彭 烨， 李晓如， 韩勇华
(深圳市深水龙岗水务集团有限公司，广东深圳518030)
原水水质直接关系到饮用水安全，与生产生活息息相关。近年来，水源水质污染事件频发[1]，给居民的生命财产安全带来了巨大威胁。同时，随着工、农业的快速发展，越来越多的外来污染源随时随地排放进入大自然，使水污染加剧，水源水质安全得不到保障。针对水源水质污染突发事件的应急和预警监测技术一直都是国内外企业和科研机构的研究热点，目前已有部分研究成果应用于市场，但是系统的建设主要集中在对水质监测技术[2]、仪表选型及特定指标的监测[3-7]与分析[8]，缺乏对取水方式、监测设备全生命周期管理及外部环境安全性的考虑。
本研究以深圳某水库为对象，从水库水源在线监测预警系统全要素出发，构建了取样、监测、预警、运维、安防一体化的系统架构，结合水库供水分布区域确定了最佳取水位置及方式。同时，针对水库水质特征，参考深圳市供水智慧化建设指引，确定了水库水源监测指标，为确保监测数据的准确性，构建了基于AR技术的设备全生命周期管理模块，并从智慧安防角度出发，设立了一套基于边缘计算的视频监控系统，实现异物入侵快速检测及报警，从而为水源水质在线预警安全稳定运行及应急响应提供数据支撑及决策支持。
水库水源水质在线监测预警系统主要由硬件系统、数据传输系统、预警监控软件系统构成，每个系统又包含多个部分，系统技术架构见图1。
图1 水库水源水质在线监控预警系统技术架构Fig.1 Technical framework of on-line monitoring and warning system for reservoir water source quality
硬件系统由自动采样系统、预处理系统、水质监测仪表、子站控制系统、生物毒性监测系统、智慧安防监控系统等组成，主要实现对原水取样、水质监测、数据采集、数据存储、数据分析、设备控制及站房视频监控，属于整个系统的感知层。数据传输系统采用互联网专线(网络应用型)解决方案，可将采集数据及视频通过专线传输至预警监控软件系统，既保证了数据传输的及时性、稳定性又可兼顾数据传输的安全性，属于整个系统的传输层。预警监控系统为系统的应用层，主要实现在线监测数据展示与查询、数据统计与分析、设备全生命周期管理、应急管理等功能，具备平台、短信、APP三级预警机制。
系统硬件由多个部分组成，包含取样点选址及设计、预处理系统、水质监测仪表、子站控制系统、生物毒性监测系统、智慧安防监控系统等，主要实现水库水质的快速监测及预警。
2.1 取样点选址及设计
原水取样点的选址除了需满足监测的实用性，还需综合考虑施工及后期运维的方便性。深圳某水库供应多家水厂，日供水量约为25×104m3，考虑到该水库原水至水厂需经过原水加压泵站，泵站在水库岸边且距离沿线水厂较远，有足够预警时间，因此选择将在线监测系统设在原水加压泵站内。
本项目取水系统采用水库泵后原水管开口取水，采用三通阀，取水口1用1备。考虑后期运维的便利性，需在管道开口处制作阀门检修井，供后期检修使用，其内部结构见图2。
图2 检修井内部结构示意Fig.2 Internal structure of manhole
系统采用原水管泵后取水，通过调节阀门大小可控制水压在合理范围内，同时系统取水管管材要求耐腐蚀、耐冲撞，外部套用PVC管。取水管敷设需做管沟，便于定期更换取水管。
2.2 监测指标的选择
为加快推进深圳市供水智慧化建设，提升供水行业智慧化管理水平，深圳市水务局于2021年组织编制了《深圳市供水智慧化建设指引》(以下简称《建设指引》)。《建设指引》明确了水源在线监测指标应包括浊度、pH、水温、溶解氧、电导率、氨氮、CODMn及水质生物毒性指标。
在满足《建设指引》要求的基础上，借鉴目前国内外成熟建设经验并综合考虑水库水质可能的污染源，确定将水温、电导率、溶解氧、pH、浊度、叶绿素、氨氮、CODMn、TOC、水位、氧化还原电位(ORP)、总磷、总氮、水质综合生物毒性这14项作为水库水质在线监测预警系统的监测指标。
2.3 预处理系统
预处理系统既要保证能够除去水中较大颗粒杂质和泥沙，又要保证进入分析仪器的水样中被测成分不变。本系统选用Y型过滤器，具有结构先进、阻力小、排污方便等特点，便于后期维护与清洗。
