一段时间的应用，此系统稳定性好、可靠性强，具有低功耗、低成本、多元化和可扩展性，推动了长株潭城市群水质监测向智能化转变，数据应用向城市群共享共用.