基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監測系統設計

寧春平 王宇龍 鄭一鳴 王超亮

摘要：大型人工江海運河建成之后極易導致內河航道鹽度超標，為了實時監測人工運河重點區域鹽度分布，便于快速采取抑制鹽水上溯的措施，文章設計了基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監測系統，將微型化鹽度傳感器布設在多功能航標上以便供電供網，并在入海河口、船閘上下游以及上游庫區和取水口處三類區域布設傳感器；將采集到的信息通過無線傳感網絡傳輸到運河智慧管控平臺，結合實時在線監測數據，對超限鹽度區域進行預警；根據預測預警信息，結合智慧運河管控平臺決策系統，采取相應的抑制鹽水上溯的方案。

關鍵詞：運河；鹽度；監測；航標

中圖分類號：U644.8+7? 文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0008-08

0 引言

隨著我國內河航運的發展，大型人工江海運河凸顯出獨特的經濟地位，但是也隨之帶來了鹽水上溯的問題。由于大型江海運河具有航運、防洪、灌溉等功能，鹽水上溯會對運河沿岸居民生活、生態環境、企業生產、旅游景區等產生重大影響。隨著現代傳感器技術、新材料技術、微納加工技術、物聯網技術等各種高新技術的發展與應用，新型環境監測設備正向智能化、微型化、模塊化方向發展。針對江海運河航道鹽水監測的關鍵技術問題，本文設計了一種基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監測系統。該系統以多功能航標為載體，將微型化鹽度傳感器置于多功能航標上，將鹽度傳感器上的監測要素與多功能航標的位置信息相結合，根據潮位、水文信息，利用長短周期人工神經網絡預測24 h以內的大型人工江海運河全航段鹽度分布，建立大型江海運河全航段鹽度監測預警體系，為鹽水上溯應急決策系統提供支持。本文以平陸運河為例，詳細論述了基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監測系統的應用，闡明了該系統的數據采集、數據傳輸、信息預測以及平臺展示過程。

1 系統概述

基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監測系統是以多功能航標為載體，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，結合鹽度-溫度-水位傳感器模塊，對全航段鹽水信息進行采集，將采集到的信息通過無線傳感網絡傳入運河智慧管控平臺，結合實時在線監測數據反饋，不斷優化鹽水上溯傳遞深度神經網絡預測模型，實時滾動預報感潮河段、船閘及樞紐庫區等運河典型斷面未來24 h的鹽度分布。

2 系統架構設計

鹽度監測系統綜合應用了物聯網技術、自動化技術等多種技術手段，在多功能航標上安裝鹽度監測設備［1］，可以實時監控運河中的鹽度信息，并通過RTU（遠程終端單元）將數據上傳到物聯感知平臺，實現全自動鹽度的實時監控和采集。該系統的總體框架如圖1所示，鹽度監測傳感器為常開式，當鹽度監測傳感器采集到鹽水信息之后，將該信息在智能基站終端進行預處理，判斷該斷面鹽水濃度是否達到預警值；收到鹽水信息之后進行初步分析，將鹽度信息和航標的位置信息通過無線傳感網絡傳輸到運河智慧管控平臺，通過綜合分析潮位以及水文信息，利用長短期記憶網絡算法預演未來24 h以內該斷面鹽水濃度的實時變化；運河智慧管控平臺接收到各監測點的相關信息后將所有監測點的信息綜合處理之后進行分析并預警，運河智慧管控平臺將根據接收到的信息制定具體的防咸措施。

3 鹽度監測傳感器的設備選型

目前，鹽水監測設備在海洋環境中研究較多，主要有拋棄式、拖拽式以及衛星遙感等方式［2］。但是，這些設備與方法并不適用于內河航道，主要原因在于：傳統的鹽度傳感器體積大、成本高，而內河航道寬度、深度有限，監測設備過大影響船舶通航；傳統鹽度傳感器響應時間過長，功耗和誤差較大，而內河航道大部分區域處于山區，供電網絡條件不足；傳統鹽度傳感器檢出限較高，不適用于內河低鹽度監測的實際情況等。

美國鹽度傳感器主要由Seabird、FSI、YSI等公司生產，其中海鳥系列SBE 911-PLUS-CTD最具代表性，該設備的傳感器安裝在外部金屬管中，主要為海水監測而開發，可以承受10 000 PIS壓力，最大深度可達6 800 m；意大利、德國等歐洲國家研制的OCEAN-SEVEN-320設備采用無水泵導流管式電導池，與海鳥公司的設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量鹽度還可以測量溫度，消除了溫度差異引起的誤差。研究表明，當溫度為5 ℃時，其鹽度一般為3.5%～3.7%。而當海水溫度升高到10 ℃時，其鹽度會增加到3.8%～4.0%。此外，我國也自主研發了應用于不同環境的鹽度測量設備，主要有拋棄式和船體固定式，例如國產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。國內外各類設備優缺點如表1所示。

多功能航標在內河航運安全中發揮著越來越重要的作用，現代多功能航標不僅能為船舶提供導航功能，還具備了航道要素測量采集等功能。現代多功能航標安裝了航道水沙要素傳感器、水文氣象傳感器，還增加了太陽能電池供電、無線傳輸、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）等功能［3］。大型江海運河的鹽度傳感器可以安裝在內河多功能航標上，因此在鹽度傳感器選型方面要統籌考慮內河通航環境和航標等因素。主要從以下3個方面進行考慮：（1）人工運河水域寬度與深度有限，多功能航標尺寸也有限，因此需要選用微型化鹽水監測設備；（2）多功能航標由太陽能供電，多功能航標上需要用電的設備很多，因此需要統籌考慮用電需求；（3）內河航道鹽度較低，需要選用檢出限低、反應靈敏、誤差小的傳感器。

