基于多功能航標(biāo)的大型江海運(yùn)河鹽度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

寧春平 王宇龍 鄭一鳴 王超亮

摘要：大型人工江海運(yùn)河建成之后極易導(dǎo)致內(nèi)河航道鹽度超標(biāo)，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人工運(yùn)河重點(diǎn)區(qū)域鹽度分布，便于快速采取抑制鹽水上溯的措施，文章設(shè)計(jì)了基于多功能航標(biāo)的大型江海運(yùn)河鹽度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將微型化鹽度傳感器布設(shè)在多功能航標(biāo)上以便供電供網(wǎng)，并在入海河口、船閘上下游以及上游庫(kù)區(qū)和取水口處三類(lèi)區(qū)域布設(shè)傳感器；將采集到的信息通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)河智慧管控平臺(tái)，結(jié)合實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)超限鹽度區(qū)域進(jìn)行預(yù)警；根據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)警信息，結(jié)合智慧運(yùn)河管控平臺(tái)決策系統(tǒng)，采取相應(yīng)的抑制鹽水上溯的方案。

關(guān)鍵詞：運(yùn)河；鹽度；監(jiān)測(cè)；航標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：U644.8+7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-4874（2024）04-0008-08

0 引言

隨著我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展，大型人工江海運(yùn)河凸顯出獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)地位，但是也隨之帶來(lái)了鹽水上溯的問(wèn)題。由于大型江海運(yùn)河具有航運(yùn)、防洪、灌溉等功能，鹽水上溯會(huì)對(duì)運(yùn)河沿岸居民生活、生態(tài)環(huán)境、企業(yè)生產(chǎn)、旅游景區(qū)等產(chǎn)生重大影響。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)、新材料技術(shù)、微納加工技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等各種高新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，新型環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備正向智能化、微型化、模塊化方向發(fā)展。針對(duì)江海運(yùn)河航道鹽水監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于多功能航標(biāo)的大型江海運(yùn)河鹽度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以多功能航標(biāo)為載體，將微型化鹽度傳感器置于多功能航標(biāo)上，將鹽度傳感器上的監(jiān)測(cè)要素與多功能航標(biāo)的位置信息相結(jié)合，根據(jù)潮位、水文信息，利用長(zhǎng)短周期人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)24 h以內(nèi)的大型人工江海運(yùn)河全航段鹽度分布，建立大型江海運(yùn)河全航段鹽度監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，為鹽水上溯應(yīng)急決策系統(tǒng)提供支持。本文以平陸運(yùn)河為例，詳細(xì)論述了基于多功能航標(biāo)的大型江海運(yùn)河鹽度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，闡明了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、信息預(yù)測(cè)以及平臺(tái)展示過(guò)程。

1 系統(tǒng)概述

基于多功能航標(biāo)的大型江海運(yùn)河鹽度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以多功能航標(biāo)為載體，利用已有的水文氣象采集模塊、流速流量模塊、GPS定位模塊等，結(jié)合鹽度-溫度-水位傳感器模塊，對(duì)全航段鹽水信息進(jìn)行采集，將采集到的信息通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳入運(yùn)河智慧管控平臺(tái)，結(jié)合實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，不斷優(yōu)化鹽水上溯傳遞深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，實(shí)時(shí)滾動(dòng)預(yù)報(bào)感潮河段、船閘及樞紐庫(kù)區(qū)等運(yùn)河典型斷面未來(lái)24 h的鹽度分布。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

鹽度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等多種技術(shù)手段，在多功能航標(biāo)上安裝鹽度監(jiān)測(cè)設(shè)備［1］，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)河中的鹽度信息，并通過(guò)RTU（遠(yuǎn)程終端單元）將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)感知平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)鹽度的實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集。該系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，鹽度監(jiān)測(cè)傳感器為常開(kāi)式，當(dāng)鹽度監(jiān)測(cè)傳感器采集到鹽水信息之后，將該信息在智能基站終端進(jìn)行預(yù)處理，判斷該斷面鹽水濃度是否達(dá)到預(yù)警值；收到鹽水信息之后進(jìn)行初步分析，將鹽度信息和航標(biāo)的位置信息通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭\(yùn)河智慧管控平臺(tái)，通過(guò)綜合分析潮位以及水文信息，利用長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)演未來(lái)24 h以內(nèi)該斷面鹽水濃度的實(shí)時(shí)變化；運(yùn)河智慧管控平臺(tái)接收到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)信息后將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息綜合處理之后進(jìn)行分析并預(yù)警，運(yùn)河智慧管控平臺(tái)將根據(jù)接收到的信息制定具體的防咸措施。

