農(nóng)村水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用探討

李志英

近年來(lái)，農(nóng)村地區(qū)的環(huán)境污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，尤其水污染問(wèn)題更為嚴(yán)重。在互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)的支持下，水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，可以更好地開(kāi)展污染防治和水體管理工作。目前，受到技術(shù)、資金、人才等多方面因素的限制，農(nóng)村水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用尚不成熟，對(duì)此，本文結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行探討，以供同業(yè)人員參考。

一、農(nóng)村水環(huán)境污染現(xiàn)狀

1.生活污水造成的污染。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前不少農(nóng)村地區(qū)都缺少生活污水處理設(shè)施，污水不經(jīng)處理直接排放，一方面會(huì)對(duì)河湖水系造成污染，導(dǎo)致藍(lán)藻爆發(fā)，形成黑臭水體；另一方面污水中的有害化學(xué)物質(zhì)會(huì)積累沉淀下來(lái)，對(duì)地下水造成污染，甚至導(dǎo)致飲用水中的氮、磷、細(xì)菌等含量超標(biāo)。

2.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的污染。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)為主，由于農(nóng)藥、化肥使用不合理，其中的化學(xué)成分會(huì)隨著雨水滲入地下，污染地下水；養(yǎng)殖過(guò)程中，牲畜家禽的糞便未經(jīng)處理直接排放到環(huán)境中，不僅會(huì)使水體和土壤遭到污染，還會(huì)滋生細(xì)菌、誘發(fā)疾病，降低環(huán)境質(zhì)量。

3.工業(yè)生產(chǎn)造成的污染。當(dāng)前，農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)也在快速發(fā)展，一大批鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)建成運(yùn)行，其中就包括化學(xué)工業(yè)企業(yè)。企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，工業(yè)廢水由于未處理或處理不到位，流入農(nóng)田、河流中就會(huì)導(dǎo)致礦物質(zhì)含量超標(biāo)，對(duì)水環(huán)境造成污染。

二、農(nóng)村水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作存在的問(wèn)題

水環(huán)境監(jiān)測(cè)是通過(guò)生物、物理、化學(xué)等技術(shù)手段，對(duì)水體污染物及成分進(jìn)行分析，掌握水環(huán)境質(zhì)量的變化規(guī)律，為治理工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在農(nóng)村水環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，在線監(jiān)測(cè)工作剛剛起步，存在技術(shù)應(yīng)用不到位、監(jiān)測(cè)體系不完善、配套政策落后、專業(yè)人員缺失等問(wèn)題。

1.技術(shù)應(yīng)用不到位。與城市相比，農(nóng)村地區(qū)地域廣闊，但是村民的居住區(qū)域卻不夠集中，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不夠完善，為水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展帶來(lái)了困難和挑戰(zhàn)。比如，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法自動(dòng)化水平低，很大程度上仍然依賴人工作業(yè)，不但效率低下、人力成本高，而且難以保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度，進(jìn)而影響到后續(xù)污染治理的決策和環(huán)境管理工作。

2.監(jiān)測(cè)體系不完善。我國(guó)水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在一定差距，這種差距也體現(xiàn)在城市和農(nóng)村之間。而且水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系不夠完善，尤其是監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)于簡(jiǎn)單，在監(jiān)測(cè)工作中沒(méi)有發(fā)揮出應(yīng)有的功能和作用。

3.宣傳工作滯后。水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)的實(shí)施，除了技術(shù)外，還需要普及相關(guān)知識(shí)，對(duì)政策、法規(guī)和管理方案等進(jìn)行宣傳。然而現(xiàn)實(shí)情況是，當(dāng)?shù)卣块T把時(shí)間和精力都放在了生產(chǎn)上，只注重經(jīng)濟(jì)效益卻忽視了環(huán)境效益，因此配套政策法規(guī)滯后，宣傳教育工作流于形式，水環(huán)境保護(hù)觀念無(wú)法深入人心。

4.專業(yè)人員缺失。無(wú)論技術(shù)多么先進(jìn)、制度多么完善，水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作最終還是要由專業(yè)人員完成，包括方案制訂、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理、效果評(píng)價(jià)等。然而當(dāng)前的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)尚不成熟，加之農(nóng)村環(huán)境條件差于城市，導(dǎo)致缺乏專業(yè)人才。

