أجهزة استشعار مستوى الماء الكهروإجهادية في سنغافورة: تطبيقات عملية ودراسات حالة

أصبحت أجهزة استشعار مستوى المياه الكهروإجهادية جزءًا لا يتجزأ من استراتيجية إدارة المياه الشاملة في سنغافورة، داعمةً بذلك تحوّل البلاد نحو "شبكة مياه ذكية". تستكشف هذه المقالة التطبيقات المتنوعة لهذه المستشعرات المتينة والدقيقة في أنظمة المياه الحضرية في سنغافورة، بدءًا من الوقاية من الفيضانات وصولًا إلى إدارة الخزانات وشبكات المياه الذكية. وباعتبارها تقنية تحوّل ضغط الماء إلى إشارات كهربائية عبر عناصر كهروإجهادية، تزود هذه المستشعرات هيئة المرافق العامة في سنغافورة ببيانات موثوقة وفورية لتحسين العمليات، وتعزيز مرونة النظام، وتحسين تقديم الخدمات في البنية التحتية المعقدة للمياه في البلاد.

مقدمة عن الاستشعار الكهروإجهادي في قطاع المياه في سنغافورة

لقد كان الدافع وراء مسيرة سنغافورة نحو الريادة العالمية في إدارة المياه هو الضرورة. فباعتبارها دولة جزرية صغيرة ذات موارد مائية طبيعية محدودة وعرضة لتأثيرات تغير المناخ، كالأمطار الغزيرة وارتفاع مستوى سطح البحر، استثمرت سنغافورة بكثافة في تقنيات المياه المبتكرة. ومن بين هذه التقنيات، برزت أجهزة استشعار مستوى المياه الكهروإجهادية كعنصر أساسي في بنية مراقبة المياه في البلاد، إذ توفر موثوقية ودقة لا مثيل لهما في مختلف البيئات المائية.

تعمل المستشعرات الكهروإجهادية على مبدأ تغير المقاومة الكهربائية لبعض المواد عند تعرضها للإجهاد الميكانيكي. في تطبيقات قياس مستوى الماء، تقيس هذه المستشعرات الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن عمود الماء، والذي يتناسب طرديًا مع ارتفاع الماء. تتيح هذه العلاقة الفيزيائية تحديد مستوى الماء بدقة بغض النظر عن صفائه أو عكارته أو وجود مواد صلبة عالقة فيه، وهي عوامل غالبًا ما تشكل تحديًا للتقنيات البديلة مثل المستشعرات فوق الصوتية أو البصرية.

قامت هيئة المرافق العامة (PUB)، وهي الهيئة الوطنية للمياه في سنغافورة، بنشر أجهزة استشعار مقاومة للضغط بشكل استراتيجي في مختلف مجالات إدارة المياه. وتساهم هذه التطبيقات في معالجة العديد من التحديات الفريدة التي تواجهها سنغافورة، ومنها: الحاجة إلى التنبؤ الدقيق بالفيضانات في مناخ استوائي معرض لهطول أمطار غزيرة، وضرورة الإدارة الدقيقة للخزانات في بلد يعاني من ندرة الأراضي وقد أنشأ العديد من الخزانات الحضرية، والحاجة إلى بيانات موثوقة لتشغيل شبكة إمداد مياه متزايدة التعقيد والترابط.

تُعدّ قصة المياه في سنغافورة قصة تحوّل، من ندرة المياه إلى أمنها. تمثل مصادر المياه الوطنية الأربعة (مياه الأحواض المحلية، والمياه المستوردة، ومياه NEWater، والمياه المحلاة) استراتيجية إمداد مائي متنوعة، حيث يتطلب كل مكون منها مراقبة دقيقة. وتساهم أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية في هذه الاستراتيجية من خلال توفير البيانات الدقيقة والفورية اللازمة لتحسين العمليات في جميع المصادر الأربعة، لا سيما في أنظمة الأحواض المحلية التي تجمع المياه حاليًا من ثلثي مساحة سنغافورة.

