生产建设项目含沙量智慧监测设备研究与应用

夏 兵,张祯尧,蒋 达,黄守科,王永喜,王耀建

(1.深圳市北林苑景观及建筑规划设计院有限公司,广东 深圳 518055;2.深圳市盈顺达科技有限公司,广东 深圳 518071)

1 研究背景

1.1 生产建设项目水土流失

城市水土流失具有敏感性、人为性、突发性[1-3]。以深圳市为例,据最新数据显示,全市水土流失面积约59.57 km2,其中因生产建设活动产生的水土流失面积占比高达70%,生产建设项目水土保持是城市水土流失防治工作的重点[4]。生产建设项目水土保持通常与城市生态紧密结合,以防治水土流失为主要目的,从水土保持设计到施工各个环节,采取多种水土保持措施进行水土流失防治[5]。深圳自20世纪90年代提出城市水土保持的概念,在开发建设项目水土流失治理、裸露山体缺口治理、水土保持科技示范园技术展示、生产建设项目水土保持监督管理等多个方面开展了大规模的探索与实践,在城市建设的各个领域进行水土保持理论研究和技术创新,丰富和拓展了城市生产建设项目水土保持的内容[6]。但在水土保持工作发展过程中,有关生产建设项目沉沙池排水口含沙量的专项监测技术、体系尚不完备。

1.2 生产建设项目含沙量监测领域相关标准缺失

目前,针对自然地的径流、含沙量监测,通常是采取在坡面设置径流小区的方式,根据《红壤区坡面径流小区径流泥沙监测技术规范》(DB36/T 1590—2022),通过集流槽、集流桶收集坡面径流,再通过烘干法测定径流中的含沙量;对于生产建设项目的监测工作,主要根据《生产建设项目水土保持监测与评价标准》(GB/T 51240—2018),以径流小区法、测钎法、集沙池法对水土流失状况、土壤侵蚀状况进行监测;而对于悬移质含沙量的专项监测,多以河道为主,根据《河流悬移质泥沙测验规范》(GB/T 50159—2015),通常是经样品采集再通过烘干法、置换法、过滤法等得出含沙量。此类监测方法缺乏长时间序列的监测数据,误差较大,且难以适用于高浊度含沙量的监测。

1.3 行业需求

一方面,针对生产建设项目排水含沙量的监测,传统的监测工作主要采取现场巡查及取样烘干称量的方式,这种方式往往由于监测人员无法及时到达现场,且监测范围小、方式单一,导致数据具有一定的滞后性和瞬时性,监测结果缺乏代表性,参考价值很有限。在面临极端天气、短时强降雨的情况下,工程建设项目最易产生大量黄泥水,而多数工程建设项目无法实现事前及时有效监管,经常是下游的河道干流已有大量黄泥水流入才进行排查、溯源。

另一方面,生产建设项目排水是城市黄泥水的重要来源之一,而以往针对含沙量的监测工作多集中在河流和城市管网,鲜有将监测点定为生产建设项目的沉沙池的,忽略了这一可能对水环境造成威胁的源头。研发高精度的在线实时监测设备,是解决当前生产建设项目黄泥水监测工作所面临的“测不到、测不准、代价大”三大问题的根本途径。因此,通过研发、推广泥沙智慧监测设备,解决生产建设项目黄泥水的监测能力问题迫在眉睫,解决这一行业关键问题也是治水提质的关键环节之一。同时,对建设工程水环境泥沙排放含量智慧监测技术的研究亦是解决经济发展和生态保护之间矛盾的有效途径之一。

1.4 监测设备应用现状

水质浊度监测仪器的原理普遍为光透射及散射原理,典型的包括国内于2003年授权的专利——水质浊度测量仪的光电检测装置(CN2556638Y),是一种可适用于多种场景、多种光源检测的检测仪,解决了以往水质浊度测量仪光电检测装置的衰减光检测器没有设置光栏、散射光检测器没有设置凸透镜结构等问题;国外典型的是由埃里克·德科斯塔等设计的光学传感器元件和光学样品分析装置(CN102636432A)。但在水体含沙量这个细分领域的监测设备,尤其是在生产建设项目的含沙量智慧监测方面,还没有针对性的研发。

