水污染監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

郝志浪，趙 博，張瑜東，張 劍

（1.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710100）

0 引 言

我國水環(huán)境面臨著水體污染、水資源短缺和洪澇災(zāi)害等多方面壓力，水體污染加劇了水資源短缺，水生態(tài)環(huán)境破壞促使洪澇災(zāi)害頻發(fā)。目前我國七大水系、主要湖泊、近岸海域及部分地區(qū)的地下水都受到了不同程度的污染，且具有影響范圍廣、危害嚴(yán)重、治理難度大等特征。在做好污染治理的同時(shí)，如何做好河流水質(zhì)污染的實(shí)時(shí)監(jiān)測，成為當(dāng)前重點(diǎn)研究的方向[1-2]。蔣幸幸等人[3]重點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)角度，提出采用LoRa 實(shí)現(xiàn)海洋水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集。莊杰等人[4]側(cè)重于利用SFM600WS 水質(zhì)分析儀對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，并創(chuàng)新地提出水動力水質(zhì)耦合模型，從而實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)污染分布的模擬。趙云峰等人[5]將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到水污染分類中，從而為智能算法在水污染方面的應(yīng)用提供了參考。以上研究成果分別從不同角度闡述了水污染檢測技術(shù)的應(yīng)用，但水污染治理流程多、分布廣、鏈條長、關(guān)聯(lián)因素多，很難從一個(gè)維度來解決問題。本系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、在線監(jiān)測、采樣檢測、統(tǒng)計(jì)分析、溯源管控等方面分析水污染情況，追溯源頭，降低河流污染，能夠有效地幫助水環(huán)境監(jiān)管部門解決監(jiān)管問題。

1 概 述

水污染監(jiān)測系統(tǒng)按照國家、省、市、區(qū)（縣）水污染防治有關(guān)工作部署，以“政府統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、系統(tǒng)協(xié)調(diào)指揮、企業(yè)全面負(fù)責(zé)、部門協(xié)同應(yīng)對”為指導(dǎo)思想，緊緊圍繞服務(wù)企業(yè)涉水隱患排查治理和城鎮(zhèn)污水處理廠系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以水量控制水質(zhì)為基礎(chǔ)，以達(dá)標(biāo)排放為原則，以流域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)為目標(biāo)[6-8]，建成縱向包括市/區(qū)縣、涉水企業(yè)、污水處理廠等，橫向包括住建、環(huán)保、水務(wù)、綜合執(zhí)法等部門的資源共享、互聯(lián)互通的水污染防治監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息規(guī)范完整、動態(tài)信息隨時(shí)調(diào)取、隱患排查自動提醒、執(zhí)法過程便捷可溯、應(yīng)急處置快捷可視，全面提升水污染防治智能化、信息化水平，加快推進(jìn)水生態(tài)環(huán)境治理建設(shè)。

2 總體架構(gòu)

按照“感知、分析、服務(wù)、指揮、監(jiān)督”的信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)合數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通用架構(gòu)對系統(tǒng)總體架構(gòu)進(jìn)行搭建，如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層主要完成設(shè)備數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、站點(diǎn)企業(yè)數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)及用戶數(shù)據(jù)的收集和入庫；數(shù)據(jù)支撐層由在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)庫、站點(diǎn)企業(yè)數(shù)據(jù)庫、實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)庫和用戶信息數(shù)據(jù)庫組成，將系統(tǒng)用到的各類結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分布存儲在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，為業(yè)務(wù)支撐層提供數(shù)據(jù)支持；業(yè)務(wù)支撐層為業(yè)務(wù)運(yùn)行、管理協(xié)同提供統(tǒng)一支撐，包括應(yīng)用所需的資源共享、信息交換、業(yè)務(wù)訪問、業(yè)務(wù)集成、流程控制、安全控制和系統(tǒng)管理等多種基礎(chǔ)性和公共性的支撐服務(wù)；服務(wù)層是對空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行服務(wù)發(fā)布，提供多種空間信息服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包含矢量地圖服務(wù)、遙感影像服務(wù)、三維數(shù)據(jù)服務(wù)、Web 服務(wù)、數(shù)據(jù)流服務(wù)等；應(yīng)用層是面向各類用戶提供水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)的集合，包括設(shè)備管理系統(tǒng)、在線監(jiān)測子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng)和GIS 綜合應(yīng)用系統(tǒng)，向各應(yīng)用部門提供水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、綜合決策及空間分析等功能。