يتماشى اعتماد تقنية المقاومة الكهروإجهادية مع مبادرة سنغافورة الأوسع نطاقًا "الأمة الذكية"، التي تُركز على اتخاذ القرارات بناءً على البيانات في جميع القطاعات. وفي مجال إدارة المياه، يُترجم هذا إلى أجهزة استشعار لا تقتصر وظيفتها على توفير القياسات فحسب، بل تتكامل بسلاسة مع منصات التحليلات المتقدمة، مما يُتيح الصيانة التنبؤية، وأنظمة التحكم الآلية، وقدرات الإنذار المبكر. وتجعل متانة أجهزة الاستشعار المقاومة الكهروإجهادية - قدرتها على الحفاظ على دقتها رغم التلوث البيولوجي، وتقلبات درجات الحرارة، والاستخدام طويل الأمد - منها خيارًا مثاليًا للبيئة الاستوائية في سنغافورة، ولمعايير هيئة المرافق العامة الصارمة فيما يتعلق بجودة البيانات وموثوقية النظام.

أنظمة رصد الفيضانات والإنذار المبكر

يُؤدي مناخ سنغافورة الاستوائي إلى هطول أمطار غزيرة قد تُغرق شبكات الصرف الصحي بسرعة، مما يجعل رصد الفيضانات بدقة أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز قدرة المدن على مواجهة الكوارث. وقد أنشأت هيئة المرافق العامة (PUB) شبكة واسعة من أجهزة استشعار مستوى المياه الكهروإجهادية كجزء من استراتيجيتها لإدارة مخاطر الفيضانات، مما أدى إلى إنشاء أحد أكثر أنظمة الإنذار المبكر بالفيضانات تطورًا في العالم. وتُوفر هذه الأجهزة البيانات الحيوية اللازمة للتنبؤ بالفيضانات ورصدها والاستجابة لها في جميع أنحاء المناطق الحضرية المكتظة بالجزيرة.

نشر أجهزة الاستشعار في المناطق عالية الخطورة

قامت هيئة المرافق العامة (PUB) بتركيب أجهزة استشعار مقاومة الضغط بشكل استراتيجي في حوالي 200 موقع رئيسي ضمن شبكة الصرف الصحي في سنغافورة، مع تركيز خاص في المناطق المنخفضة والمناطق المعرضة للفيضانات تاريخيًا.⁵⁷ تراقب هذه الأجهزة مستويات المياه في القنوات والمصارف والأنهار باستمرار، وتُرسل بيانات فورية إلى أنظمة التحكم المركزية التابعة لهيئة المرافق العامة. وقد تم اختيار تقنية مقاومة الضغط لهذه التطبيقات نظرًا لموثوقيتها الاستثنائية في الظروف البيئية الصعبة في سنغافورة، والتي تشمل الرطوبة العالية، والأمطار الغزيرة المتكررة، واحتمالية وجود مياه فيضانات محملة بالحطام قد تُعيق عمل أنواع أخرى من أجهزة الاستشعار.

تُشكّل هذه المجسات جزءًا من نظام متكامل لرصد الفيضانات، يشمل رادارًا لقياس هطول الأمطار، وكاميرات مراقبة تلفزيونية، وأجهزة رصد جودة المياه. مع ذلك، تُعدّ مجسات مستوى المياه الكهروإجهادية العنصر الأساسي، إذ تُوفّر القياس الأكثر دقةً لمخاطر الفيضانات الفعلية في مواقع مُحدّدة. وتكتسب قياساتها أهميةً خاصةً لأنها تُجسّد النتيجة المُتكاملة لجميع العمليات الهيدرولوجية في المنبع - شدة هطول الأمطار، وخصائص جريان المياه في مستجمعات المياه، وأداء نظام الصرف - في مُعامل واحد سهل التفسير: عمق المياه.

آليات التنبيه الآلية

يستفيد نظام مراقبة الفيضانات في سنغافورة من بيانات المستشعرات الكهروإجهادية لتوليد تنبيهات تلقائية عبر قنوات متعددة. فعندما ترتفع مستويات المياه إلى عتبات محددة مسبقًا (عادةً عند 50% و75% و90% و100% من الأعماق الحرجة)، يُرسل النظام إشعارات عبر الرسائل النصية القصيرة، وتطبيق MyWaters للهواتف المحمولة، وشاشات غرفة التحكم الداخلية التابعة لهيئة المرافق العامة. يتيح هذا النهج المتدرج للتنبيهات استجابات متدرجة، بدءًا من المراقبة الروتينية وصولًا إلى التدخلات الطارئة.

