生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

陳堃

（安徽省水利水電勘測設(shè)計院 安徽 合肥 230000）

生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

陳堃

（安徽省水利水電勘測設(shè)計院 安徽 合肥 230000）

本文分析生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的總體需求，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計思路，并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的建設(shè)方案。系統(tǒng)通過對水質(zhì)、水動力、氣象等對象的監(jiān)測，結(jié)合視頻監(jiān)控對濕地內(nèi)外的水環(huán)境及生態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，積累大量原始數(shù)據(jù)，為濕地水生態(tài)修復(fù)的成功應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支撐。

濕地；水生態(tài)；系統(tǒng)集成

1　引言

合肥市巢湖沿岸水環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù)工程位于合肥市濱湖新區(qū)，濕地面積約211萬m2，內(nèi)設(shè)有子湖、水道、蘆葦?shù)?。工程?shí)施并完成后續(xù)植物種植后，有利于保護(hù)耕地資源和減少湖泊淤積及氮磷流失；同時，生態(tài)濕地及水生植物可起到過濾、吸收及降解水體污染物作用，并可將藍(lán)藻堆積區(qū)推離近岸，有利于水體環(huán)境和濱水環(huán)境改善。

2　總體需求

為了確保生態(tài)濕地生態(tài)修復(fù)工程能長期有效地發(fā)揮作用，需構(gòu)建濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過對濕地內(nèi)外關(guān)鍵位置的水生態(tài)、水文、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，及時掌握濕地的過濾、吸收及降解情況，并積累原始數(shù)據(jù)，以利后期對濕地型水生態(tài)修復(fù)模式進(jìn)行研究分析。

2.1水質(zhì)監(jiān)測需求

工程濕地上游為城市河道，主要污染源為生活污水及雨水，將給濕地內(nèi)湖帶來的大量有機(jī)物以及總磷、總氮等富營養(yǎng)物質(zhì)。為了直觀地體現(xiàn)濕地凈化水質(zhì)的效果，防止?jié)竦貎?nèi)湖突發(fā)性污染及藻類暴發(fā)，需對景觀濕地水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

2.2水動力監(jiān)測需求

濕地是具有半水半陸的過渡性生態(tài)環(huán)境及過渡性的水文情勢，水動力對浮游生物的數(shù)量、分布的影響十分明顯，水動力過程與理化因子是影響水體富營養(yǎng)化狀態(tài)和水華的暴發(fā)的重要因素，因此需要對流速及流向進(jìn)行分層監(jiān)測，對關(guān)鍵點(diǎn)位的湖流水動力進(jìn)行過程監(jiān)測。

2.3氣象監(jiān)測需求

氣候變化將直接影響到濕地面積、水質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能以及生態(tài)脆弱性等。氣候的變化可能導(dǎo)致濕地水位波幅增大，對濕地生態(tài)造成影響。因此對濕地的各項(xiàng)氣象指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測，可以為濕地資源的有序開發(fā)提供技術(shù)支撐。

2.4視頻監(jiān)控需求

現(xiàn)場圖像也是水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要對象，它可以反映被監(jiān)測區(qū)域現(xiàn)場的水的污染情況，水的顏色，藍(lán)綠藻，水上漂浮物垃圾等情況，可以用于出現(xiàn)突發(fā)污染事件時候輔助遠(yuǎn)程指揮現(xiàn)場應(yīng)急處理。

2.5智能監(jiān)控需求

對濕地水環(huán)境的研究需要基于水質(zhì)、水動力、氣象等數(shù)據(jù)的長期積累和分析，工程需要建立一套智能監(jiān)控平臺對所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理和存儲，以便于對于濕地水生態(tài)變化情況的研究，為生態(tài)修復(fù)工程提供可靠的技術(shù)支持。

3　總體建設(shè)方案

根據(jù)總體需求，生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建，充分考慮各段濕地的出入口以及內(nèi)湖各點(diǎn)的水生態(tài)及水文指標(biāo)情況，同步對從水體分層生態(tài)監(jiān)測、湖泊水文水動力監(jiān)測、氣象環(huán)境等方面進(jìn)行綜合監(jiān)測，并構(gòu)建完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。此外，在市水務(wù)局建立智能監(jiān)測系統(tǒng)平臺，對各個監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行管理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析。