2 设备研发探索

2.1 研发目标及成果

一方面,国外进口仪器虽然具备较高检测精度,但造价昂贵且无法实现监测数据的实时传输;国内的类似产品较多,但处于较低端水平,仪器检测精度低,检测结果缺乏高质量的时间序列;另一方面,目前国内外泥沙检测仪器使用时都不能长期浸泡在高浊度的水环境中,原因是恶劣的检测环境会导致精度严重下降。因此,急需一种高精度、可在含沙量较大的水体中长时间浸泡的在线含沙量监测设备。

笔者团队针对国内目前没有能够胜任生产建设项目沉沙池排水口高浊度含沙量监测装置这一行业缺失,自主研发出一种能够适用于建设项目排口的含沙量监测设备(见图1),本设备是一种构造成作为模块化浊度传感器装置工作的光学样品分析装置,且具有至少一个构成为光接收元件的光学传感器元件和一个构成为发光元件的光学传感器元件。利用太阳能供电,并通过4G CAT1进行数据传输,信号覆盖范围广,在保证检测精度的同时,无需人为干预。同时,针对目前现存技术仪器的另一大弊端无法联网,加大了数据联通的成本,在实现实时监测的基础上,通过建立手机APP的手段实现物联网,打造数据共享和互联互通机制。

图1 设备实物

2.2 运行原理

仪器运行原理为光的透射及散射(见图2),浊度作为表征水体光学性质的参数,表示水中的悬浮颗粒对光线投射产生阻碍作用的程度。当一束光线射向水样中,水中的物质与光线相互作用,会产生折射、散射和吸收,根据入射光的衰减程度,从而测出水样浊度的大小。在物理现象中表现为,当水越浑浊,透射光越弱,散射光越强;反之,透射光越强,散射光越弱。研发过程采取大量数据耦合试验,包括:实地采样不同浓度泥沙水体及特殊浓度标准液等;主控单元采取了恒流源保证供电稳定不产生波动;加入了载波防止其他光源干扰,发射光源稳定;主控单元增加前置放大增益控制,并采取高精度ADC采集控制计算模块,数据更精确。在仪器成品完成以后,将成品与水质检测行业领先的哈希高精度悬浮物检测仪进行对比试验,确保数据准确性及稳定性处于同一水平。

图2 设备运行原理

2.3 功能优势

2.3.1 自清洁功能

目前,市面上已有的含沙量监测仪器都缺乏自动清洁探头的功能,此类仪器长期浸泡在高浊度含沙量的水环境中,随着时间增长,检测精度会出现下降趋势,监测结果的准确度、可信度会随着仪器使用年限增长而降低。本项目自主研发的含沙量检测装置,由太阳能供电,探头设置自清洁功能,在无人为干预的前提下,监测结果的准确性随着设备的使用年限增长还能够维持稳定。

2.3.2 智慧监测

本项目自主研发仪器在实现实时监测的基础上,通过连接手机APP的手段实现物联网,打造数据的共享和互联互通机制,具有以下特点:设备体积小,24 h不间断监测更为便利;APP实时在线可查,水务监管反应更精确迅速;核心技术的创新及大量数据耦合试验给出科学数据支持。在实时监测、无人为干预的基础上,实现数据的互联互通,智慧监管(见图3)。

图3 设备联网示意

2.4 耦合试验

本设备研发利用标准液模拟不同浊度的水环境,通过对标准液的浓度设置不同的梯度区间(0～500 mg/L,>500～2 000 mg/L,>2 000～8 000 mg/L),建立数据耦合试验,通过不同浓度标准液的耦合试验结果对本设备精度进行检验及校准。经检验和校准后,对同一水体分别用本设备和水质检测行业领先的高精度进口仪器(哈希SOLITAXTMsc悬浮物检测仪)进行浊度检测,将二者检测结果进行对比,结果显示,本设备检测的准确性及稳定性与哈希高精度悬浮物检测仪处于同一标准,并且本设备的反应灵敏度还要略高。

3 场地试验

以往关于水体中固体悬浮物(SS)监测设备的应用,多集中在河道以及市政雨水管网,一定程度上忽视了生产建设项目沉沙池排水口这一对水环境具有威胁的源头。本设备针对高浓度含沙量水体的监测,适用场景不仅限于河道以及市政雨水管网,更可以在生产建设项目沉沙池排水口进行安装使用,对排水口悬移质数据进行实时监测、上传。在仪器投产使用之前,在实地及生产建设项目做了大量试点试验,改进了很多细节以适应不同的工作环境。本研究应用场景设置的采集频率为5 min/次。设备设定了3个监测区间:<200 mg/L,200 ～<500 mg/L,≥500 mg/L。当含沙量监测数据低于200 mg/L,APP显示数据信息为绿色,当含沙量监测数据达到报警阈值(200 mg/L、500 mg/L),设备会将报警信息自动上传APP,报警颜色显示依次为黄色、红色。

