摘要：为解决传统水质自动监测站建设占地大，基建投入高等问题，开展小型水文水质一体化自动监测系统设计。分别研究温控系统、采样系统、监测系统、控制系统、冲洗系统、数据采集与传输系统、监测数据应用管理平台，提出一种基于5G通信技术的水文水质一体化智能自动监测方案；设计一体化智能自动监测系统，以一体化自动监测站为核心，搭载水文水质和气象监测仪表，采用5G融合网关进行数据采集与传输；一体化自动监测站占地小于1 m2；对一体化自动监测站进行实地测试。结果表明：该一体化自动监测系统实现了水文水质气象数据的精准实时在线监测和高清视频的实时回传，满足一体化站占地面积小，建设成本低的需求，可适用于不同环境。

　　关键词：5G通信技术；水文水质；智能自动监测系统

　　Design and Application of Intelligent Automatic Monitoring System for Hydrology

　　and Water Quality Integration Based on 5G Communication Technology

　　Huang Hua1,2，Su Zhaojing2，Lin Yinlin2

　　(1.Guangdong Yueshui Tech Co.,Ltd.,Guangzhou 510635,China;2.GPDIWE Co,Ltd.,Guangzhou 510635,China)

　　Abstract:In order to solve the problems of large land occupation and high capital investment in the construction of traditional automatic water quality monitoring stations,a small integrated automatic monitoring system was designed for hydrology and water quality.The temperature control system,sampling system,monitoring system,control system,flushing system,data acquisition and transmission system,and monitoring data application management platform were studied respectively,an integrated intelligent automatic monitoring scheme of hydrology and water quality based on 5G communication technology was proposed;then the integrated intelligent automatic monitoring system was designed,with the integrated automatic monitoring station as the core,equipped with hydrology,water quality and meteorological monitoring instruments,and 5G fusion gateway was used for data acquisition and transmission;the integrated automatic monitoring station covers an area of less than 1 m2;the integrated automatic monitoring station was tested on the spot.The results show that by using the integrated automatic monitoring system,the accurate real-time online monitoring of hydrology and water quality meteorological data and the real-time transmission of high-definition video can be realized,which meets the requirements of small area and low construction cost of the integrated station,andcan be applied to different environments.

　　Key words:5G communication technology;hydrology and water quality;intelligent automatic monitoring system

　　0引言

　　水文水质监测是为国家合理开发利用和保护水土资源提供系统水文水质资料的一项重要的基础工作，是水生态、水资源、水安全科学管理和保护的基础。水质监测是了解水环境质量状况的“眼睛”，水质监测站实时监视和测定水体中污染物种类以及各类污染物的浓度及变化趋势，及时、准确、全面地反映水环境质量现状及发展趋势，评价江、河、湖泊、水库、渠道和地下水等的水质状况，为水环境保护监督管理和决策工作提供准确的即时数据[1-4]。一套完整的大型水质在线自动监测系统，由于其系统复杂、建设成本高、建设周期长、运营维护成本高等原因，进行大面积的布点建设存在较大的困难[5-7]。

　　小型水文水质一体化自动监测站(以下简称一体化站)是针对当前环保、水利及水务等应用场景中，对高密度、低成本和高频次等需求[8-12]，尤其是河长制的网格化、快速布点的需求[13-15]，设计的一款高度集成的自动监测系统。此系统可以实现将采配水单元、预处理单元、分析单元、控制单元、数据采集与传输单元等部分集成于一个占地面积不足1 m2的户外机柜内，具有安装体积小、无需征地、质控功能齐全、运行可靠等优势，可实现河长考核、污染溯源、水质评价和水质预警等功能。该系统采用5G通信技术，可在无光纤的情况下，实现高清视频的传输，极大地减少成本。

　　1一体化站系统简介

　　1.1系统概述

　　小型水文水质一体化自动监测站监测的指标主要包括水位、流量、水温、溶解氧、pH、电导、盐度、浊度、叶绿素、蓝绿藻、氨氮、硝氮、氯离子等多种参数。所监测的各类指标可通过有线或无线传输方式传送到监控中心，也可在监测现场实时读取数据。自动监测系统能够实时在线控制采水系统采样并监测分析传感器读到的数据，满足对地表水、水库、采水区水质在线监测的要求，具有成本低、操作简便、易于维护的特点，能够及时、准确地对目标水域的多种参数进行精确、可靠的测量并将数据上传到远程服务器中。一体化站电源为220 VAC/50 Hz，支持2G、3G、4G、LORA、NBIOT通信方式，支持SL651-2014水文规约、MQTT、阿里LO⁃RAWAN通信协议。外柜采用冷轧钢板，内置铝箔橡塑保温棉，能够保温、隔热、隔音。一体化自动监测站系统如图1所示。

