河道水质监测系统设计

杨明霞 ，寿颖杰 ，汪小东 ，林建栋

（1. 衢州学院电气与信息工程学院，浙江 衢州 324000；2. 浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000）

1 研究内容

1.1 研究背景

越来越多的内陆河道应用水闸控制，构成内湖并与其他河流进行水体交换，控制内河水位水质在一个适当的范围内，保证区域社会经济健康发展[1]。水闸作为挡潮、防洪冲沙的重要口门枢纽如何经过综合应用管理，及时有效地将内湖的水质与水位控制在正常范围内，防止一些突发自然灾害造成的危害，保障内湖地区的经济发展，是一个值得研讨的问题。随着城市社会发展，实现河道水闸的智能调度处理内湖的水位水质问题是水利智能化建设的趋向。

本设计以衢州市信安湖为研究对象。衢江流域（28°28'～29°34'N，118°23'～119°32'E）位于浙江省西部衢州市柯城区的信安湖（28°56'N，118°58'E），穿过衢州西区和主城区而过，是衢江流域面积和影响力最大的分段，沿岸人口数量众多，污水和化学需氧量占衢江干流的 30% 以上，所以信安湖因此被称为衢江水位水质的压力计[2]。本设计实际研究区域：包括衢江衢江大桥、石梁溪白云大桥、庙源溪杭金衢高速公路大桥、乌溪江浙赣铁路新大桥、衢江沈家大桥的水域。对信安湖核心区域进行实地考察，信安湖核心区域为一个狭长的 M 形，可以简化得到模型图，如图 1 所示。在此模型图中，本设计以衢州学院为中心，对信安湖上下游及水利枢纽进行分析研究。

图1 信安湖核心区域模型图

1.2 研究的因素

本设计中是根据对信安湖地区的相关数据进行研究，主要对水环境相关的两大因素——水质和水位，以及闸门的两大因素——孔道流量和开度进行研究。

1.2.1 水位

手动检测出过去 1 a 信安湖水位变化，如表 1所示。

表1 信安湖 2017 年水位 m

据表 1 所知，信安湖最低水位在 7 月，正好属于枯水期，为 3.55 m（高程 3.55 m）；最高水位在6 月，属于汛期，为 11.48 m（高程 63.39 m）；1 a 平均水位为 6.74 m（高程 59.5 m）。

1.2.2 水质

由于信安湖水域属于景观湖，且下游沿岸为衢州市衢江区主要灌溉区，所以水质标准为 IV 类水[3]。本设计的目的是将水质尽可能控制在 IV 类，至少为 V 类水，即将氨氮含量控制在 ≤ 1.5 mg/L 的范围内，所以设目标水质浓度为 1.5 mg/L。

1.2.3 水闸孔道流量

根据瞬时流量的不断检测和累加，可以计算得到闸门开启后流过闸门的水体积，即如下公式：

式中：q 为从闸门开启起到闸门闭合止的总水体积；qi为每个时间点检测到的瞬时流量；i 为从开启到关闭的各个检测时间点；n 为从开启到关闭的总共检测时间点。当对闸门进行调度时，检测到的瞬时流量不断在变化，如图 2 所示。

图2 闸门孔道瞬时流量图

1.2.4 闸门开度

闸门的起降高低是由闸门的开度表示的。从2017 年最高水位 11.48 m 和实地情况得知，本设计闸门设置高度为 12 m，故闸门最大开度为 12 m。为了方便起见，将闸门调度时的开度设置为 4，8 和12 m（全开）3 档，暂不考虑其他开度。