3.1 典型应用

仪器已于2022年下半年在深圳市深湾片区陆续投入使用,应用场景为各项目与市政管网交界地带。深湾片区临近深圳湾公园,片区在建工程较多,工地黄泥水通过14号排水口排入深圳湾,影响极易引人关注。该设备针对深圳湾14号排水口及上游排水口的使用,是深圳市第一个生产建设项目水土流失量化监管示范项目(见图4、图5)。设置每5 min取一次数据,每15 min上传一次数据,截至2022年11月18日,深湾片区12个设备安装点共计获取数据411 096条。通过对含沙量监测数据分析,得出:多数监测点位在8—10月含沙量监测数据达标(见表1);4号、8号点位8月含沙量平均数据超过了阈值(200 mg/L);9号点位8—10月含沙量监测数据均较大,其中8月平均含量达到411 mg/L;11号点位8月平均含量达到404 mg/L。通过进一步分析得知,含沙量超过预警值的4个点位数据超标情况主要集中在8月,这与气候因素有很大关系,主要是由于降雨量大、暴雨频率高导致地表径流量大,进而造成泥沙搬运、堆积的概率增高。

表1 深湾片区各点位8—10月含沙量数据 mg/L

图4 深湾片区监测点位示意

图5 各点位现场照片

3.2 对比试验

除市政雨水管网外,将本设备针对不同场景的应用进行了对比试验,具体做法是于2022年8—10月将设备分别安装在河道、生产建设项目沉沙池排水口、雨水井,对3种场景下的含沙量进行连续监测,基于不同场景下3个月的数据积累,对试验设备近10万条数据的有效性占比进行了分析(见表2)。生产建设项目沉沙池排水口的监测数据显示,100%为有效数据;而安装在河道和雨水井的监测设备受各种因素影响,有效数据占比分别为79.6%和70.2%。通过对现场情况的进一步分析发现,安装在河道的泥沙监测设备的探头位置是固定的,而河道水位却会因枯水期的到来发生剧烈波动,有的点位甚至会出现断流的情况,导致探头无法接触水体,这是河道数据异常的主要原因。对于连接市政雨水管网的雨水井,本次设备研发的设想是采用太阳能板供电,而应用于雨水井中的泥沙监测设备受实地环境限制无法连接太阳能板,只能采取电池供电的方式,但该设备设置的数据采集频次较高(5 min/次),耗电量高,因此目前电池的续航能力难以保证数据的连续性,约3个月需更换一次电池,且雨水管网里面条件复杂,不时有塑料袋、木头等杂物干扰,需要更多频次的现场设备维护。相比于地下管网的复杂条件和河道水位的不可控性,沉沙池泥沙监测设备的运行、维护更加容易。

表2 不同应用场景含沙量数据有效性占比

事实证明,相比于河道、雨水井等其他场景,应用于生产建设项目沉沙池的该监测设备数据有效性占比最高,且针对沉沙池高浊度的泥沙,本设备的适应性、精确性、即时性非常理想。

4 结束语

通过前期耦合试验和场地试验证明,该设备检测精度达到国外高精度悬浮物检测仪器的精度,且适用于高浊度的含沙水体。监测对比试验的结果显示,相比于河道和雨水井,该设备更能适应对生产建设项目沉沙池的含沙量监测,监测结果的准确性、即时性、连续性都有很好的保证。生产建设项目含沙量监测设备的研发与应用,旨在推动治水从巩固治污成果转向全面提质,探索建立生产建设项目水土流失全链条监管体系,形成一系列可复制、可推广的量化监管经验,从而减轻人为水土流失带来的黄泥水入河面源污染和人民群众亲水负面感官问题。加大水土保持新设备、新理念的应用,可为今后深圳城市生产建设项目水土保持工作提供有力的技术支撑,对提升深圳市城市生态环境具有重要意义,有助于深圳市乃至全国城市生产建设项目水土保持发展。