基于物聯網的廣西水資源監控能力構建與應用

王 皓

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 項目建設背景和目標

為踐行黨的“十八大”以來中央和習近平總書記提出的一系列重要治水思想，根據《國家水資源監控能力建設項目實施方案（2016-2018 年）的通知》（水財務[2016]168 號），按照“三年基本建成，五年基本完善”的目標，相關單位在廣西壯族自治區水資源項目辦的組織下編制了《國家水資源監控能力建設廣西壯族自治區技術方案（2016-2018年）》。

方案結合廣西的實際情況和特點，在一期項目的建設基礎上，完善水資源監控管理平臺應用系統，通過數據采集、數據交換、數據應用開展水資源監控建設，進一步對廣西達到水量監測要求的生活、工業、農業等管道、渠道進行流量、水位、流速等信息采集，對列入《全國重要飲用水水源地》名錄且達到監控要求的飲用水水源地的水質數據進行監測，通過數據交互實現對廣西河道外許可水量的82%以上和總用水量的46%進行取用水量在線監測，供水人口20萬人以上的飲用水地表水水源地水質在線監測全覆蓋。系統試運行情況表明：該物聯網監控體系運行穩定，上線率、及時率和完成率均達90%，通過有效的數據開發和應用為自治區水資源決策與調配提供科學的數據支撐和依據。

2 廣西水資源監控物聯網的總體架構設計

廣西水資源監控物聯網體系采用了“互聯互控”的方式，將傳感器設備通過互聯網連接，數據互聯互通，實現遠程監測和控制。

集合物聯網的要素，廣西水資源監控物聯網主要由前端數據采集、數據交換、應用平臺三大部份組成。前端數據采集即對監控對象的取水設施類型合理選擇計量設施進行監控，取得流量、水位、流速、水質參數等實時數據；數據交換即把取得的實時數據經由遙測終端通過GPRS傳輸的方式傳送到信息管理平臺，并按平臺的指令進行回應；應用平臺利用前端采集回來的數據，進行分析、展示、預警，進而對水資源的管理和決策調配提供支撐，總體架構示意如圖1所示。

圖1 水資源物聯網總體架構

3 數據采集設備選型

3.1 流量監測

水資源監測站主要由傳感器（水位計、流量計、水質監測儀、閘位計、功率計等）、RTU、電源和通信單元組成[1]。

在廣西水資源監控物聯網中，水資源監測站承擔了數據實時獲取的重要工作，結合廣西取用水戶取水點的實際情況，設備主要根據管道型和渠道型兩種監測類型選擇。

3.1.1 管道型取用水監測點

管道型取用水監測點根據管道的材質、管徑和客觀環境，選用能夠滿足物聯網構建需求的傳感器進行數據采集，選用的傳感器類型有電磁流量計和超聲波流量計。傳統的機械式水表結構簡單，但不具備數據傳輸的功能而未采用。

（1）電磁流量計。主要構成部分是傳感器和轉化器，工作原理是法拉第電磁感應定律，通過該定律來對導電性的液體或液固兩項介質進行流量測算，具有高精度、穩定性好的優點，還可測量各類酸、堿、紙漿等介質，基于成本考慮，主要用于管徑小同時有高精度要求的監測點。

（2）超聲波流量計。工作原理是利用傳遞速度受介質流動速度的影響來進行監測，此類流量計對被測介質要求比較嚴苛，但其優點是安裝簡單，無需停水操作，但相比于電磁流量計而言，測量精度相對較低。項目建設多采用插入式超聲波流量計，對于管道直徑小或管道材質或工況不利于施工等情況下選用外敷式超聲波流量計，以達到數據采集目的并能保障數據的準確性和有效性。

3.1.2 渠道型取用水監測點

渠道型取用水監測根據渠道的渠寬、渠深和渠道平整程度等，可選用浮子式水位計、非接觸式雷達流速流量儀和堰槽三類渠道型取用水計量設備進行監測。

（1)浮子式水位計。工作原理是基于標準斷面水位流量關系法來進行流量測算，通過率定得出各水位下的實時流速，從而計算出各水位時的實時流量。浮子式水位計安裝簡單，但需多次率定，從經濟性和維護性等角度出發，浮子式水位計適用性較高，項目中渠道型取用水監測斷面多為三面平整的渠道，且下游1 km內無閘門等影響水流波動的設施。

（2）非接觸式雷達流速流量儀。工作原理是通過雷達探頭測量出渠道的表面流速，再通過表面測點流速與斷面平均流速的關系計算該斷面的流量數據。非接觸式雷達流速流量儀精度不如浮子式水位計，但具有安裝簡單，施工成本低的優點，在項目中多用于渠道平順，流速穩定的監測斷面。

