基于多功能航标的大型江海运河盐度在线监测系统设计

宁春平 王宇龙 郑一鸣 王超亮

摘要：大型人工江海运河建成之后极易导致内河航道盐度超标，为了实时监测人工运河重点区域盐度分布，便于快速采取抑制盐水上溯的措施，文章设计了基于多功能航标的大型江海运河盐度在线监测系统，将微型化盐度传感器布设在多功能航标上以便供电供网，并在入海河口、船闸上下游以及上游库区和取水口处三类区域布设传感器；将采集到的信息通过无线传感网络传输到运河智慧管控平台，结合实时在线监测数据，对超限盐度区域进行预警；根据预测预警信息，结合智慧运河管控平台决策系统，采取相应的抑制盐水上溯的方案。

关键词：运河；盐度；监测；航标

中图分类号：U644.8+7  文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0008-08

0 引言

随着我国内河航运的发展，大型人工江海运河凸显出独特的经济地位，但是也随之带来了盐水上溯的问题。由于大型江海运河具有航运、防洪、灌溉等功能，盐水上溯会对运河沿岸居民生活、生态环境、企业生产、旅游景区等产生重大影响。随着现代传感器技术、新材料技术、微纳加工技术、物联网技术等各种高新技术的发展与应用，新型环境监测设备正向智能化、微型化、模块化方向发展。针对江海运河航道盐水监测的关键技术问题，本文设计了一种基于多功能航标的大型江海运河盐度在线监测系统。该系统以多功能航标为载体，将微型化盐度传感器置于多功能航标上，将盐度传感器上的监测要素与多功能航标的位置信息相结合，根据潮位、水文信息，利用长短周期人工神经网络预测24 h以内的大型人工江海运河全航段盐度分布，建立大型江海运河全航段盐度监测预警体系，为盐水上溯应急决策系统提供支持。本文以平陆运河为例，详细论述了基于多功能航标的大型江海运河盐度在线监测系统的应用，阐明了该系统的数据采集、数据传输、信息预测以及平台展示过程。

1 系统概述

基于多功能航标的大型江海运河盐度在线监测系统是以多功能航标为载体，利用已有的水文气象采集模块、流速流量模块、GPS定位模块等，结合盐度-温度-水位传感器模块，对全航段盐水信息进行采集，将采集到的信息通过无线传感网络传入运河智慧管控平台，结合实时在线监测数据反馈，不断优化盐水上溯传递深度神经网络预测模型，实时滚动预报感潮河段、船闸及枢纽库区等运河典型断面未来24 h的盐度分布。

2 系统架构设计

盐度监测系统综合应用了物联网技术、自动化技术等多种技术手段，在多功能航标上安装盐度监测设备［1］，可以实时监控运河中的盐度信息，并通过RTU（远程终端单元）将数据上传到物联感知平台，实现全自动盐度的实时监控和采集。该系统的总体框架如图1所示，盐度监测传感器为常开式，当盐度监测传感器采集到盐水信息之后，将该信息在智能基站终端进行预处理，判断该断面盐水浓度是否达到预警值；收到盐水信息之后进行初步分析，将盐度信息和航标的位置信息通过无线传感网络传输到运河智慧管控平台，通过综合分析潮位以及水文信息，利用长短期记忆网络算法预演未来24 h以内该断面盐水浓度的实时变化；运河智慧管控平台接收到各监测点的相关信息后将所有监测点的信息综合处理之后进行分析并预警，运河智慧管控平台将根据接收到的信息制定具体的防咸措施。

3 盐度监测传感器的设备选型

目前，盐水监测设备在海洋环境中研究较多，主要有抛弃式、拖拽式以及卫星遥感等方式［2］。但是，这些设备与方法并不适用于内河航道，主要原因在于：传统的盐度传感器体积大、成本高，而内河航道宽度、深度有限，监测设备过大影响船舶通航；传统盐度传感器响应时间过长，功耗和误差较大，而内河航道大部分区域处于山区，供电网络条件不足；传统盐度传感器检出限较高，不适用于内河低盐度监测的实际情况等。

