水庫水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

鄭 雪 ，王 晶 ，李曉菊

（1.秦皇島莫鐳特環(huán)境科技有限公司，河北 秦皇島 066004；2.河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學經(jīng)濟管理學院，河北 秦皇島 066004）

水庫在水資源利用方面發(fā)揮著十分重要的作用，如防洪、蓄水灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖、航運等，水質(zhì)實時監(jiān)測與預(yù)警報警系統(tǒng)應(yīng)運而生，如何建立一套較為科學合理的水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)成為水庫水質(zhì)管理的重點。

我國水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)起步較晚，水質(zhì)監(jiān)測、分析以及預(yù)測預(yù)警方面還處于探索階段[1]，經(jīng)過近30 a的發(fā)展，目前水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)已取得較大的進步，尤其是在硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組建方面，已經(jīng)完全實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時自動監(jiān)測和傳輸。在不斷發(fā)展的同時，我們距離一些發(fā)達國家仍有不小的差距，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建未能跟上時代的腳步，相關(guān)工作人員在建立水質(zhì)模型時面對的也是一個數(shù)據(jù)多、信息少的情況，大規(guī)模的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)還未應(yīng)用于實踐中。

構(gòu)建一個較為完善的水庫水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，能夠連續(xù)、實時、全天候地對水質(zhì)進行監(jiān)測，從而節(jié)省大量人力和時間，并且能及時預(yù)警和防范水環(huán)境風險，系統(tǒng)了解水資源污染情況，較為準確地預(yù)測預(yù)警水質(zhì)變化，是地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的未來發(fā)展趨勢和方向[2-4]。

1 水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求分析是系統(tǒng)設(shè)計過程中關(guān)鍵的一步，通過對水庫水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警工作的現(xiàn)狀分析和水質(zhì)異常事件的信息需求和數(shù)據(jù)需求的調(diào)查研究，以及對系統(tǒng)設(shè)計常規(guī)性需求的分析，得到系統(tǒng)設(shè)計最基本的需求信息，主要包括功能性需求和非功能性需求分析兩部分。

（1）功能性需求。在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計前，分析水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要需求，通過調(diào)查研究，水質(zhì)監(jiān)測部分主要是對水質(zhì)信息數(shù)據(jù)進行收集及整理；水質(zhì)預(yù)測部分主要是對已經(jīng)采集水質(zhì)信息數(shù)據(jù)進行儲存，并通過數(shù)據(jù)庫對水質(zhì)信息數(shù)據(jù)進行分析，判別水質(zhì)數(shù)據(jù)是否存在異常。

（2）非功能性需求。水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中除了有上述所必需的功能性需求外，還需要實現(xiàn)各種非功能性需求，如安全性需求、使用性需求、時間需求、負載能力需求、系統(tǒng)可維護需求。這些非功能性需求除了可以滿足整個系統(tǒng)向用戶提供正常的功能外，還能使用戶能夠流暢地運用該系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全運行。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的目標是提供一個集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警于一體的輔助決策工具。為了實現(xiàn)系統(tǒng)目標以及對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行有效管理，給用戶帶來更加清楚直觀的使用體驗，水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中軟件架構(gòu)主要包括表示層、業(yè)務(wù)處理層、應(yīng)用交互層、數(shù)據(jù)層4個層面，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

（1）表示層。在水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，表示層是指用戶在使用該系統(tǒng)進行查詢時呈現(xiàn)出來的界面，主要通過一定的方式在系統(tǒng)主頁展示出系統(tǒng)中其他各應(yīng)用層得出的結(jié)果，達到整個系統(tǒng)可視化的目的。在表示層，用戶可對水質(zhì)數(shù)據(jù)、模擬預(yù)測結(jié)果、預(yù)警信息進行查詢，工作人員可對用戶、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)進行管理。

（2）業(yè)務(wù)處理層。業(yè)務(wù)處理指對系統(tǒng)中主要功能進行業(yè)務(wù)處理，用于業(yè)務(wù)的實現(xiàn)。這一層中包含了業(yè)務(wù)完成所需的一些模型、計算，同時該層可以與數(shù)據(jù)層相連，以便于訪問數(shù)據(jù)進行分析預(yù)測。其主要包括數(shù)據(jù)查詢組件、數(shù)據(jù)分析預(yù)測組件、數(shù)據(jù)管理組件及用戶管理組件。

（3）應(yīng)用交互層。在水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，一方面需要工作人員對數(shù)據(jù)進行輸入及管理，另一方面可支持用戶對數(shù)據(jù)進行查詢，所以應(yīng)用交互層主要是方便系統(tǒng)與工作人員和用戶相聯(lián)系。

（4）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要是指系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫本身，用于存儲數(shù)據(jù)。該層包括各類數(shù)據(jù)、表格、視圖，為整個水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中主要包括水質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