3 鹽度監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)備選型

目前，鹽水監(jiān)測(cè)設(shè)備在海洋環(huán)境中研究較多，主要有拋棄式、拖拽式以及衛(wèi)星遙感等方式［2］。但是，這些設(shè)備與方法并不適用于內(nèi)河航道，主要原因在于：傳統(tǒng)的鹽度傳感器體積大、成本高，而內(nèi)河航道寬度、深度有限，監(jiān)測(cè)設(shè)備過(guò)大影響船舶通航；傳統(tǒng)鹽度傳感器響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，功耗和誤差較大，而內(nèi)河航道大部分區(qū)域處于山區(qū)，供電網(wǎng)絡(luò)條件不足；傳統(tǒng)鹽度傳感器檢出限較高，不適用于內(nèi)河低鹽度監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況等。

美國(guó)鹽度傳感器主要由Seabird、FSI、YSI等公司生產(chǎn)，其中海鳥(niǎo)系列SBE 911-PLUS-CTD最具代表性，該設(shè)備的傳感器安裝在外部金屬管中，主要為海水監(jiān)測(cè)而開(kāi)發(fā)，可以承受10 000 PIS壓力，最大深度可達(dá)6 800 m；意大利、德國(guó)等歐洲國(guó)家研制的OCEAN-SEVEN-320設(shè)備采用無(wú)水泵導(dǎo)流管式電導(dǎo)池，與海鳥(niǎo)公司的設(shè)備相比消除了水泵誤差；日本亞克力的ACT-W-CAR鹽度傳感器不僅可以測(cè)量鹽度還可以測(cè)量溫度，消除了溫度差異引起的誤差。研究表明，當(dāng)溫度為5 ℃時(shí)，其鹽度一般為3.5%～3.7%。而當(dāng)海水溫度升高到10 ℃時(shí)，其鹽度會(huì)增加到3.8%～4.0%。此外，我國(guó)也自主研發(fā)了應(yīng)用于不同環(huán)境的鹽度測(cè)量設(shè)備，主要有拋棄式和船體固定式，例如國(guó)產(chǎn)6 000米CTDC，但是仍存在集成化程度不高、智能化程度較低等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外各類(lèi)設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

多功能航標(biāo)在內(nèi)河航運(yùn)安全中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，現(xiàn)代多功能航標(biāo)不僅能為船舶提供導(dǎo)航功能，還具備了航道要素測(cè)量采集等功能。現(xiàn)代多功能航標(biāo)安裝了航道水沙要素傳感器、水文氣象傳感器，還增加了太陽(yáng)能電池供電、無(wú)線傳輸、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等功能［3］。大型江海運(yùn)河的鹽度傳感器可以安裝在內(nèi)河多功能航標(biāo)上，因此在鹽度傳感器選型方面要統(tǒng)籌考慮內(nèi)河通航環(huán)境和航標(biāo)等因素。主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行考慮：（1）人工運(yùn)河水域?qū)挾扰c深度有限，多功能航標(biāo)尺寸也有限，因此需要選用微型化鹽水監(jiān)測(cè)設(shè)備；（2）多功能航標(biāo)由太陽(yáng)能供電，多功能航標(biāo)上需要用電的設(shè)備很多，因此需要統(tǒng)籌考慮用電需求；（3）內(nèi)河航道鹽度較低，需要選用檢出限低、反應(yīng)靈敏、誤差小的傳感器。