　　1.2系统特点

　　一体化站特点如下：

　　(1)整个机柜结构紧凑，占地面积小，选址灵活，施工方便；

　　(2)全自动抽水、排水，无需人工干预；

　　(3)一体化设计，安装调试方便；

　　(4)管路具有反冲洗功能，能定期冲洗管路，防止管路中藻类的滋生；

　　(5)具有异常报警、故障报警等功能；

　　(6)设备具有远程显示、控制功能，能够远程查看数据，进行更改测试周期等操作；

　　(7)机柜具备智能温控系统，保障设备稳定运行，能恒温保存化学试剂，适应各种天气环境；

　　(8)系统维护方便、简单，维护频率为一个月一次；

　　(9)内置15寸触摸屏，能够实时显示测量数据。

　　2一体化站系统的设计

　　一体化站系统由温控系统、采样系统、监测系统、控制系统及冲洗系统组成，占地面积小于1 m2，可以根据实际情况灵活选址。一体化站系统左右两侧设置了吊环、底部安装了万向轮，方便运输及吊装。

　　2.1温控系统

　　机柜空调通过内外两个完全独立、隔绝的空气循环系统冷却机柜内部的空气，同时把柜内的热量通过热交换驱散出柜外，从而保护柜内的电气元件在可控的温度范围运行。机柜空调具有除湿功能，保证了机柜内部有理想的温度和湿度。

　　制冷停止温度等于制冷开启温度减制冷回差，当柜内温度超过制冷开启温度时，开始制冷运行；当柜内温度低于制冷停止温度时，制冷运行停止。

　　制热停止温度等于制热开启温度加制热回差，当柜内温度低于制热开启温度时，开始制热运行；当柜内温度高于制热停止温度时，制热运行停止。高温警报：当柜内温度大于或等于高温警报点(默认60℃，范围0~90℃)时，柜内温度过高警报；当柜内温度降低到低于高温警报点时，此报警解除。当柜内温度低于或等于低温警报点(默认-20℃，范围-40~40℃)时低温警报。

　　2.2控制系统

　　控制系统主要由驱动板、工控机、RTU、漏电保护器、直流电源、固态继电器、电机驱动器和接线端子等部分组成。控制系统能远程控制系统采水、配水、管路清洗等单元以及处理故障或异常事件，具备自动启动及自动恢复的功能，能在断电、断水或设备故障时进行安全保护性操作。

　　机柜前面板嵌入一块15寸触摸屏(Win7操作系统)，实现系统参数配置、运行流程查询、传感器参数读取、系统运行状态记录查询、设备维护记录查询等功能。

　　2.3监测系统

　　监测模块具有如下特点与功能：

　　(1)测量水温、酸碱度(pH)、电导率、溶解氧、浊度、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮等水质指标，且监测指标可定制；

　　(2)测量原理符合国家标准分析方法；

　　(3)测量系统中各指标传感器种类独立，各个指标可单独进行维护与更换；

　　(4)可以远程监控仪器状态、数据；

　　(5)各投入式传感器的防水等级均达到IP68级别，能够保证长期、稳定的运行；

　　(6)采样周期及传感器数据上传周期时间可以根据需求设定。

　　2.4采样系统

　　采样系统主要由采水泵、过滤取水头及采水管路组成。所有部件稳定可靠，保证系统长期稳定的运行。

　　采水泵有自吸泵和潜水泵2种方案，可根据现场情况确定采水方案。采水泵是采水的动力单元，主要功能为从河流、湖泊把样水输送到机柜的储水箱中以供分析。自吸泵适用于抽取垂直高度小于5 m，无冰冻现象的地区；潜水泵适合抽取垂直高度大于5 m的现场环境，潜水泵可在水中固定安装或采用浮标安装。过滤取水头中内置20目的不锈钢滤网，能够过滤掉大的杂质及垃圾，保证采水能顺利进行，滤除对测量的干扰。采水管路主要由进水管、排水管及溢流排水管组成，采用UPVC管材，具有良好的化学稳定性和防腐蚀性能，可避免污染水样。水管通过卡箍与潜水泵固定；浮球通过绳子固定，绳子可绑在潜水泵把手上。取水头整体可通过卡箍与扁铁固定。取水头自带止回阀功能；水管通过卡箍与取水头固定；浮球通过绳子固定，绳子可绑在过滤网顶部开孔位置。