3.1系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，構(gòu)建系統(tǒng)框架，避免重復(fù)建設(shè)，為系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)和行維護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)包括：應(yīng)用層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和數(shù)據(jù)采集層，層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

3.2總體設(shè)計

3.2.1數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層的主要工作是通過設(shè)立在濕地內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)和視頻監(jiān)測點(diǎn)對各類信息進(jìn)行采集，主要包括：水質(zhì)信息、水文水動力、氣象及視頻信息的采集。

（1）水質(zhì)監(jiān)控：對水質(zhì)的監(jiān)測需通過長時間、連續(xù)高頻、不同層位同步觀測數(shù)據(jù)，分析濕地水溫的垂向分層特征，并通過同步監(jiān)測不同水溫層的葉綠素、藍(lán)綠藻、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等指標(biāo)，綜合分析水溫分層對各指標(biāo)的影響因素。為此，水質(zhì)監(jiān)測方式采用在監(jiān)測點(diǎn)安裝升降裝置，并搭載多參數(shù)水質(zhì)傳感器實(shí)現(xiàn)對不同水位層面的水質(zhì)監(jiān)測，從而充分了解淺水水體的各種物理、化學(xué)和生物指標(biāo)分層特征。

（2）水文水動力監(jiān)測：淺水湖泊中，水動力對浮游生物的數(shù)量、分布的影響十分明顯。由于濕地內(nèi)湖水流緩慢，流速低，流向不確定，用傳統(tǒng)的測流設(shè)備較難實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定在線監(jiān)測。在本項(xiàng)目中，采用座底式安裝的四波束ADCP，向上發(fā)射波束，可測量安裝點(diǎn)垂線方向從水底到水面的各流層的流向及流速。

（3）氣象監(jiān)測：在濕地外主湖區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位置部署一套氣象監(jiān)測系統(tǒng)，同步監(jiān)測影響濕地生態(tài)的主要?dú)庀笠蛩兀航涤炅?、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、濕度等指標(biāo)。

（4）視頻監(jiān)控：在濕地內(nèi)水資源監(jiān)測點(diǎn)及其他重要位置設(shè)立視頻監(jiān)控點(diǎn)，對水面情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。通過光纖網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)將視頻信息傳輸至控制中心進(jìn)行展示和存儲。

3.2.2網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要負(fù)責(zé)信息的傳輸，由無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)組成，可將實(shí)時數(shù)據(jù)傳回控制中心數(shù)據(jù)庫。其中，水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)由于建立濕地中或是湖區(qū)中，遠(yuǎn)離岸邊無法采用有線傳輸方式，故采用4G無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)。而設(shè)置在岸邊的視頻監(jiān)控點(diǎn)則通過光纖通信方式上傳視頻信息至控制中心。

3.2.3數(shù)據(jù)管理層

數(shù)據(jù)管理層負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過設(shè)置專業(yè)數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫滿足對不同類型海量數(shù)據(jù)的存儲管理要求。專業(yè)數(shù)據(jù)庫用來存儲水質(zhì)、水動力、氣象等專業(yè)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用以存儲空間和屬性數(shù)據(jù)。通過整合系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù)資源，保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，并降低數(shù)據(jù)管理成本。

3.2.4應(yīng)用支持層

應(yīng)用支持層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)到應(yīng)用的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的實(shí)施在統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)體系下開展，應(yīng)用統(tǒng)一的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登陸、風(fēng)格一致的人機(jī)界面，在統(tǒng)一業(yè)務(wù)流程平臺的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)的整合，避免異構(gòu)型系統(tǒng)帶來接口、互聯(lián)的額外工作。

3.2.5應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包含的是智能監(jiān)測平臺的建設(shè)，平臺基于GIS技術(shù)，集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、應(yīng)用分析、等為一體，實(shí)現(xiàn)濕地水環(huán)境自動監(jiān)控、信息查詢、分析和發(fā)布等功能，形成一個高度集成的水環(huán)境信息管理平臺。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　功能結(jié)構(gòu)圖