2.4 子站控制系统
子站控制系统采用基于工业级PLC的可编程逻辑控制器，系统的控制单元具有系统控制、数据采集、存储及分析功能。系统控制实现水质自动监测系统水样采集、预处理、仪表测量、校准、清洗等过程控制，能完成超标留样、定时留样以及远程留样。
现场控制软件通过对现场数据进行采集、存储及分析，可显示测量参数、监测流程图和设备运行状态等，能够判断故障部位和原因，具备故障以及状态异常自动报警功能。可对进水水路、排水水路及反冲洗水路以不同颜色区分显示，系统监测流程见图3。
图3 系统监测流程Fig.3 Monitoring flow of the system
2.5 生物毒性监测系统
生物毒性监测系统具有监测和预警水质突变的功能。系统以国际公认的毒理性标准指示生物斑马鱼作为探测生物，利用图像法分析水生物的行为参数[9]，建模后快速得出水质综合毒性指数，结合理化监测，进一步分析水体污染情况，且可实现无人值守的连续在线自动监控。
2.6 智慧安防监测系统
智慧安防监测系统采用“边缘节点+高清摄像头”模式[10]，融合计算、存储、网络等基础能力，支持业务规则、算法及应用的灵活配置，可快速识别异物入侵监测，同时将分析结果通过数据传输系统上传至预警监控系统，确保监测站周边运行环境安全。
数据传输系统作为整个系统的传输层，采用互联网专线(网络应用型)将采集的各类水质信息和现场视频传输至预警监控系统。依托雄厚的网络资源，数据传输速率高，可满足实时性要求。
预警监控系统基于B/S架构开发，具备PC端及移动端APP应用，具备数据查询、数据分析、报表统计、地图总览、设备管理、应急管理、系统管理七大基础功能模块。
4.1 设备管理
设备管理提供AR智能识别功能，可核对实物与账物是否相同，调出设备的台账信息及历史运行情况，并查看设备作业指导手册等。
可通过AR技术邀请外部专家进行远程指导，使整个设备的运维过程更加透明和直观，运维质量有保证，设备管理更加智能化。
4.2 应急管理
应急作为水质预警一个重要环节，在保障供水安全方面意义重大。当监测到水质突变时，系统将严格按照原水水质突变应急管理流程进行预警，图4所示为某水务企业目前水质突变应急响应流程。
图4 水质突变应急响应流程Fig.4 Emergency response process of sudden water quality change
为满足业务需求，系统为应急响应提供了有效的信息化支撑，开发了一套可视化应急预案流程配置工具，业务人员可随需配置应急流程，系统按照配置的应急流程自动流转，满足应急需求。同时系统从应急全要素出发，通过“应急一张图”集中展示了各类应急事件来源、处理过程及可调控资源，可实现对应急人员、车辆、物资的科学分配处置，确保应急工作有序开展，如图5所示。通过对应急全流程的跟踪及处理，系统可为水质事件整理及回溯提供依据，助力提升企业水质突变应急响应能力。
图5 预警系统“应急一张图”示意Fig.5 Schematic diagram of "Emergency Map" of the early warning system
目前该系统已在某水务企业试运行8个月，实现了对某水库水源14项水质指标的常规连续监测(见图6)，并可对水域污染突发事件进行应急检测处置，及时发布水环境状况报告等。设备、数据在线率达到100%，管理人员可随时随地掌控水质变化情况，确保原水水质安全。
图6 预警系统多参数曲线分析Fig.6 Multi-parameter curve analysis of the early warning system
水源质量直接影响用水质量，关系到人民的身体健康，因此在水质的全流程监测过程中，加强源头水质监测尤为重要。从硬件系统、传输系统和预警监测系统3层架构出发，结合后期运维便利性及应急响应等要求，借助现有AR、边缘计算等信息化技术，完成了一套标准化原水预警监测系统的搭建，确保了水库水源水质监测的实时性、准确性与先进性。
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