Intelligente Systeme zur Überwachung der Wasserqualität in Stauseen und Frühwarnsysteme gewährleisten die Sicherheit der städtischen Wasserversorgung.

Ein großer städtischer Trinkwasserspeicher versorgt Millionen von Einwohnern mit Wasser. In den letzten Jahren hat die Zunahme von Landwirtschaft und Tourismus im Einzugsgebiet das Risiko von Schwankungen der Wasserqualität erhöht, insbesondere während der heißen Sommermonate, wenn Algen (wie z. B. Blaualgen) vermehrt auftreten und die Wasserversorgung gefährden. Herkömmliche manuelle Probenahme- und Überwachungsmethoden weisen Nachteile wie geringe Probenahmefrequenz (üblicherweise 1-2 Mal pro Monat), mangelnde Aktualität, begrenzte Abdeckung und die Unfähigkeit, Echtzeitwarnungen zu liefern, auf. Die zuständigen Behörden benötigen dringend ein automatisiertes, kontinuierliches und Echtzeit-System zur Überwachung der Wasserqualität und zur Frühwarnung, um die wichtigsten Wasserqualitätsparameter dynamisch zu steuern und eine wissenschaftliche Grundlage für den Schutz der Wasserquellen, die Planung des Wasserwerksbetriebs und die Notfallmaßnahmen zu schaffen.

1. Lösung: Aufbau eines sensorbasierten intelligenten Überwachungsnetzwerks

Um dieser Herausforderung zu begegnen, installierten die örtliche Wasserbehörde und ein Technologieunternehmen gemeinsam intelligente Überwachungs- und Frühwarnsysteme im Stausee, die auf Mehrparameter-Wasserqualitätssensoren basieren. Zu den Kernkomponenten gehören:

Anordnung der Messpunkte: Entsprechend der Topographie des Stausees, den Eigenschaften der Wasserströmung, der Verteilung potenzieller Verschmutzungsquellen und dem Standort der Wasserentnahme wurden 6 feste Bojenmessstationen wissenschaftlich platziert (in der Mitte des Stausees, in der Hauptmündung des Stausees und in der Nähe der Wasserentnahme).

① Sensorkonfiguration:

Kernparametersensor: Jede Bojenstation ist mit einer Multiparameter-Wasserqualitätssensorsonde zur Echtzeitüberwachung ausgestattet:

Fünf konventionelle Parameter: Wassertemperatur, pH-Wert, gelöster Sauerstoff, Leitfähigkeit, Trübung.

Nährstoffindikatoren: Ammoniakstickstoff, Nitratstickstoff, Phosphat (mittels optischer oder ionenselektiver Elektrodensensoren).

Indikatoren für Algen: Chlorophyll a (zur Charakterisierung der Algenbiomasse), Konzentration von Blaualgen (spezifisches Pigment) (mittels Fluoreszenzsensor).

Hydrologische Hilfsparameter: Wasserstand (Drucksensor), Fließgeschwindigkeit und -richtung (akustischer Doppler-Sensor).

②Datenerfassung und -übertragung:

Die Sensordaten werden in der Bojenstation vom Datensammler integriert und vorverarbeitet (z. B. Ausreißerentfernung und Einheitenumrechnung). Die Datenübertragung an das Cloud-Rechenzentrum erfolgt in Echtzeit per 4G/5G oder Satellitenkommunikation. Daten von mobilen Überwachungsschiffen werden synchron drahtlos hochgeladen.

③ Intelligente Plattform und Frühwarnung: Einrichtung einer GIS-basierten Cloud-Plattform zur Überwachung der Wasserqualität

• Echtzeitdarstellung: Dynamische Karte und Trendkurve der Wasserqualitätsparameter an jedem Messpunkt.
• Schwellenwertalarm: Legen Sie Sicherheitsschwellenwerte für wichtige Indikatoren (wie Chlorophyll a, gelöster Sauerstoff und Ammoniakstickstoff) fest. Sobald diese überschritten werden oder ungewöhnliche Schwankungen auftreten, sendet das System automatisch mehrstufige Warnungen an die Verantwortlichen per SMS, App-Benachrichtigung, Pop-up-Fenster usw.
• Datenanalyse und Modellierung: Historische Daten und Echtzeit-Überwachungsdaten werden kombiniert und mithilfe von Algorithmen die Wahrscheinlichkeit von Algenblüten und Trends bei der Veränderung der Wasserqualität vorhergesagt. Meteorologische Daten werden integriert, um den Einfluss von Niederschlag, Temperatur usw. auf die Wasserqualität zu analysieren.
• Berichtserstellung: Automatische Generierung von Tages-, Wochen-, Monats- und Ereignisberichten.
  