考慮到大型人工運(yùn)河的實(shí)際情況，采用微型化鹽度傳感器以減少對(duì)船舶航行的影響，其中傳感器探頭同步對(duì)溫度和鹽度進(jìn)行測(cè)試以消除溫度帶來(lái)的誤差。電導(dǎo)率測(cè)量采用平面條形開(kāi)放式七電極電導(dǎo)率傳感探頭［4］，其可有效避免鄰近效應(yīng)和極化效應(yīng)產(chǎn)生的影響。溫度測(cè)量采用柵狀薄膜鉑電阻傳感探頭，在有限的空間增大測(cè)量阻值，提高溫度傳感器靈敏度。將電極進(jìn)行開(kāi)放式平面設(shè)計(jì)，以電場(chǎng)消除外界雜質(zhì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。該傳感器的溫度范圍為-3 ℃～40 ℃，測(cè)量精度為±0.06 ℃；電導(dǎo)率的測(cè)量范圍為0～65 ms/cm，測(cè)量精度為±0.08 ms/cm。該傳感器體積小、方便安裝，探頭厚度為2 mm，長(zhǎng)與寬分別為15 mm和10 mm，最大程度降低了鹽度監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)船舶航行的影響。

4 鹽度監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)備布設(shè)方案

由于鹽水上溯與潮位有關(guān)，潮位變化引起的水平面抬升導(dǎo)致鹽水入侵的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。尤其在干旱季節(jié)，缺乏強(qiáng)潮汐流和潮汐誘導(dǎo)的湍流，導(dǎo)致淡水與咸水界面的垂直混合有限［5］。在這種條件下，在河道下游的河床低于平均海平面，會(huì)導(dǎo)致雙向雙層流動(dòng)，上層較稀的河水向下游流向河口，下層較重的鹽水向上游推進(jìn)，加劇了鹽水入侵的程度，所以需要在入海河口處以及水位急劇變化處對(duì)運(yùn)河鹽水濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。海側(cè)船閘在閘門(mén)啟閉時(shí)由于異重流的影響很容易發(fā)生鹽水入侵，大型人工運(yùn)河建成之后會(huì)導(dǎo)致密集的船舶交通流，進(jìn)而導(dǎo)致更加頻繁的閘門(mén)啟閉，頻繁的閘門(mén)啟閉導(dǎo)致的異重流會(huì)使船閘內(nèi)部鹽度增加。此外，越來(lái)越大的樞紐和閘門(mén)尺寸也會(huì)導(dǎo)致閘室內(nèi)部鹽水入侵量增加，船閘受到鹽水入侵之后內(nèi)部結(jié)構(gòu)極易被腐蝕，所以需要對(duì)船閘上下游鹽度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生鹽水入侵，就需要采取相應(yīng)的措施。由于大型人工運(yùn)河不僅有航運(yùn)功能，還要兼顧防洪、灌溉、生態(tài)、居民飲水等，上游庫(kù)區(qū)一旦發(fā)生鹽水入侵將影響上游水生態(tài)安全及飲水安全。所以需要在上游庫(kù)區(qū)以及取水口處對(duì)鹽度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)警，以保證上游水生態(tài)與水環(huán)境安全。根據(jù)前期鹽度監(jiān)測(cè)結(jié)果，感潮河段、船閘上下游以及樞紐庫(kù)區(qū)是鹽度敏感區(qū)域，因此需要在以上3類(lèi)區(qū)域沿程多點(diǎn)位布設(shè)鹽度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

平陸運(yùn)河自上而下設(shè)置馬道頭、企石垌、大田坪、青年4個(gè)梯級(jí)。青年梯級(jí)以上為欽江干流段，為淡水航道；以下為入海口欽江段，為鹽水航道。青年梯級(jí)原本無(wú)通航設(shè)施，淡水通過(guò)泄水閘流入入海口欽江段，不存在鹽淡水交換的問(wèn)題。建設(shè)大型通航設(shè)施后，船閘運(yùn)行期鹽淡水會(huì)發(fā)生水體交換，造成鹽水上溯，對(duì)青年梯級(jí)以上的生態(tài)環(huán)境造成一定影響。