3 實(shí)現(xiàn)方法

3.1 設(shè)備管理子系統(tǒng)

設(shè)備管理子系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)、工作參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和控制，避免通過軟件進(jìn)行污染源自動監(jiān)控造成的數(shù)據(jù)作假行為，該方法在減輕環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)察工作量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對污染源自動監(jiān)控設(shè)備的有效監(jiān)管，提高在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量[9]。功能主要包括站點(diǎn)管理、實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控、告警處理、診斷分析、遠(yuǎn)程控制等。

（1）站點(diǎn)管理：按照區(qū)域、業(yè)務(wù)、設(shè)備種類三個(gè)維度對所屬單元的設(shè)備進(jìn)行管理，為系統(tǒng)提供監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)、設(shè)備詳情、設(shè)備參數(shù)、診斷分析等詳細(xì)信息。

（2）實(shí)時(shí)報(bào)警：根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)、監(jiān)測設(shè)備參數(shù)的變化以及業(yè)務(wù)智能分析報(bào)警規(guī)則模型，對檢測設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的分析，并設(shè)置模型的相關(guān)告警參數(shù)。當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)達(dá)到設(shè)置閾值時(shí)系統(tǒng)會推送不同級別的報(bào)警，并能夠查詢?nèi)我鈺r(shí)段內(nèi)的報(bào)警信息。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控：通過音視頻、智能相機(jī)、活體生物識別等信息采集終端對各監(jiān)測站點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。若企業(yè)通過修改工作參數(shù)改變監(jiān)測數(shù)據(jù)值，則參數(shù)異常數(shù)據(jù)以紅色顯示。用戶可根據(jù)條件查詢監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控情況，如設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、異常時(shí)間、處理狀態(tài)、反饋情況等。

（4）告警處理：系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄各監(jiān)測站點(diǎn)的報(bào)警信息，包括站點(diǎn)名稱、報(bào)警次數(shù)、任務(wù)時(shí)間、處理類型、最高等級、當(dāng)前步驟、診斷描述等內(nèi)容，用戶可根據(jù)告警類型和對應(yīng)的處理措施直接進(jìn)行下一步的處理操作。

（5）診斷分析：對于通過修改設(shè)備參數(shù)改變監(jiān)測數(shù)據(jù)的行為，系統(tǒng)提供診斷分析功能，可完整查看設(shè)備參數(shù)修改前后監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況。

（6）遠(yuǎn)程控制：完成對監(jiān)測設(shè)備參數(shù)的范圍值設(shè)定以及監(jiān)測設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，包括開關(guān)、參數(shù)校正、告警配置和命令下發(fā)等。

3.2 在線監(jiān)測子系統(tǒng)

在線監(jiān)測子系統(tǒng)負(fù)責(zé)匯聚各區(qū)域所有站點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠?qū)Τ瑯?biāo)數(shù)據(jù)提供報(bào)警功能并可對水質(zhì)進(jìn)行分析，同時(shí)提供數(shù)據(jù)共享供其他子系統(tǒng)調(diào)用。

（1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)時(shí)顯示區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測指標(biāo)值和當(dāng)前水質(zhì)類別，對超標(biāo)數(shù)據(jù)突出展示。

（2）兩率報(bào)表：按時(shí)間段對系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行率、數(shù)據(jù)正確率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總形成報(bào)表。

（3）水質(zhì)分析：按照時(shí)間段、區(qū)域、水質(zhì)類別、項(xiàng)目類別、項(xiàng)目狀況，統(tǒng)計(jì)分析地表水的水質(zhì)情況，包括但不限于斷面?zhèn)€數(shù)、污染程度、主要污染物、綜合污染指數(shù)、目標(biāo)水質(zhì)等分析。

（4）均值統(tǒng)計(jì)：按照時(shí)間段、流域統(tǒng)計(jì)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的日均值、污染狀況、使用狀況等指標(biāo)。

（5）超標(biāo)快報(bào)：系統(tǒng)將超標(biāo)情況的信息以超標(biāo)快報(bào)（日報(bào)、周報(bào)）的形式反映給用戶，同時(shí)能顯示超標(biāo)項(xiàng)目的超標(biāo)倍數(shù)、最低目標(biāo)和實(shí)測水質(zhì)等信息。