（3）堰槽法。主要是在渠道制作測流堰槽（寬頂堰、矩形堰、巴歇爾槽等），槽、堰的尺寸一般為固定尺寸，通過測量過槽、堰的水位，再通過水位流量關系反算出過流流量。堰槽法測量精度高，但施工安裝過程復雜，須停水施工，土建工程量大，建設工期長，需要根據監測渠道斷面的尺寸等選用一定規格的堰槽，在廣西水資源渠道型監測中多用于小型、不平整且可停水施工的渠道。

3.2 水質監測

水質監測從水源類型分為河道型和湖庫型。河道型水源地，在線監測常規水質5 參數（水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度）加高錳酸鹽指數（COD?Mn）、氨氮共7 項參數。湖庫型水源地，除上述7 項參數外，加測對湖庫富營養化有重要指示作用的水質參數（總磷、總氮）2項，共計9項。

水質監測站由采水單元、配水單元、檢測單元、數據采集單元、數據傳輸單元和輔助單元組成。

在廣西水資源水質監控建設中，結合水庫和河道情況，在能反映監控污染物的變化趨勢的要求下主要采用濕化學法、電極法、UV+FL 光譜融合分析法監測方式對飲用水源地進行水質監測。

（1）濕化學法。該方法是基于實驗室經典化學法的水質在線分析方法，具有高精度、穩定性好、易擴展等顯著的優點，由于技術成熟，是目前使用最廣的監測方法之一，但存在占地面積大，檢測時間長，設備單價高，后期維護成本高的缺點。

（2）電極法。主要是通過使用各種水質探頭，測定水體中某種物質或物化特性所產生的光、電信號的信號強度，根據率定模型轉換得出該物質的濃度或水的物理特性。該方法的優點在于設備結構相對簡單，檢測周期較短，建設成本低，安裝簡便，便于后期維護，但存在檢測精度低，可檢測的參數指標有限，主要應用于常規5 參數、氨氮、鹽度等10余項參數。

（3）光譜法。分析儀器主要有在線UV 吸收光譜分析儀和新型UV+FL 光譜融合分析儀兩種。通過光譜分析儀利用紫外-可見光（UV）波段通過測量光束接收端的UV 吸收光譜強度，利用光譜強度和數學模型計算得到水中有機物綜合指標的測量值。這種監測方法無需試劑，結構簡單，安裝方便，便于后期運行維護，但易受水質濁度條件限制，擴展性差，監測精度不穩定，適用于水質較好的水源地監測。

在廣西水資源水質監測建設中，對于具有放置設備條件的水源地采用濕化學+電極法進行水質監測，水質較好且維護需求小的湖庫型水源地采用UV+FL光譜融合分析法進行水質監測。

3.3 數據交換

數據交換是整個廣西水資源物聯網中數據流通樞紐。通過互聯網，監測站點將采集的數據上傳至平臺，平臺將控制指令發送至監測站點。現有的主流數據傳輸方式有GPRS、北斗衛星、LoRa、Zigee等。LoRa 和Zigee 均適用于相對較短距離的傳輸，由于站點分布廣，位置較為偏僻的農業灌溉區域多，而目前通過北斗衛星傳輸建設成本和運維成本偏高。GPRS 適用于長距離傳輸，區內移動信號較為良好，運營商信號基站基本實現全面覆蓋，可通過移動運營商的物聯卡服務，將監測數據通過GPRS的形式傳輸。根據廣西水資源信息采集點多范圍廣的特點，主要采用GPRS方式。

3.4 應用平臺

基于一期項目的建設基礎，廣西水資源監控能力二期項目建設對系統平臺進行整合完善。在國家下發的三級通軟件基礎上將取用水相關業務等業務模塊根據廣西的實際需求進行定制開發，并系統集成，通過用戶分類識別，實現平臺分級、分用戶展示。

建立數據匯集系統，統一數據標準，實現各級各類數據共享。經過初步整編后的信息，按照水資源監控的需求，以圖表等形式在系統平臺界面進行可視化展示，按照水資源分析和管理機制，建立各種告警規則，設置告警閾值，通過算法分析評價數據變化，實時進行告警，實現水資源監控智能化管理。

4 建設成效

廣西水資源物聯網經完善和優化，合理選擇監測點、監測方式，在二期項目中建成了1174 個取用水監測站點和22個水質監測站點，通過系統平臺的整合和升級，順利實現與國家平臺的數據聯通，試運行期整體系統運行情況良好，數據穩定，并于2019年8月順利通過各子系統驗收，2019年12月通過由水利部南京水利水文自動化研究所組織的現場技術評估，成為全國第四個通過現場技術評估的省份。

5 結語

隨著“水利設施補短板，水利行業強監管”的改革發展，基于物聯網技術在應用中不斷深化與推進，廣西水資源監控物聯網建設取得重大成效，基本實現廣西規模以上的取用水監測以及重要飲用水源地的水質監測，為廣西的水資源調配決策提供有力支撐，成為廣西水資源的“強監管”發展的主要推助力之一。