堤坝白蚁危害自动监测技术及应用

易建州，王永安，刘德昌，赵鹏飞

（1.江西省水利科学院，江西 南昌，330029；2.堤坝安全（北京）科技有限公司，北京 102600；3.大坝卫士（北京）网络科技股份有限公司，北京 100070）

白蚁危害是我国特别是南方地区水利设施的重要安全隐患，长期以来，水利工程白蚁防治主要以人工挖巢法、药杀法、光诱法等方法开展，这些方法虽然能有效控制白蚁，但也存在土方回填质量不高、药杀对土壤和水体的污染、光诱使用的局限性等问题。因此，亟需研发一套集“诱集监测-灭杀控制-再诱集监测”为一体的堤坝白蚁监测控制系统，实现数据自动采集、传输及处理、预警、控制和灭杀，避免白蚁治理-复发-再治理的不良循环，达到白蚁危害控制长效管理[1]。

1 技术原理

堤坝白蚁自动监测控制系统：基于物联网技术，通过“诱集监测-灭杀控制-再诱集监测”的循环监测方式，实现防治堤坝白蚁危害的一整套监测控制技术体系。

1.1 监测原理

将白蚁喜食且对白蚁具有极强引诱力的饵料和触发器固定在监测控制装置内，每一个装置预设具有唯一性的身份识别码，监测控制装置按一定的要求安装在需保护的堤坝内、外坡及坡顶周围土壤中，安装完成后根据全球定位系统形成和身份识别码相对应的位置地图，通过手机端APP可以上传装置安装图片、表格等安装信息，运行期间可实现巡检、维护情况的图表、日志上传和呈现功能。

监测控制装置安装完成后，进入工作状态，在白蚁外出觅食的工蚁到达监测控制装置周围一定距离处的土壤中后，由于受装置内饵料释放在土壤中的引诱物质的强烈吸引，迅速将蚁路修筑至监测控制装置，并通过饵料仓预设的通道纷纷进入装置内取食，根据白蚁的喜食特性触发器青稞纸石墨烯纸片或涂层是白蚁更为喜食的食物，白蚁取食过程中优先啃断报警触发器青稞纸石墨烯片或涂层，造成电路系统断路而触发报警。

1.2 数据采集、传输、处理原理

电路系统断路而触发报警后，报警信号自行采集，通过无线网络传输到互联网，通过互联网将信号传输到数据中心，数据中心经数据处理后，将白蚁入侵啃食的装置位置、时间等通过管理软件在电脑端和手机端呈现给客户。

数据库采用可扩展数据处理中心，基于云平台搭建运营商级别的通信链路和可靠的云端数据中心，支持前端数据高并发上传，沉淀白蚁监测数据库；基于机器学习的数据分析系统，采用PCA主成分分析、逻辑回归、异常监测等算法对原始数据进行处理，形成白蚁入侵分析算法。

1.3 灭杀原理

客户端接到监测装置报警后，及时安排白蚁防治专业人员进行定点定量精准灭杀控制。灭杀控制有饵剂灭杀控制和喷粉灭杀控制等方法。其原理分别简述如下：

（1）饵剂灭杀控制原理。灭杀控制原理是利用白蚁相互舔舐、交哺的生物习性，把白蚁喜食的饵料与药物混合制成对白蚁有毒的饵剂，是一种慢性胃毒剂，饵剂对白蚁具有强烈的引诱性，投放到报警的监测控制装置内或其附近的泥被泥线、蚁道、分飞孔内或投放到诱杀堆、诱杀坑内诱使白蚁自由取食，白蚁取食并不察觉，工蚁取食回巢后将带毒的消化或半消化的食物通过交哺等行为传染给蚁王、蚁后、兵蚁和巢内其它工蚁及幼蚁，通过多次药物交互传递作用整巢白蚁慢慢中毒死亡，从而达到灭治整巢白蚁的目的。

（2）喷粉灭杀控制原理。喷粉灭杀控制原理是利用白蚁相互舔舐、交哺的生物习性，配制好灭杀白蚁粉剂，是一种慢性胃毒剂，采用专用工具把配置好的灭杀白蚁粉剂强制喷洒在报警的监测控制装置内或其附近泥被泥线下、蚁道内活动的白蚁身体表面，白蚁带药回巢后通过相互舔舐、交哺等行为将毒性传递给蚁王、蚁后、兵蚁和巢内其它工蚁及幼蚁，通过多次药物交互传递作用整巢白蚁慢慢中毒死亡，从而达到灭治整巢白蚁的目的[2]。

2 工作流程

堤坝白蚁监测控制系统工作流程见图1。

图1 堤坝白蚁监测控制系统工作流程

2.1 诱集监测

一般根据堤坝蚁害调查情况，在堤坝上安装白蚁监测控制装置，对库区内白蚁进行诱集，以便全面掌握白蚁种类与分布。布置间距应为5～10m范围，多排布置时呈梅花状排列，迎水坡（上游坡）监测点的布置应高于正常蓄水位。

2.2 灭杀控制

客户端发现白蚁报警后，白蚁防治人员及时进行检查，确认白蚁危害品种，定点定量精准灭杀控制。可在报警的装置附近投放极少量的饵剂让工蚁自由取食，工蚁回巢后会将带毒食物喂给蚁王、蚁后、兵蚁和巢内工蚁及幼蚁，从而导致整巢白蚁死亡；或用专门的喷粉器具将灭治白蚁粉剂喷在白蚁监测控制装置内取食的白蚁身上，白蚁回巢后通过拥抱、清洁等行为将药粉传递给同巢个体，最终导致整巢白蚁中毒死亡，从而达到灭治整巢白蚁的目的。