美国盐度传感器主要由Seabird、FSI、YSI等公司生产，其中海鸟系列SBE 911-PLUS-CTD最具代表性，该设备的传感器安装在外部金属管中，主要为海水监测而开发，可以承受10 000 PIS压力，最大深度可达6 800 m；意大利、德国等欧洲国家研制的OCEAN-SEVEN-320设备采用无水泵导流管式电导池，与海鸟公司的设备相比消除了水泵误差；日本亚克力的ACT-W-CAR盐度传感器不仅可以测量盐度还可以测量温度，消除了温度差异引起的误差。研究表明，当温度为5 ℃时，其盐度一般为3.5%～3.7%。而当海水温度升高到10 ℃时，其盐度会增加到3.8%～4.0%。此外，我国也自主研发了应用于不同环境的盐度测量设备，主要有抛弃式和船体固定式，例如国产6 000米CTDC，但是仍存在集成化程度不高、智能化程度较低等缺点。国内外各类设备优缺点如表1所示。

多功能航标在内河航运安全中发挥着越来越重要的作用，现代多功能航标不仅能为船舶提供导航功能，还具备了航道要素测量采集等功能。现代多功能航标安装了航道水沙要素传感器、水文气象传感器，还增加了太阳能电池供电、无线传输、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等功能［3］。大型江海运河的盐度传感器可以安装在内河多功能航标上，因此在盐度传感器选型方面要统筹考虑内河通航环境和航标等因素。主要从以下3个方面进行考虑：（1）人工运河水域宽度与深度有限，多功能航标尺寸也有限，因此需要选用微型化盐水监测设备；（2）多功能航标由太阳能供电，多功能航标上需要用电的设备很多，因此需要统筹考虑用电需求；（3）内河航道盐度较低，需要选用检出限低、反应灵敏、误差小的传感器。

考虑到大型人工运河的实际情况，采用微型化盐度传感器以减少对船舶航行的影响，其中传感器探头同步对温度和盐度进行测试以消除温度带来的误差。电导率测量采用平面条形开放式七电极电导率传感探头［4］，其可有效避免邻近效应和极化效应产生的影响。温度测量采用栅状薄膜铂电阻传感探头，在有限的空间增大测量阻值，提高温度传感器灵敏度。将电极进行开放式平面设计，以电场消除外界杂质对监测结果的影响。该传感器的温度范围为-3 ℃～40 ℃，测量精度为±0.06 ℃；电导率的测量范围为0～65 ms/cm，测量精度为±0.08 ms/cm。该传感器体积小、方便安装，探头厚度为2 mm，长与宽分别为15 mm和10 mm，最大程度降低了盐度监测过程中对船舶航行的影响。

4 盐度监测传感器的设备布设方案

由于盐水上溯与潮位有关，潮位变化引起的水平面抬升导致盐水入侵的风险大大增加。尤其在干旱季节，缺乏强潮汐流和潮汐诱导的湍流，导致淡水与咸水界面的垂直混合有限［5］。在这种条件下，在河道下游的河床低于平均海平面，会导致双向双层流动，上层较稀的河水向下游流向河口，下层较重的盐水向上游推进，加剧了盐水入侵的程度，所以需要在入海河口处以及水位急剧变化处对运河盐水浓度进行监测。海侧船闸在闸门启闭时由于异重流的影响很容易发生盐水入侵，大型人工运河建成之后会导致密集的船舶交通流，进而导致更加频繁的闸门启闭，频繁的闸门启闭导致的异重流会使船闸内部盐度增加。此外，越来越大的枢纽和闸门尺寸也会导致闸室内部盐水入侵量增加，船闸受到盐水入侵之后内部结构极易被腐蚀，所以需要对船闸上下游盐度进行监测，一旦发生盐水入侵，就需要采取相应的措施。由于大型人工运河不仅有航运功能，还要兼顾防洪、灌溉、生态、居民饮水等，上游库区一旦发生盐水入侵将影响上游水生态安全及饮水安全。所以需要在上游库区以及取水口处对盐度进行监测，并根据观测数据实时预警，以保证上游水生态与水环境安全。根据前期盐度监测结果，感潮河段、船闸上下游以及枢纽库区是盐度敏感区域，因此需要在以上3类区域沿程多点位布设盐度实时监测设备。