تضمن الدقة العالية لأجهزة الاستشعار الكهروإجهادية (±0.1% من النطاق الكامل في العديد من التركيبات) أن تستند التنبيهات إلى قياسات دقيقة، مما يقلل من الإنذارات الكاذبة ويوفر وقتًا كافيًا للتحذير. يمكن للمقيمين والشركات الاشتراك لتلقي تنبيهات لما يصل إلى ثلاثة مواقع محددة لأجهزة الاستشعار، مما يتيح الحصول على تحذيرات مخصصة من الفيضانات للمناطق الأكثر عرضة للخطر.⁷ هذا المستوى من التخصيص ممكن فقط لأن أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية توفر بيانات موثوقة باستمرار يمكن لهيئة المرافق العامة والجمهور الاعتماد عليها.

التكامل مع البنية التحتية للتحكم في الفيضانات

إلى جانب أنظمة الإنذار، تتحكم بيانات المستشعرات الكهروإجهادية مباشرةً في البنية التحتية الآلية للحد من الفيضانات في مواقع متعددة في سنغافورة. ففي مناطق مثل شارع أورشارد، وهو منطقة تسوق شهدت فيضانات عارمة في عامي 2010 و2011، تُفعّل بيانات المستشعرات حواجز الفيضانات المؤقتة وتُشغّل مضخات قوية لتحويل مياه الفيضانات. ويُعدّ زمن استجابة المستشعرات السريع (عادةً أقل من ثانية واحدة) بالغ الأهمية لهذه التطبيقات، إذ يسمح لأنظمة التحكم بالاستجابة قبل أن تتفاقم ظروف الفيضان.

من أبرز التطبيقات برنامج "الأقبية المقاومة للفيضانات" للمباني في المناطق المعرضة للفيضانات. في هذا البرنامج، تتصل أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية المثبتة في مواقف السيارات تحت الأرض بأنظمة إنذار المبنى، مما يوفر تحذيرات مباشرة لمديري المبنى وسكانه عند اقتراب مياه الفيضانات. يضمن التصميم المتين لأجهزة الاستشعار تشغيلًا موثوقًا حتى عند غمرها جزئيًا، وهي نقطة ضعف شائعة في التقنيات الأقل متانة.

الأداء أثناء الظروف الجوية القاسية

أثبتت شبكة أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية في سنغافورة جدواها خلال العديد من حالات هطول الأمطار الغزيرة. فعلى سبيل المثال، خلال عاصفة عام 2018 التي هطلت فيها أمطار غزيرة بلغت نحو 160 ملم في أربع ساعات - وهي من أشد حالات هطول الأمطار في تاريخ سنغافورة - زودت شبكة أجهزة الاستشعار هيئة المرافق العامة (PUB) بتحديثات دقيقة عن مستويات المياه في جميع أنحاء الجزيرة. وقد أتاحت هذه البيانات نشر فرق الاستجابة للفيضانات بشكل مُوجّه، والتواصل الفعال مع الجمهور بشأن المناطق الأكثر عرضة للخطر.

ساهم تحليل بيانات المستشعرات بعد وقوع الفيضانات في مساعدة هيئة المرافق العامة على تحديد نقاط الضعف في نظام الصرف الصحي وتحسين استثمارات البنية التحتية المستقبلية. وتجعل قدرة المستشعرات الكهروإجهادية على توفير قياسات دقيقة حتى في الظروف القاسية منها أداةً بالغة الأهمية لهذه التحقيقات الجنائية، إذ أنها تسجل كامل بيانات التدفقات المائية للفيضانات دون انقطاع خلال فترات ذروة التدفق.

إدارة الخزانات وتخزين المياه

يعتمد نهج سنغافورة المبتكر في تخزين المياه وإدارة الخزانات بشكل كبير على المراقبة الدقيقة لمستويات المياه، حيث تلعب أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية دورًا محوريًا في ضمان كفاءة وسلامة هذه الأصول المائية الحيوية. وباعتبارها دولة مدينة جزرية ذات موارد مائية طبيعية محدودة، فقد حوّلت سنغافورة بنيتها الحضرية لتصبح بمثابة منطقة لتجميع المياه، مما أدى إلى إنشاء شبكة واسعة من الخزانات التي تجمع الآن المياه من ثلثي مساحة البلاد. وتتطلب إدارة هذه الخزانات بيانات دقيقة وفورية عن مستويات المياه، وهو شرط تلبيه تقنية أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية على أكمل وجه.