2.3 再诱集监测

整巢白蚁灭亡后，白蚁监测控制装置重新更换饵料和触发器，继续发挥实时监控白蚁危害活动，实现对白蚁危害长期监测控制的效果 ，达到水利工程持续免受白蚁危害的目的。

3 测试数据及分析

堤坝白蚁自动监测控制系统关键技术包括白蚁自动监测控制装置、青稞纸石墨烯报警触发器、嵌入式无线网关、使用寿命等，通过一系列环境试验和现场试验，系统满足了实际应用效果，技术成熟、可靠，符合相关标准[3]。

3.1 环境试验

白蚁自动监测控制装置主要进行以下4种环境试验[4]，结果见表1，证明了装置的安全环保，达到使用标准。

表1 堤坝白蚁自动监测控制装置环境试验

3.2 现场试验

报警触发器一般采用光学原理、机械原理、电学原理，最终选定青稞纸石墨烯导电触发器。通过现场试验，光学触发器误报率高，因其它昆虫入站，潮湿天气形成水雾等原因；机械触发器漏报率高，主要问题是内置饵料棒较大，白蚁啃食信息棒时间较长。有时白蚁未将触发器啃断，就已离开的情况；青稞纸具有良好喜食性和适口性，同时在潮湿环境中导电性能稳定，大大提高了青稞纸石墨烯导电触发器的灵敏性、及时性和准确性。

嵌入式无线网关核心技术可实现通讯网络转换及通信协议转换，网关主板可以兼容支持GPRS、NBIOT、4G等多种通信方式的模块化结构，支持物联网协议MQTT、SOAP及工业等多种通信协议。网关主板基于STM架构工业级核心板，由于主板的工作环境限制，无法得到持续的外部环境供电，因此其关键技术是内置的低功耗算法，经技术攻关，无线网关具备了低功耗、低速率特点，确保了白蚁监测控制装置这个网络节点长时间稳定工作。

2019年，为了测试装置性能，在南宁地区共安装监测装置5000个，经过半年多时间的测试、试点、并完成了实地安装任务。在运行期内共有46套产品无法正常使用，约占1%。其中10套是由于生产过程中有个线路触点的位置设计不合理，在偶发情况下受力过大，导致线圈触碰端点而发生异常。40套是由于信号问题导致异常，为解决信号差，无法及时更新的问题，目前系统提供多规格多品类的通讯技术，通过更多的可选择性来规避信号的盲点。由硬件模块技术和软件程序控制共同协作，保证监测装置的通用性。

监测控制装置的使用寿命主要是由电源的功耗决定的。电子器件都有专业的保护措施，自2011年开始开发该系列产品，已经经受了时间的检验。电池的放电功耗完全符合产品的设计要求，在半年多的实地使用过程中，已经得到验证，所有装置能够保证2年时间以上更换一次电池。电池是可充电的锂电池，为了充分考验装置的功能性，试验设计将装置处于高功耗工作状态下的。与实际业务结合，能耗还有很大的下降空间，电池的单次使用寿命可以大大提高。

附电源功耗的相关性能说明：

（1）工作电压：3.7VDC；

（2）最大工作电流：1000mA；

（3）待机电流：<30μa；

（4）电池容量：2600mAh，可充电锂电池；

（5）最大工作时间：5年（检测周期和上传周期会影响最大工作时间）；

（6）RFID通讯距离：3CM（网关和监测装置的安装距离）；

（7）响应时间：<2min（网关检测到传感器触发后，到完成检测记录上传时间）。

4 应用实例

南水北调中线郏县段在白蚁防治试验项目中采用了白蚁监测控制管理系统，共安装400套，监测距离1km，自安装之日1年内累计收到报警信息5处，准确率达100%。经过现场确认，技术人员及时对报警装置周边进行白蚁诱杀处理，消除白蚁危害。诱杀结束3个月后对渠堤背水坡、绿化带进行人工普查，未发现泥被、泥线等白蚁危害情况，说明已达到治理效果。

危害水利工程的白蚁一般为黑翅土白蚁和黄翅大白蚁，其群体庞大、活动范围广、隐蔽性强，在白蚁治理结束后，仍然存在继续危害的可能性，白蚁监测控制管理系统的应用做到了及时发现、及时治理，取得了良好的效果，在一定程度上减少了化学药剂的使用，获得了建设单位和管理单位的一致好评。

5 结论

据统计，截止2018年全国大型水库736座、中型水库3 954座、小型水库94 132座，白蚁危害率达到了50%以上，各级堤防30余万km，危害率在20%以上，按照水利工程白蚁危害率计算，堤坝白蚁自动监测控制系统需求量多达2 200多万套，产值达100亿元。

通过统计分析及实际应用情况的认证，这套装置系统能反映出现场白蚁的危害情况，为白蚁防治工作提供了信息支持，能够减少无效出勤次数；并且白蚁智能监测控制装置的投入应用，极大的减少了化学用药的投放，为环境保护工作做出了积极的贡献，产生的经济、社会效益显著；同时有效提升堤坝白蚁防治的专业化、信息化、智能化水平，具有广泛的推广应用前景。