3.3 實(shí)驗(yàn)室管理子系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室管理子系統(tǒng)對采集的水質(zhì)樣本（地表水、污染源）進(jìn)行定量檢測分析。系統(tǒng)集樣品管理、儀器管理、試劑管理、任務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)記錄管理等諸多功能為一體，組成一套完整的實(shí)驗(yàn)室綜合管理和質(zhì)量監(jiān)控管理系統(tǒng)。

（1）樣品管理：樣品檢測全流程的過程管理，包括樣品登記、接收、分配以及檢測結(jié)果錄入、復(fù)核、審查等檢測過程。

（2）儀器管理：完成實(shí)驗(yàn)室各類儀器的信息化管理，可對其進(jìn)行校驗(yàn)、定期維護(hù)、預(yù)防性保養(yǎng)等服務(wù)。

（3）試劑管理：試劑作為質(zhì)控樣品用于達(dá)到實(shí)驗(yàn)分析過程中的質(zhì)控目的，系統(tǒng)可對試劑進(jìn)行管理，包括試劑的溯源、流轉(zhuǎn)和三廢處理等。

（4）任務(wù)管理：根據(jù)檢測業(yè)務(wù)和指標(biāo)配置任務(wù)通知書，并對任務(wù)執(zhí)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，包括任務(wù)來源、任務(wù)性質(zhì)、檢測內(nèi)容、質(zhì)控要求、采樣器皿選擇、現(xiàn)場采樣、樣品交接、結(jié)果審核/復(fù)核及退檢確認(rèn)等。

（5）實(shí)驗(yàn)記錄管理：完成實(shí)驗(yàn)原始記錄的復(fù)核功能，在復(fù)核實(shí)際記錄過程的同時(shí)可完成樣品復(fù)核的操作，并依據(jù)檢測項(xiàng)目自動生成原始記錄表。

3.4 數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)是以企業(yè)廢水排放量、廢水企業(yè)能耗、廢水企業(yè)落后產(chǎn)能等各類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線檢測數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室測試報(bào)告，從多個(gè)維度統(tǒng)計(jì)分析污染源狀況，進(jìn)一步提升污染源監(jiān)控管理和自動監(jiān)測水平。功能主要包括污染源總覽、超標(biāo)分析、達(dá)標(biāo)分析、站點(diǎn)運(yùn)行情況分析等。

（1）污染源總覽：按照日、月、年三個(gè)時(shí)間維度，統(tǒng)計(jì)展現(xiàn)污染源企業(yè)總體情況，包括企業(yè)總數(shù)、廢水企業(yè)數(shù)量、污水廠數(shù)量、企業(yè)分布、各區(qū)域企業(yè)數(shù)量排名、年排放總量等。

（2）超標(biāo)分析：按區(qū)域、行業(yè)、站點(diǎn)類別、控制級別等指標(biāo)對一段時(shí)間內(nèi)站點(diǎn)數(shù)據(jù)超標(biāo)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（3）達(dá)標(biāo)分析：按行業(yè)、區(qū)域、站點(diǎn)對一段時(shí)間的達(dá)標(biāo)排放情況進(jìn)行對比、排名。

（4）站點(diǎn)運(yùn)行情況分析：按區(qū)域、行業(yè)、站點(diǎn)類別、控制級別等對一段時(shí)間的站點(diǎn)運(yùn)行情況（正常、超標(biāo)、異常、停產(chǎn)等情況的數(shù)量、比例）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（5）廢水減排分析：對納入減排計(jì)劃的企業(yè)按區(qū)域、行業(yè)、企業(yè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、排名、任務(wù)完成情況分析。

（6）廢水企業(yè)落后產(chǎn)能分析：結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際和環(huán)境質(zhì)量管理要求，統(tǒng)計(jì)分析鋼鐵、水泥、電解鋁、平板玻璃等行業(yè)落后產(chǎn)能運(yùn)維情況。

3.5 GIS 應(yīng)用子系統(tǒng)

GIS 綜合應(yīng)用子系統(tǒng)是以GIS 系統(tǒng)為中心，實(shí)現(xiàn)廢水站點(diǎn)、污水廠、污水企業(yè)的匯集管理，并提供可視化的輔助決策建議，同時(shí)將GIS 系統(tǒng)、水污染模型、企業(yè)站點(diǎn)等進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、分析，完成水污染情況的快速溯源和統(tǒng)籌管理，提高綜合業(yè)務(wù)管理水平[10]。功能主要包括地表水?dāng)嗝娣治?、水污染快速溯源、地表水統(tǒng)計(jì)、廢水概況、廢水統(tǒng)計(jì)等。