5 系统应用

平陆运河自上而下设置马道头、企石垌、大田坪、青年4个梯级。青年梯级以上为钦江干流段，为淡水航道；以下为入海口钦江段，为盐水航道。青年梯级原本无通航设施，淡水通过泄水闸流入入海口钦江段，不存在盐淡水交换的问题。建设大型通航设施后，船闸运行期盐淡水会发生水体交换，造成盐水上溯，对青年梯级以上的生态环境造成一定影响。

如图2所示，微型化盐度传感器安装在多功能航标上，盐水监测的信息通过监测设备的简单处理之后和航标的其他信息通过5G无线传输的方式转递给基站，再由基站传递给运河智慧管控平台。借助5G网络与岸基控制中心互联，多功能航标与盐度传感器之间的物理层采用RS-485总线传输。RS-485总线采用差分接收和平衡发送方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号从A、B 两路输出，有极强的抗共模干扰的能力，总线收发器可以检测到低至200 mV的电压。RS-485采用半双工工作方式支持多点数据通信。盐度传感器信号与其他采集终端都通过RS-485总线与多功能航标进行通信［6］。将盐水监测数据进行校准，并根据实际情况剔除湖泊修正异常值、缺失值等，保障数据质量。将盐水数据和航标位置数据与电子航道图等运河地形信息进行融合，将融合后的信息传入智慧运河管控平台进行可视化展示，并根据潮位信息、水文信息，利用运河智慧管控平台的长短期记忆网络算法对未来24 h内运河沿程以及重点管控区域的盐度分布以进行预测，对超限盐度区域进行预警。根据预测预警信息，结合智慧运河管控平台决策系统，采取相应的抑制盐水上溯的方案。

青年枢纽船闸开启时，海水会在重力作用下向淡水入侵，海水入侵量取决于闸室与外部港口之间水体密度差异、水位、水深、船闸尺寸和闸门开启时间。盐度达到7.8‰就会与淡水形成异重流，而入海口海水盐度一般为25‰，异重流是海侧船闸主要的海水入侵形式。根据以上原则，平陆运河盐水监测布设点位选择如图3所示，在茅尾海入海口处、北部湾大学水深急剧变化处、金海湾大桥和子材大桥等重点航道、东西干渠引水处和钦州引水处等取水口、青年枢纽闸室以及上下游处等点位布设盐水监测设备。

6 结语

基于多功能航标的大型江海运河盐度在线监测系统将盐水监测安装在多功能航标上，具有体积小、反应灵敏、安装方便、不影响通航等优势。实现了入海河口区、船闸上下游、上游库区、取水口处等重点区域的盐水监测，利用长短周期人工神经网络，结合潮位水文信息，对未来24 h内的运河沿程以及重点区域的盐度进行了预测，并上传运河智慧管控平台，便于决策平台快速采取措施抑制盐水上溯，提高了决策效率与科学性，推动了大型人工江海运河的信息化建设。

［1］刘星桥. 基于短距离高速无线通信盐度监测系统的设计研究［D］.江苏：江苏大学，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，孙 星，初秀民，等. 基于多功能航标的水面溢油在线监测系统设计［J］.武汉理工大学学报，2010，32（21）：81-84.

［4］刘 玥，梁铭聪，梁颖珊，等. 基于空—天—地高光谱的感潮河道水体盐度监测方法研究［J］. 水电与新能源，2023，12（37）：35-39.

［5］裘 诚，顾圣华，李 琪. 长江河口盐度监测布局研究［J］. 华东师范大学学报（自然科学版），2015（4）：7-16.

［6］邓潇阳，徐志宇. 面向物联网应用的水体盐度监测系统设计［J］. 自动化仪表，2021，42（5）：19-21，26.

作者简介：宁春平（1990—），工程师，主要从事水运工程信息化科技方面的工作。