2 水质检测

随着传感器技术发展，最先进的传感器已具有自识别和自校正的功能，以及网络功能[4]。本设计采用 W-TPC01 型氨氮传感器，此氨氮智能传感器为氨气敏、铵离子、pH 和温度 4 个探头的组合，不必实验室进行化学检测，此传感器应用于现场快速检测水中的氨氮含量，还利用数据拟合处理提高测量精度[5]。

pH 值用来度量水的酸碱性，是溶液酸碱度的量化单位，是水质检测的重要指标之一。pH 值在定义中视为 H+离子浓度的负对数即：

3 系统设计

3.1 系统整体流程设计

系统整体流程以应用层为中心，也是系统的应用层架构运行的流程，其流程图如图 3 所示。当整个系统开始运行时，首先需要对系统整体进行参数初始化，随后需要对整个系统的各个部件进行检查，检查是否有部件参数未初始化等。

图3 系统整体流程图

当系统可以正常工作时，分为 2 个子系统的流程运行。其中，水环境监测系统中，经过检测数据后，导入数据中心，延时一段时间后，一轮水环境监测便完成了，该子系统进行下一轮监测。因为水环境监测是定时轮循检测，所以需要延时计数[4]。而在闸门调度系统中，系统先需要检查数据中心是否有数据。如果没有数据，则需要通过水环境检测系统进行获取；有数据的话，利用算法模型进行计算，并判断是否超过水域的纳污能力，最后得到调度方案，实现闸门调度，该子系统进行下一轮获取数据和计算判断。

3.2 水环境监测子系统设计

水环境监测系统是整体系统的其中一个子系统，当整体系统需要得到水环境的相关数据时，则开始运行水环境检测系统的流程。其流程图如图 4所示。

水环境监测系统开始运行时，系统同样需要初始化参数，初始化完成后，系统根据预先已排序的监测点的顺序进行检测数据。如设选择某监测点进行检测，系统对该监测点索求数据，同时系统自身开始定时计数并等待接收数据。若在规定时间内接收到监测点反馈的数据，则保存数据并继续选择其他监测点索求数据。

图4 水环境监测系统流程图

在水环境检测系统中的各个监测点，分别有水位和水质传感器，上位机依次进行轮循索求。在水质或水位传感器内部，传感器自身进行不断检测、处理数据并保存至传感器自带的缓冲区中。当水环境监测系统对各个监测点的传感器进行索求数据时，水质传感器或水位传感器会产生串口中断并进行中断处理，即将缓冲区中最新数据传送出去。同理，在闸门调度系统中，闸门开度和流量传感器的内部流程与水质或水位传感器内部流程相同。

3.3 闸门调度系统设计

当整体系统对已经得到的数据进行算法模型计算后，得到信安湖水质已超过当前纳污能力时，则需要对闸门进行调度以改善信安湖水环境。对于闸门调度系统，现已知水质已超过纳污能力，需要先对调度系统进行初始化参数，同时检测出闸门当前状态的开度。得到开度数据后，进行模型算法计算，并判断当前闸门需要开启的孔数与开度[6]。

依据所需的孔数与开度，以命令方式控制 PLC的运行，实现闸门的升降；同时，需要对闸门已开的孔道进行检测当前的水流量，保证在水中污染物扩散开且浓度下降情况下，信安湖的水位及其作为景观湖的作用等不受影响。依据 1.2.3 水闸孔道流量的原理，进行检测。当流量已达到之前计算所需的预计时，则需要检测当前闸门开度，此时检测的开度数据，是为了检测闸门自身是否发生位移，保证闸门安全关闭。依据开度数据，再次以命令方式控制 PLC 的运行，实现闸门升降。一次闸门调度便结束，但上位机需要计时一段时间并不断去数据中心取数据，检测是否超过纳污能力和防止闸门在短时间内频繁升降。其流程图如图 5 所示。

4 结语

图5 闸门调度系统流程图

讲述了设计研究的背景及其相关意义，设计了一个简单的基于物联网的水环境监测与闸门调度的系统。由于设计并不是严格地按照实际场地进行的设计，所以不能完全描述水环境的实际状况；针对闸门调度的模型也由于因素的研究较少没有完全完善，今后将进一步研究，完善调度算法模型的构建。