مراقبة نظام خزانات المارينا

يُعد خزان مارينا، وهو أكثر مستجمعات المياه تحضرًا في سنغافورة، مثالًا بارزًا على التطبيق المتطور لأجهزة الاستشعار الكهروإجهادية في مرافق تخزين المياه واسعة النطاق. تُوزّع أجهزة استشعار متعددة بشكل استراتيجي على أعماق ومواقع مختلفة في جميع أنحاء الخزان لمراقبة ليس فقط مستويات المياه الإجمالية، بل أيضًا تأثيرات التطبق والتغيرات الموضعية. وتُعد هذه القياسات بالغة الأهمية للعديد من الجوانب التشغيلية.

• إدارة إمدادات المياه: تضمن بيانات المستوى الدقيقة معدلات سحب مثالية تحافظ على الإمدادات مع تجنب السحب غير الضروري.
• تجميع مياه الأمطار: خلال أحداث هطول الأمطار، تساعد أجهزة الاستشعار في تحديد كمية الجريان السطحي الإضافي الذي يمكن للخزان استيعابه بأمان.
• التحكم في الملوحة: في سد مارينا، تُستخدم بيانات المستشعرات لتوجيه عمليات البوابة لمنع دخول مياه البحر مع السماح بالتصريف المناسب.

صُممت مستشعرات المقاومة الكهروإجهادية في خزان مارينا خصيصًا لتحمل ظروف المياه قليلة الملوحة عند التقاء المياه العذبة بمياه البحر، حيث تم اختيار مواد مقاومة للتآكل في هذه البيئة الصعبة. يتيح تصميمها المتين التشغيل المستمر بأقل قدر من الصيانة، على الرغم من غمرها الدائم وتعرضها لتركيبات كيميائية مختلفة للمياه.

مراقبة خزانات التخزين اللامركزية

إلى جانب الخزانات الرئيسية، تراقب أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية مستويات المياه في خزانات التخزين اللامركزية العديدة في سنغافورة - وهي بنية تحتية حيوية للحفاظ على ضغط المياه واحتياطيات الطوارئ في جميع أنحاء شبكة توزيع المياه في الجزيرة 37. وتوضح هذه التطبيقات تنوع استخدامات أجهزة الاستشعار:

• خزانات المياه على أسطح المباني الحضرية: في المباني الشاهقة، تضمن أجهزة الاستشعار إمدادًا كافيًا بالمياه للطوابق العليا مع منع الفيضان.
• خزانات الخدمة: تستخدم مرافق التخزين الوسيطة هذه بيانات المستشعرات لتحسين جداول الضخ واستخدام الطاقة.
• التخزين الطارئ: يتم مراقبة الاحتياطيات الاستراتيجية المحفوظة لحالات الجفاف أو فشل البنية التحتية بعناية لضمان الجاهزية.

قامت هيئة المرافق العامة بتوحيد أجهزة الاستشعار الكهروإجهادية لهذه التطبيقات نظرًا لأدائها المتسق عبر مختلف أشكال الخزانات وقدرتها على التفاعل مباشرة مع أنظمة SCADA التي تعمل على أتمتة شبكة توزيع المياه في سنغافورة.

كما يمكننا تقديم مجموعة متنوعة من الحلول لـ

1. جهاز قياس محمول باليد لقياس جودة المياه متعددة المعايير

2. نظام العوامات العائمة لقياس جودة المياه متعددة المعايير

3. فرشاة تنظيف تلقائية لمستشعر المياه متعدد المعايير

4. مجموعة كاملة من الخوادم ووحدة البرامج اللاسلكية، تدعم RS485 وGPRS و4G وWIFI وLORA وLORAWAN

لمزيد من مستشعرات المياه معلومة،

يرجى الاتصال بشركة Honde Technology Co., LTD.

Email: info@hondetech.com

موقع الشركة الإلكتروني:www.hondetechco.com

الهاتف: +86-15210548582