（1）監(jiān)測信息在線展示。監(jiān)測信息在線展示是本工程系統(tǒng)在管理平臺上自動顯示各類信息（水質(zhì)、水文、氣象、設(shè)備狀態(tài)），結(jié)合GIS地圖、表格和動態(tài)滾動信息框的形式來展示監(jiān)測點(diǎn)水環(huán)境的狀態(tài)，在地圖上的對應(yīng)位置顯示各個監(jiān)測站的定時監(jiān)測信息或招測信息。

（2）歷史信息查詢。歷史信息查詢是對系統(tǒng)中的各種信息的直接查詢。

（3）遠(yuǎn)程控制和設(shè)置功能。在前端監(jiān)控設(shè)備條件允許且用戶能夠提供相應(yīng)硬件接口的情況下，系統(tǒng)平臺能適應(yīng)已有的儀器的通訊規(guī)約，進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與設(shè)置，如校時、立即檢測、自動采樣頻率、標(biāo)定、調(diào)整參數(shù)等。

（4）視頻實(shí)時監(jiān)控。系統(tǒng)在GIS地圖上集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻圖像，利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)的遠(yuǎn)程控制，對監(jiān)控過程中出現(xiàn)的嫌疑目標(biāo)進(jìn)行識別、報警并保存相關(guān)信息，及時發(fā)現(xiàn)污染事故。

（5）數(shù)據(jù)審核處理。按照水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的邏輯性審核，剔除無效數(shù)據(jù)或修訂存在問題的數(shù)據(jù)，然后存儲到數(shù)據(jù)庫的核定庫中。

（6）數(shù)據(jù)分析和分布顯示。按指定的時段（年度、月度、周度、日）進(jìn)行列表和圖形方式分析，列表分析將以表格方式給出上述數(shù)據(jù)，而圖形方式通過直方柱狀圖、曲線析線圖、餅圖等直觀地展現(xiàn)數(shù)據(jù)。

（7）超標(biāo)報警。自動判斷相應(yīng)監(jiān)控因子是否超標(biāo)，超標(biāo)時閃爍報警，并發(fā)送超標(biāo)警報信息。警報信息內(nèi)容包括監(jiān)測點(diǎn)名稱、位置、監(jiān)測時間、超標(biāo)因子、超標(biāo)濃度等。

（8）日報發(fā)布。為滿足預(yù)警監(jiān)測要求，系統(tǒng)提供日報生成功能，自動匯總統(tǒng)計當(dāng)日所需的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，形成日報并發(fā)布。

（9）報表輸出。提供特定監(jiān)測點(diǎn)、區(qū)域在特定時間段內(nèi)（年、季度、月）的各種常用報表（按照國家標(biāo)準(zhǔn)制定），并可查詢各種常用的類監(jiān)控報表（按照國家標(biāo)準(zhǔn)制定）。并提供報表打印輸出功能，能夠?qū)⒔缑嫔巷@示的統(tǒng)計結(jié)果表格，所見即所得地打印出需要的報表。

（10）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理功能包含用戶權(quán)限管理、日志管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等功能。

4　結(jié)束語

在本文所研究確立的系統(tǒng)總體框架的基礎(chǔ)上，已經(jīng)完成初步設(shè)計，目前正在開展實(shí)施工作，計劃2016年系統(tǒng)投入使用。系統(tǒng)的建成有利于濕地型水生態(tài)修復(fù)模式的研究分析，最終可以在整個巢湖流域乃至全國范圍內(nèi)的湖泊生態(tài)修復(fù)中進(jìn)行成功應(yīng)用。

[1]合肥市巢湖沿岸水環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù)工程初步設(shè)計.安徽省水利水電勘測設(shè)計院，2013.

[2]劉曉茹，周懷東，李貴寶.水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)[J].中國水利，2004（9）：51～52.

[3]劉巍，楊航，鄭國臣，魯雪.濕地水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)與方法[J].東北水利水電，2011（28）：48～49.

X84

A

1673-0038（2015）36-0321-02

2015-8-22

陳堃（1981-），男，工程師，碩士，主要從事水利水電工作。