考慮到大型人工運河的實際情況，采用微型化鹽度傳感器以減少對船舶航行的影響，其中傳感器探頭同步對溫度和鹽度進行測試以消除溫度帶來的誤差。電導率測量采用平面條形開放式七電極電導率傳感探頭［4］，其可有效避免鄰近效應和極化效應產生的影響。溫度測量采用柵狀薄膜鉑電阻傳感探頭，在有限的空間增大測量阻值，提高溫度傳感器靈敏度。將電極進行開放式平面設計，以電場消除外界雜質對監測結果的影響。該傳感器的溫度范圍為-3 ℃～40 ℃，測量精度為±0.06 ℃；電導率的測量范圍為0～65 ms/cm，測量精度為±0.08 ms/cm。該傳感器體積小、方便安裝，探頭厚度為2 mm，長與寬分別為15 mm和10 mm，最大程度降低了鹽度監測過程中對船舶航行的影響。

4 鹽度監測傳感器的設備布設方案

由于鹽水上溯與潮位有關，潮位變化引起的水平面抬升導致鹽水入侵的風險大大增加。尤其在干旱季節，缺乏強潮汐流和潮汐誘導的湍流，導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，會導致雙向雙層流動，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，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運河鹽水濃度進行監測。海側船閘在閘門啟閉時由于異重流的影響很容易發生鹽水入侵，大型人工運河建成之后會導致密集的船舶交通流，進而導致更加頻繁的閘門啟閉，頻繁的閘門啟閉導致的異重流會使船閘內部鹽度增加。此外，越來越大的樞紐和閘門尺寸也會導致閘室內部鹽水入侵量增加，船閘受到鹽水入侵之后內部結構極易被腐蝕，所以需要對船閘上下游鹽度進行監測，一旦發生鹽水入侵，就需要采取相應的措施。由于大型人工運河不僅有航運功能，還要兼顧防洪、灌溉、生態、居民飲水等，上游庫區一旦發生鹽水入侵將影響上游水生態安全及飲水安全。所以需要在上游庫區以及取水口處對鹽度進行監測，并根據觀測數據實時預警，以保證上游水生態與水環境安全。根據前期鹽度監測結果，感潮河段、船閘上下游以及樞紐庫區是鹽度敏感區域，因此需要在以上3類區域沿程多點位布設鹽度實時監測設備。

5 系統應用

平陸運河自上而下設置馬道頭、企石垌、大田坪、青年4個梯級。青年梯級以上為欽江干流段，為淡水航道；以下為入海口欽江段，為鹽水航道。青年梯級原本無通航設施，淡水通過泄水閘流入入海口欽江段，不存在鹽淡水交換的問題。建設大型通航設施后，船閘運行期鹽淡水會發生水體交換，造成鹽水上溯，對青年梯級以上的生態環境造成一定影響。

如圖2所示，微型化鹽度傳感器安裝在多功能航標上，鹽水監測的信息通過監測設備的簡單處理之后和航標的其他信息通過5G無線傳輸的方式轉遞給基站，再由基站傳遞給運河智慧管控平臺。借助5G網絡與岸基控制中心互聯，多功能航標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送方式實現通信：發送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號從A、B 兩路輸出，有極強的抗共模干擾的能力，總線收發器可以檢測到低至200 mV的電壓。RS-485采用半雙工工作方式支持多點數據通信。鹽度傳感器信號與其他采集終端都通過RS-485總線與多功能航標進行通信［6］。將鹽水監測數據進行校準，并根據實際情況剔除湖泊修正異常值、缺失值等，保障數據質量。將鹽水數據和航標位置數據與電子航道圖等運河地形信息進行融合，將融合后的信息傳入智慧運河管控平臺進行可視化展示，并根據潮位信息、水文信息，利用運河智慧管控平臺的長短期記憶網絡算法對未來24 h內運河沿程以及重點管控區域的鹽度分布以進行預測，對超限鹽度區域進行預警。根據預測預警信息，結合智慧運河管控平臺決策系統，采取相應的抑制鹽水上溯的方案。

青年樞紐船閘開啟時，海水會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、船閘尺寸和閘門開啟時間。鹽度達到7.8‰就會與淡水形成異重流，而入海口海水鹽度一般為25‰，異重流是海側船閘主要的海水入侵形式。根據以上原則，平陸運河鹽水監測布設點位選擇如圖3所示，在茅尾海入海口處、北部灣大學水深急劇變化處、金海灣大橋和子材大橋等重點航道、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位布設鹽水監測設備。

6 結語

基于多功能航標的大型江海運河鹽度在線監測系統將鹽水監測安裝在多功能航標上，具有體積小、反應靈敏、安裝方便、不影響通航等優勢。實現了入海河口區、船閘上下游、上游庫區、取水口處等重點區域的鹽水監測，利用長短周期人工神經網絡，結合潮位水文信息，對未來24 h內的運河沿程以及重點區域的鹽度進行了預測，并上傳運河智慧管控平臺，便于決策平臺快速采取措施抑制鹽水上溯，提高了決策效率與科學性，推動了大型人工江海運河的信息化建設。

［1］劉星橋. 基于短距離高速無線通信鹽度監測系統的設計研究［D］.江蘇：江蘇大學，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. 基于多功能航標的水面溢油在線監測系統設計［J］.武漢理工大學學報，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測方法研究［J］. 水電與新能源，2023，12（37）：35-39.

［5］裘 誠，顧圣華，李 琪. 長江河口鹽度監測布局研究［J］. 華東師范大學學報（自然科學版），2015（4）：7-16.

［6］鄧瀟陽，徐志宇. 面向物聯網應用的水體鹽度監測系統設計［J］. 自動化儀表，2021，42（5）：19-21，26.

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