　　2.5冲洗系统

　　在储水箱的中间横杆上安装一个喷水头，位置对着SS传感器。在箱内水排空的时候系统会自动启动喷洒流程，清洗这个容易受到污染的传感器探头，保证传感器的稳定运行及每次测量读数的准确性。

　　冲洗系统还配有增压泵或空压机，可定时对柜体内管路与沉淀池进行反冲洗，保证箱体进水管路洁净。在现场可通自来水时采用增压泵利用清水对管路、沉淀池与探头进行清洗；若现场无法接通自来水，则可采用空压机通过高压气体对探头与沉淀池进行吹扫清洗。系统启动前需先将清水桶上面的阀门打开，才能保证清洗管路中有水；空压机需定期进行排水操作(排水时将空压机上排水开关打开)，通常使用2~3个月后需进行排水。

　　3设备安装与调试

　　3.1设备安装

　　整个设备的电气部分、触摸屏、储水池、传感器及内部管路已经在出厂前安装完成。需要安装的是箱子整体的固定、自吸泵外部管路连接到取水的地方。

　　3.1.1基础处理

　　基础表面在设备安装前应进行修整，基础表面不得有油垢或疏松层；基础表面应铲平，其水平度允许偏差为2 mm/m；预留地脚螺栓孔内的杂物应清除干净。

　　对移动设备的纵横中心线进行定位，设备的中心线位置应以基础表面上的中心划线为基准；采用垫铁调整设备水平度和垂直度，保证设备的稳定和重心作用力的平衡，避免设备变形，减少运行中的振动。不应用紧固或放松地脚螺栓及局部加压等方法进行调整。

　　3.1.2设备的运输、吊装

　　设备水平运输时，一定要小心谨慎，严防出现颠簸、倾翻现象。设备不得横放、倒置等，防止发生伤人、损伤设备的现象。外柜吊装时需用一台吊车，一般可用5~10 t级吊车配合施工。外柜两侧设计有吊环孔位，方便固定吊带；设备吊装时，应由专业起重工负责，采取合理稳妥的吊运技术措施，注意防止碰撞。将设备吊起垫稳后清理设备底座，符合要求后将设备按照正确的位号和方位进行吊装就位，穿好地脚螺栓并固定。

　　3.1.3采水部分安装

　　根据环境质量标准要求，水质监测取水点必须在水下0.5~1 m的深度。

　　遵循与水体距离最短的原则，保证进样安装与采水点的距离最短，同时避开死水区及季节性断流带，确保能准确及时获取待测水样，保证水样具有代表性。探头可自清洗，自动启动反冲洗装置，对内部的氨氮及COD传感器探头进行清洗；如长时间抽不上水，应检查取水地是否有水且没过取水头，检查是否有垃圾堵住取水头。

　　探头采样点至仪器安装处应预先装好水泵、穿线管、水样进水管、排水管。采样管道应根据具体情况选用硬聚乙烯塑料、ABS工程塑料或不锈钢等材质的硬管。为方便与仪器设备连接，建议管道最好采用硬质PVC管。采水管路室外部分采用护管直埋或地沟铺设方式，埋没深度在50 cm以下，根据现场情况，以不破坏周边景观环境为前提；管路应配备良好的防冻隔热措施。

　　3.2调试

　　3.2.1系统自检

　　管路和电气线接通后，在系统上电前需要对系统中各个重要部件及其连接件进行完整核查：(1)检查外围采水管路是否安装完整，无损无缺漏，各个接头间连接是否紧固，有无松动迹象；(2)检查机箱内整个管路安装和电气接线是否正确且牢固，有无遗漏。

　　3.2.2系统上电及调试

　　自检系统安装完成并确定无问题后，再将系统上电。系统上电后应进行的操作：(1)应用万用表检查系统电源电压是否符合要求，检查电源接地是否良好；(2)检查控制单元的各个电气部件是否有松动脱落的现象，接线是否存在短路、断路的情况；(3)将系统空开合上，整个系统上电；(4)等待系统到达设定采样时间，观察泵阀运转是否正常，管路上水过程中检查管路及接头处是否有漏水现象，水位到达指定液位后是否停止采样，观察屏幕上的各个传感器是否有读数，数据发送是否正常；(5)观察系统一个完整测试周期过程，至此水排空，清洗探头，此时站点已基本正常运转。