三、農(nóng)村水環(huán)境在線

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能應(yīng)用

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）屬于互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)分支，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本小的優(yōu)勢(shì)，很適合應(yīng)用在水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

1.監(jiān)測(cè)指標(biāo)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）、《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 91-2002）等文件，遵循代表性、連續(xù)性、可操作性等原則設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，根據(jù)不同用水類型選擇相應(yīng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2.總體方案。以居民飲用水為例，基于NB-IoT模塊的水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由水質(zhì)自動(dòng)測(cè)控子系統(tǒng)、區(qū)域水環(huán)境傳感終端子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程測(cè)控云平臺(tái)網(wǎng)站子系統(tǒng)構(gòu)成。其中，水質(zhì)自動(dòng)測(cè)控子系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)自來(lái)水廠的出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自來(lái)水的智能化管理。區(qū)域水環(huán)境傳感終端子系統(tǒng)設(shè)置在管網(wǎng)終端，形成水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位水質(zhì)不合格區(qū)域，以保障飲水安全。遠(yuǎn)程測(cè)控云平臺(tái)網(wǎng)站子系統(tǒng)一方面可以接收各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并繪制圖表，另一方面可以遠(yuǎn)程下達(dá)操作指令。

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，核心是數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，這是三個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)共通的關(guān)鍵。由于農(nóng)村自來(lái)水廠的規(guī)模較小，且廠內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施不完善，尤其是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差，因此需采用NB-IoT模塊保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。該模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器交互時(shí)，對(duì)不同的無(wú)線傳輸方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明基于TCP協(xié)議的無(wú)線傳輸方式可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，不需要經(jīng)第三方平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)，不但提高了數(shù)據(jù)的安全性，規(guī)避了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，而且具有擁塞控制、超時(shí)重發(fā)等功能，可提高傳輸過(guò)程的可靠性。

3.子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（1）水質(zhì)自動(dòng)測(cè)控子系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量?jī)x器得到清水池液位高度、出水口濁度、二氧化氯濃度后，經(jīng)通信接口將數(shù)據(jù)傳輸至控制單元，經(jīng)過(guò)控制單元處理后進(jìn)一步傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器中存儲(chǔ)，計(jì)算計(jì)量泵的控制信號(hào)，調(diào)整工作頻率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，農(nóng)村自來(lái)水廠的規(guī)模較小，水源水質(zhì)較為穩(wěn)定、用水量的波動(dòng)小，在控制二氧化氯濃度的基礎(chǔ)上采用串級(jí)-前饋結(jié)構(gòu)，濁度控制上采用閉環(huán)-前饋結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可滿足實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)需求。

（2）區(qū)域水環(huán)境傳感終端子系統(tǒng)。傳感器可采集數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，經(jīng)相應(yīng)的通道將數(shù)據(jù)傳輸至控制器，再通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程服務(wù)器中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電能供應(yīng)采用鋰電池，具有即插即用的優(yōu)勢(shì)，可減少線路布設(shè)；各節(jié)點(diǎn)和傳感器一對(duì)一連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)站門監(jiān)測(cè)一項(xiàng)指標(biāo)；在低功耗運(yùn)行模式下，系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，以降低電池更換頻率。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)大范圍水域環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此時(shí)傳感器終端的節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)群組投放，分別構(gòu)建pH、濁度、溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)群，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的參數(shù)。

（3）遠(yuǎn)程測(cè)控云平臺(tái)網(wǎng)站子系統(tǒng)。它的主要功能是接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)展示數(shù)據(jù)、下發(fā)遠(yuǎn)程操作指令。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，為保證無(wú)線傳輸?shù)目煽啃?，采用TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)NB-IoT模塊與云平臺(tái)的連接。將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)網(wǎng)站，后臺(tái)根據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將總體框架分為4層：第一層，接入層接收數(shù)據(jù)，采用負(fù)載均衡技術(shù)確保系統(tǒng)在高并發(fā)狀況下仍能穩(wěn)定運(yùn)行；第二層，邏輯層用來(lái)搭建Web處理接口，對(duì)底層系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行處理；第三層，持久層是利用MyBatis框架定制SQL，完成存儲(chǔ)過(guò)程和高級(jí)映射；第四層，數(shù)據(jù)層用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，防止數(shù)據(jù)丟失，保護(hù)數(shù)據(jù)信息安全。