3 子系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)管理模塊設(shè)計

（1）用戶管理。用戶管理部分不需要對每日登錄網(wǎng)頁瀏覽新聞公告、水文情況的用戶進行管理，只需要對系統(tǒng)中的工作人員包括監(jiān)測站工作人員、水質(zhì)分析預(yù)測工作人員、相關(guān)項目管理人員進行信息記錄與管理，系統(tǒng)中需要記錄每個工作人員的用戶名、密碼、手機號碼等信息。

（2）信息管理。信息管理部分主要包括水質(zhì)信息的發(fā)布和查詢。

3.2 數(shù)據(jù)采集管理與監(jiān)測模塊設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)采集管理模塊是對水質(zhì)監(jiān)測點有效水質(zhì)數(shù)據(jù)的匯總和傳輸[5]。建立數(shù)據(jù)庫，對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行匯總、存儲。

（2）水質(zhì)監(jiān)測模塊嚴格按照我國《飲用水標準》（GB5749-2006）和《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）對各種水質(zhì)指標進行監(jiān)測。

3.3 水質(zhì)分析預(yù)測模塊設(shè)計

水質(zhì)分析預(yù)測模塊是在水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)上的一個更高要求的水質(zhì)數(shù)據(jù)應(yīng)用，需要對目前已知的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行有目的、有條理的統(tǒng)計、計算以及分析。首先需要接收從數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)采集并篩選匯總后得到的水質(zhì)數(shù)據(jù)，運用一定的水質(zhì)評價方法或者使用目前已經(jīng)構(gòu)建好并已得到較好評價和廣泛應(yīng)用的水質(zhì)分析模型，得出水質(zhì)變化的規(guī)律或非線性關(guān)系；其次，利用分析到的規(guī)律或者非線性關(guān)系，得到未來一段時間內(nèi)水質(zhì)變化的情況，為后期的預(yù)警預(yù)報提供參考數(shù)據(jù)。

3.4 水質(zhì)預(yù)警模塊設(shè)計

水質(zhì)預(yù)警是以水質(zhì)預(yù)測為基礎(chǔ)的。開啟預(yù)警功能后，預(yù)警系統(tǒng)首先依據(jù)水環(huán)境質(zhì)量標準為預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置會發(fā)出預(yù)警信息的水質(zhì)范圍，將預(yù)測系統(tǒng)中預(yù)測到的未來水質(zhì)情況與發(fā)出預(yù)警的上、下限進行比較，如果在此范圍內(nèi)則繼續(xù)讀取下一時刻的水質(zhì)數(shù)據(jù)，繼續(xù)進行比較；如果超過此范圍，則系統(tǒng)自動記錄可能發(fā)生水質(zhì)污染情況的時間、地點以及污染嚴重情況，將異常數(shù)據(jù)進行記錄，并發(fā)出預(yù)警提示，方便工作人員及時上報并作出相應(yīng)應(yīng)急措施。

3.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本文涉及的數(shù)據(jù)庫主要包含六大部分，分別為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、分析預(yù)測數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中包括基礎(chǔ)水文信息、社會經(jīng)濟信息、系統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理、水質(zhì)監(jiān)測標準信息以及各項規(guī)章制度。

（2）在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中包括監(jiān)測點信息、監(jiān)測點設(shè)備信息、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及降雨信息。

（3）分析預(yù)測數(shù)據(jù)庫中包括水質(zhì)分析模型信息、水質(zhì)分析規(guī)律或非線性關(guān)系、水質(zhì)預(yù)測模型信息以及水質(zhì)預(yù)測信息。

（4）歷史數(shù)據(jù)庫中包括以往產(chǎn)生水質(zhì)污染的事件的數(shù)據(jù)信息以及應(yīng)對措施。

（5）空間數(shù)據(jù)庫中包括水庫所在地周圍的地質(zhì)情況、其他水利工程情況。

（6）多媒體數(shù)據(jù)庫中包括圖形、圖片數(shù)據(jù)庫和音頻、視頻數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)語

本文主要設(shè)計了水庫水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對系統(tǒng)設(shè)計中水質(zhì)監(jiān)測、預(yù)警預(yù)測的相應(yīng)技術(shù)做了了解與分析，運用了管理信息系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計等技術(shù)手段，設(shè)計了系統(tǒng)總體架構(gòu)及其數(shù)據(jù)采集與水質(zhì)監(jiān)測、水質(zhì)分析預(yù)測、水質(zhì)預(yù)警等子系統(tǒng)。隨著水環(huán)境保護重要性的日益增長，及時準確的水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)將成為保護水環(huán)境的重要手段。在實際應(yīng)用過程中，水庫水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)會不斷向更快速、更專業(yè)、更低成本的方向發(fā)展，同時也希望水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠增加更多功能、適配不同的水域環(huán)境。