　　4系统应用效果分析

　　2020年7月初，水资源监测柜站部署于广东东江流域-惠州西枝江东新桥断面，一体化柜现场部署如图2所示；如图3所示，通过5G实时回传高清视频；实现对水质9个参数(水温、pH、浊度、电导率、溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数(COD)、总磷、总氮)的实时监测，如图4所示；同时也实现对该断面水文(水位、流量)数据的实时监测，如图5所示。一体化自动监测站符合《HJ 915-2017地表水自动监测技术规范》《SL187水质采样技术规程》《SL61水文自动测报系统技术规范》等规范和标准。一体化自动监测站可减轻巡检人员工作量，为东新桥断面水资源监测提供可靠的水文水质数据，对后续东江流域水资源更科学的管理和更精细化的调度提供数据支撑。

　　5系统维护

　　至少每月巡视站点1次，并做好巡查记录，可根据实际情况增加巡视次数，主要作业内容包括：检查各个自动分析仪运行状态，是否有读数，主要技术参数和测试结果是否正常，探头是否脏污；检查储水箱内是否干净，自动清洗装置是否运行正常，必要时进行清洗；检查泵、阀运行状况，采排水和清洗管路是否通畅，定期清洗水泵及过滤网；检查机柜内电路系统、接地、防雷、通信是否正常；检查站点卫生清洁及周边情况，是否有漏水现象，周边环境是否有污染，如有需及时清理。

　　6结束语

　　与传统的水质自动监测站相比，本监测站优势明显。它采用定制的可移动式监测箱体，体积小、无需建房、成本低、外形美观、可便捷搬运系统，具备防雨、防雷、防尘、防盗、耐低温、防高温、自动运行、无线通信等功能，设备集成度高、功能齐全、占地面积小、建设周期短、投资少，适合广泛布点。本监测站的分析监测仪器均采用国标，整体分区明晰，不会相互干扰，结构简单，维护工作量低，监测结果准确度高，稳定性好。该监测站可在长期无人监管的情况下连续运转，且各个监测仪器可以进行自动校正、自动质控以及自动清洗。

参考文献：

　　[1]水利部办公厅关于印发2022年推进智慧水利建设水资源管理工作要点的通知[J].中华人民共和国水利部公报,2022(2):61-63.

　　[2]水利部印发关于推进智慧水利建设的指导意见和实施方案[J].水利建设与管理,2022,42(1):5.

　　[3]陈雷."十四五"规划下广东"智慧水利"建设的现实境遇及发展建议[J].广东水利水电,2023(1):106-110.

　　[4]陈晨,王伟,张伟平,等.省级智慧水利数据标准体系建设[J].水利信息化,2022(6):7-14.

　　[5]平梓彦,吴林锋,常露.水资源管理信息化建设探讨[J].江苏水利,2022(S2):69-71.

　　[6]李英华,原立格.信息化背景下5G通信技术对智慧水利建设的作用分析[J].水利水电科技进展,2022,42(6):132-133.

　　[7]蔡阳.以数字孪生流域建设为核心构建具有"四预"功能智慧水利体系[J].中国水利,2022(20):2-6.

　　[8]季秋宇,缪浩川.综合水文水质自动监测系统构建的探讨[J].水利水电快报,2019,40(8):53-56.

　　[9]张见昕.入河排污口水质在线监测与预警系统的构建[J].现代农业科技,2021(12):193-194.

　　[10]邓燕青,常婧婕.江西省水文系统水质监测发展历程及启示[J].人民长江,2020,51(S1):24-26.

　　[11]张宇,王莉芸,刘伦,等.海绵城市常用监测设备选择及应用研究[J].给水排水,2020,56(S1):374-378.

　　[12]李斌,刘保良,魏春雷.广西海洋水质水文浮标在线监测数据的应用与研究[J].科技资讯,2018,16(20):108-111.

　　[13]戴雯,闫文琴.网格化治理视角下基层公共治理模式研究——以福州市"河长制"为例[J].中国管理信息化,2021,24(16):197-199.

　　[14]河长制(湖长制)管理信息系统解决方案[J].中国水利,2018(12):69.

　　[15]武雪.黄土高原干旱区关川河"河长制"网格化管理信息系统设计与应用[D].兰州:甘肃农业大学,2021.