如圖2所示，微型化鹽度傳感器安裝在多功能航標(biāo)上，鹽水監(jiān)測(cè)的信息通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備的簡(jiǎn)單處理之后和航標(biāo)的其他信息通過(guò)5G無(wú)線傳輸?shù)姆绞睫D(zhuǎn)遞給基站，再由基站傳遞給運(yùn)河智慧管控平臺(tái)。借助5G網(wǎng)絡(luò)與岸基控制中心互聯(lián)，多功能航標(biāo)與鹽度傳感器之間的物理層采用RS-485總線傳輸。RS-485總線采用差分接收和平衡發(fā)送方式實(shí)現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)從A、B 兩路輸出，有極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器可以檢測(cè)到低至200 mV的電壓。RS-485采用半雙工工作方式支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。鹽度傳感器信號(hào)與其他采集終端都通過(guò)RS-485總線與多功能航標(biāo)進(jìn)行通信［6］。將鹽水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)際情況剔除湖泊修正異常值、缺失值等，保障數(shù)據(jù)質(zhì)量。將鹽水?dāng)?shù)據(jù)和航標(biāo)位置數(shù)據(jù)與電子航道圖等運(yùn)河地形信息進(jìn)行融合，將融合后的信息傳入智慧運(yùn)河管控平臺(tái)進(jìn)行可視化展示，并根據(jù)潮位信息、水文信息，利用運(yùn)河智慧管控平臺(tái)的長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)未來(lái)24 h內(nèi)運(yùn)河沿程以及重點(diǎn)管控區(qū)域的鹽度分布以進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)超限鹽度區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。根據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)警信息，結(jié)合智慧運(yùn)河管控平臺(tái)決策系統(tǒng)，采取相應(yīng)的抑制鹽水上溯的方案。

青年樞紐船閘開(kāi)啟時(shí)，海水會(huì)在重力作用下向淡水入侵，海水入侵量取決于閘室與外部港口之間水體密度差異、水位、水深、船閘尺寸和閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間。鹽度達(dá)到7.8‰就會(huì)與淡水形成異重流，而入海口海水鹽度一般為25‰，異重流是海側(cè)船閘主要的海水入侵形式。根據(jù)以上原則，平陸運(yùn)河鹽水監(jiān)測(cè)布設(shè)點(diǎn)位選擇如圖3所示，在茅尾海入海口處、北部灣大學(xué)水深急劇變化處、金海灣大橋和子材大橋等重點(diǎn)航道、東西干渠引水處和欽州引水處等取水口、青年樞紐閘室以及上下游處等點(diǎn)位布設(shè)鹽水監(jiān)測(cè)設(shè)備。

6 結(jié)語(yǔ)

基于多功能航標(biāo)的大型江海運(yùn)河鹽度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將鹽水監(jiān)測(cè)安裝在多功能航標(biāo)上，具有體積小、反應(yīng)靈敏、安裝方便、不影響通航等優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)了入海河口區(qū)、船閘上下游、上游庫(kù)區(qū)、取水口處等重點(diǎn)區(qū)域的鹽水監(jiān)測(cè)，利用長(zhǎng)短周期人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合潮位水文信息，對(duì)未來(lái)24 h內(nèi)的運(yùn)河沿程以及重點(diǎn)區(qū)域的鹽度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并上傳運(yùn)河智慧管控平臺(tái)，便于決策平臺(tái)快速采取措施抑制鹽水上溯，提高了決策效率與科學(xué)性，推動(dòng)了大型人工江海運(yùn)河的信息化建設(shè)。

［1］劉星橋. 基于短距離高速無(wú)線通信鹽度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［D］.江蘇：江蘇大學(xué)，2008.

［2］A.M. Oldeman，S. Kamath，M.V. Masterov，et al. Numerical study of bubble screens for mitigating salt intrusion in sea Locks ［J］. International Journal of Multiphase Flow，2020，129（104421）：1-22.

［3］尹奇志，孫 星，初秀民，等. 基于多功能航標(biāo)的水面溢油在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（21）：81-84.

［4］劉 玥，梁銘聰，梁穎珊，等. 基于空—天—地高光譜的感潮河道水體鹽度監(jiān)測(cè)方法研究［J］. 水電與新能源，2023，12（37）：35-39.

［5］裘 誠(chéng)，顧圣華，李 琪. 長(zhǎng)江河口鹽度監(jiān)測(cè)布局研究［J］. 華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（4）：7-16.

［6］鄧瀟陽(yáng)，徐志宇. 面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的水體鹽度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 自動(dòng)化儀表，2021，42（5）：19-21，26.

作者簡(jiǎn)介：寧春平（1990—），工程師，主要從事水運(yùn)工程信息化科技方面的工作。