  

2. Anwendungsergebnisse und Wert

Die Einführung und der Betrieb des intelligenten Überwachungssystems haben die Möglichkeiten des Wassergütemanagements und die Versorgungssicherheit des Stausees deutlich verbessert:

Echtzeitkontrolle der Wasserqualitätsdynamik: Die Verantwortlichen können den Echtzeitstatus der wichtigsten Wasserqualitätsparameter im gesamten Stauseegebiet jederzeit rund um die Uhr erfassen, was die passive Situation der manuellen Probenahme völlig verändert hat.

Präzise Warnung vor Algenblüten: Das System warnte während der warmen Jahreszeit erfolgreich mehr als 72 Stunden im Voraus vor mehreren potenziellen Blaualgenblüten (basierend auf dem kontinuierlichen Anstieg der Chlorophyll-a- und Blaualgenkonzentrationen sowie Modellprognosen). Dadurch gewann die zuständige Behörde wertvolle Zeit für Notfallmaßnahmen (z. B. Inbetriebnahme der Belüftungsanlage, Anpassung der Wasserentnahmeschicht, Bereitstellung von Notfallkräften und Benachrichtigung des Wasserwerks zur Verstärkung der Aufbereitung).

Verbesserung der Effizienz der Notfallmaßnahmen: Bei Störungen der Wasserqualität (wie einem plötzlichen Anstieg der Trübung und einem plötzlichen Abfall des gelösten Sauerstoffs) werden die Warninformationen direkt an die zuständige Person weitergeleitet, und die Reaktionszeit verkürzt sich von mehreren Stunden auf wenige Minuten, wodurch die Ausbreitung kleinerer Probleme wirksam verhindert wird.

Optimierung des Wassermanagements: Die langfristige, kontinuierliche Datenerfassung bietet eine solide Datengrundlage für die Analyse der Entwicklung der Wasserqualität von Stauseen, die Bewertung der Auswirkungen von Steuerungsmaßnahmen (wie z. B. die Reinigungswirkung von in den Stausee mündenden Ästuar-Feuchtgebieten) und die wissenschaftliche Formulierung ökologischer Nutzungspläne.

Reduzierung der Betriebskosten: Die Häufigkeit und die Kosten der manuellen Probenahme und Prüfung werden erheblich reduziert, und die Effizienz der Überwachung wird verbessert.

Sicherstellung der Wasserversorgungssicherheit: Durch rechtzeitige Warnung und schnelle Reaktion wird das Risiko, dass Algentoxine, geruchsintensive Substanzen usw. in das Wasserversorgungsnetz gelangen, deutlich reduziert, sodass die Bürger sicheres und zuverlässiges Wasser trinken können.
 

3. Zusammenfassung

Die Anwendungsfälle in Stauseen haben eindeutig bewiesen, dass intelligente Wasserqualitätsüberwachungssysteme auf Basis fortschrittlicher Multiparametersensoren ein Schlüsselinstrument zur Bewältigung der Anforderungen an die großflächige, hochfrequente und Echtzeit-Wasserqualitätsüberwachung im Bereich Wasserwirtschaft/Hydrologie darstellen. Sie haben den Wandel von der reaktiven Bekämpfung nach einem Ereignis hin zur präventiven Warnung und Steuerung während eines Ereignisses ermöglicht und so die Effizienz und Intelligenz des Wassermanagements sowie die Reaktionsfähigkeit auf plötzliche Wasserverschmutzungen erheblich verbessert. Zudem bieten sie eine solide technische Grundlage für die Sicherstellung der Trinkwassersicherheit, den Erhalt der ökologischen Gesundheit der Gewässer und die Unterstützung wissenschaftlicher Entscheidungsfindung. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Sensortechnologie (z. B. Miniaturisierung, geringerer Stromverbrauch, höhere Präzision und stärkere Parameterintegration) und der zunehmenden Integration des Internets der Dinge, Big Data und künstlicher Intelligenz wird die Rolle von Sensoren zur Wasserqualitätsüberwachung beim Aufbau intelligenter Wasserwirtschaft und intelligenter Hydrologie immer wichtiger.