（1）地表水?dāng)嗝娣治觯阂粤斜淼男问斤@示所轄區(qū)域內(nèi)所有的河流斷面、站點(diǎn)名稱、類別及魚類穩(wěn)定生長情況，并在地圖上根據(jù)河流斷面水質(zhì)類別自動標(biāo)注河流斷面位置，能夠按照所屬區(qū)域、所屬河流、斷面名稱等條件進(jìn)行具體定點(diǎn)定位查詢。

（2）水污染快速溯源：當(dāng)監(jiān)測到所轄區(qū)域內(nèi)排污超標(biāo)或環(huán)境惡化等問題時(shí)，可快速定位和追查源頭，并通過調(diào)查性監(jiān)測、重點(diǎn)性監(jiān)測、溯源性監(jiān)測等業(yè)務(wù)流程上報(bào)結(jié)果。

（3）地表水統(tǒng)計(jì)：按照統(tǒng)計(jì)區(qū)域和河流斷面查詢某一時(shí)間段內(nèi)某一流域相對應(yīng)的具體河流斷面的水質(zhì)類別情況。

（4）廢水分析：按照站點(diǎn)、行政區(qū)域、行業(yè)類別、控制級別等條件查詢?nèi)珔^(qū)域廢水污染源的概況和關(guān)聯(lián)信息，同時(shí)可在地圖上顯示每個(gè)站點(diǎn)和子區(qū)域廢水污染源數(shù)量以及主要污染物的排放量、百分比等具體情況。

（5）污水廠統(tǒng)計(jì)：根據(jù)污水廠的控制級別、污染物等條件查詢某一時(shí)間段的污水處理廠運(yùn)行情況，可按照個(gè)數(shù)或者排放量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示。

（6）排污企業(yè)詳情：根據(jù)行政區(qū)域、排污類型、企業(yè)名稱、控制級別、行業(yè)類別的圖例符號等條件可查詢相關(guān)的污染源企業(yè)信息，同時(shí)能夠定位空間位置。

4 結(jié) 語

水污染監(jiān)測系統(tǒng)在物聯(lián)全面感知、數(shù)據(jù)充分整合、功能模塊緊密協(xié)同、分子系統(tǒng)異構(gòu)集成、業(yè)務(wù)流程可流轉(zhuǎn)溯源的理念下實(shí)現(xiàn)了水污染監(jiān)測的全流程管理。首先，從數(shù)據(jù)更新和互聯(lián)共享方面，考慮到生態(tài)環(huán)境部門作為水環(huán)境數(shù)據(jù)管理的主要部門，同時(shí)也要和其他行政管理部門進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交換，提升數(shù)據(jù)利用價(jià)值的同時(shí)也能融合其他權(quán)屬單位的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確、完整地收集關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)[11]，保證數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性和完整性的同時(shí)也滿足了政務(wù)辦公“一個(gè)平臺，一張網(wǎng)”的規(guī)劃。其次，從水污染監(jiān)測業(yè)務(wù)方面，設(shè)備管理子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)多點(diǎn)監(jiān)測目標(biāo)水域的水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警和水污染事件的跟蹤，確保相關(guān)部門能夠及時(shí)明確污染源、污染程度以及污染過程，為國家保護(hù)水資源過程提供保障；GIS 綜合應(yīng)用子系統(tǒng)可完成監(jiān)管區(qū)域內(nèi)各類企業(yè)的污水排放情況和落后產(chǎn)能的經(jīng)濟(jì)效益情況，為管理者決策提供有效數(shù)據(jù)。最后，從“智慧環(huán)?！焙汀皵?shù)字政務(wù)”等國家政策方面，數(shù)據(jù)綜合分析子系統(tǒng)能夠提供一個(gè)可視化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺，可為“智慧環(huán)?！苯ㄔO(shè)提供重要的補(bǔ)充，為城市的優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全管理和科學(xué)發(fā)展提供輔助決策支持，系統(tǒng)具有很好的推廣應(yīng)用前景。