4.功能應(yīng)用。（1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集主要由水質(zhì)自動(dòng)測(cè)控子系統(tǒng)完成，為了保證數(shù)據(jù)的精確度，與地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行集成。如此一來(lái)，該系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，還能獲取位置信息，從時(shí)間、空間等維度對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而判斷水環(huán)境是否發(fā)生污染。如果污染程度不斷提高，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒相關(guān)人員進(jìn)行管理。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)與查詢。所謂狀態(tài)監(jiān)測(cè)，就是利用該系統(tǒng)對(duì)水環(huán)境的整體和局部情況進(jìn)行檢測(cè)，可將數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖像，判斷水環(huán)境的污染情況。操作時(shí)可以劃分不同的污染程度，設(shè)置對(duì)應(yīng)的污染指標(biāo)，賦予不同的顏色，方便相關(guān)人員對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷。在此基礎(chǔ)上，再設(shè)置檢索查詢功能，通過(guò)搜索某一水域或某個(gè)污染指標(biāo)，即可得到關(guān)聯(lián)信息，極大提高查詢效率。

（3）事故預(yù)警。該系統(tǒng)還擁有事故預(yù)警功能，一旦某個(gè)水域污染指數(shù)超過(guò)閾值，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，將預(yù)警信息傳輸至控制中心。根據(jù)預(yù)警信息，相關(guān)部門可以迅速明確水污染范圍，初步判斷違規(guī)排放的污染物及企業(yè)，提高污染治理的針對(duì)性和有效性。

四、農(nóng)村水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理對(duì)策

1.提高技術(shù)應(yīng)用水平。水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是新技術(shù)，要提高技術(shù)應(yīng)用水平，保障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，合理配置監(jiān)測(cè)設(shè)備，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.完善監(jiān)測(cè)管理體系。一方面，政府有關(guān)部門要明確自身職責(zé)，對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行統(tǒng)一管理，制定統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，要對(duì)設(shè)備和儀器進(jìn)行定期檢查和保養(yǎng)，對(duì)軟件和硬件進(jìn)行升級(jí)，以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，避免出現(xiàn)較大的誤差。

3.加大宣傳教育力度。水是生命之源，水環(huán)境監(jiān)測(cè)人人有責(zé)，要提高居民的環(huán)保意識(shí)，就必須加強(qiáng)宣傳教育工作。為此，可以將新舊媒介相結(jié)合，充分利用宣傳欄、橫幅標(biāo)語(yǔ)、廣播電視、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等途徑，系統(tǒng)地介紹水環(huán)境污染的相關(guān)知識(shí)，闡述在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，介紹污染防治的政策法規(guī)，讓水環(huán)境保護(hù)理念深入人心，發(fā)揮出群眾的監(jiān)督作用。

4.注重培養(yǎng)人才隊(duì)伍。專業(yè)人才是水環(huán)境在線監(jiān)測(cè)工作順利實(shí)施的落腳點(diǎn)，也是影響監(jiān)測(cè)質(zhì)量的一大因素。對(duì)于人才隊(duì)伍的培養(yǎng)，要走引育結(jié)合的道路。第一，引進(jìn)具有扎實(shí)理論基礎(chǔ)、熟練操作技能、良好道德素養(yǎng)的高素質(zhì)人才，并優(yōu)化薪酬制度、績(jī)效考核制度、獎(jiǎng)懲激勵(lì)機(jī)制，通過(guò)有效手段留住人才；第二，根據(jù)水環(huán)境現(xiàn)狀和在線監(jiān)測(cè)工作的要求，對(duì)工作人員開(kāi)展多樣化的培訓(xùn)學(xué)習(xí)活動(dòng)，不斷提高人員隊(duì)伍的綜合素質(zhì)；第三，從產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展的角度出發(fā)，與高校、科研院校、企業(yè)等進(jìn)行合作，實(shí)現(xiàn)訂單式人才培養(yǎng)，為在線監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展提供人力保障。

作者簡(jiǎn)介：李志英（1982-），女，漢族，甘肅靖遠(yuǎn)人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。