生態濕地水環境智能監測系統的設計

陳堃

（安徽省水利水電勘測設計院 安徽 合肥 230000）

生態濕地水環境智能監測系統的設計

陳堃

（安徽省水利水電勘測設計院 安徽 合肥 230000）

本文分析生態濕地水環境智能監測系統的總體需求，介紹了系統的設計思路，并詳細介紹系統的建設方案。系統通過對水質、水動力、氣象等對象的監測，結合視頻監控對濕地內外的水環境及生態進行監測，積累大量原始數據，為濕地水生態修復的成功應用提供可靠的技術支撐。

濕地；水生態；系統集成

1　引言

合肥市巢湖沿岸水環境治理及生態修復工程位于合肥市濱湖新區，濕地面積約211萬m2，內設有子湖、水道、蘆葦等。工程實施并完成后續植物種植后，有利于保護耕地資源和減少湖泊淤積及氮磷流失；同時，生態濕地及水生植物可起到過濾、吸收及降解水體污染物作用，并可將藍藻堆積區推離近岸，有利于水體環境和濱水環境改善。

2　總體需求

為了確保生態濕地生態修復工程能長期有效地發揮作用，需構建濕地水環境智能監測系統，通過對濕地內外關鍵位置的水生態、水文、氣象等環境數據的實時監測，及時掌握濕地的過濾、吸收及降解情況，并積累原始數據，以利后期對濕地型水生態修復模式進行研究分析。

2.1水質監測需求

工程濕地上游為城市河道，主要污染源為生活污水及雨水，將給濕地內湖帶來的大量有機物以及總磷、總氮等富營養物質。為了直觀地體現濕地凈化水質的效果，防止濕地內湖突發性污染及藻類暴發，需對景觀濕地水質進行實時監測。

2.2水動力監測需求

濕地是具有半水半陸的過渡性生態環境及過渡性的水文情勢，水動力對浮游生物的數量、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化狀態和水華的暴發的重要因素，因此需要對流速及流向進行分層監測，對關鍵點位的湖流水動力進行過程監測。

2.3氣象監測需求

氣候變化將直接影響到濕地面積、水質、結構和功能以及生態脆弱性等。氣候的變化可能導致濕地水位波幅增大，對濕地生態造成影響。因此對濕地的各項氣象指標進行在線監測，可以為濕地資源的有序開發提供技術支撐。

2.4視頻監控需求

現場圖像也是水生態環境監測的重要對象，它可以反映被監測區域現場的水的污染情況，水的顏色，藍綠藻，水上漂浮物垃圾等情況，可以用于出現突發污染事件時候輔助遠程指揮現場應急處理。

2.5智能監控需求

對濕地水環境的研究需要基于水質、水動力、氣象等數據的長期積累和分析，工程需要建立一套智能監控平臺對所有數據信息進行統一管理和存儲，以便于對于濕地水生態變化情況的研究，為生態修復工程提供可靠的技術支持。

3　總體建設方案

根據總體需求，生態濕地水環境智能監測系統構建，充分考慮各段濕地的出入口以及內湖各點的水生態及水文指標情況，同步對從水體分層生態監測、湖泊水文水動力監測、氣象環境等方面進行綜合監測，并構建完善的視頻監控系統。此外，在市水務局建立智能監測系統平臺，對各個監控點進行管理，對數據進行存儲和分析。

3.1系統層次結構

根據系統建設目標，構建系統框架，避免重復建設，為系統開發建設和行維護打下堅實的基礎。系統層次結構包括：應用層、應用支撐層、數據管理層、網絡傳輸層和數據采集層，層次結構如圖1所示。

圖1　系統層次結構圖

3.2總體設計

3.2.1數據采集層

數據采集層的主要工作是通過設立在濕地內外水環境監測點和視頻監測點對各類信息進行采集，主要包括：水質信息、水文水動力、氣象及視頻信息的采集。

（1）水質監控：對水質的監測需通過長時間、連續高頻、不同層位同步觀測數據，分析濕地水溫的垂向分層特征，并通過同步監測不同水溫層的葉綠素、藍綠藻、pH、溶解氧、電導率等指標，綜合分析水溫分層對各指標的影響因素。為此，水質監測方式采用在監測點安裝升降裝置，并搭載多參數水質傳感器實現對不同水位層面的水質監測，從而充分了解淺水水體的各種物理、化學和生物指標分層特征。

（2）水文水動力監測：淺水湖泊中，水動力對浮游生物的數量、分布的影響十分明顯。由于濕地內湖水流緩慢，流速低，流向不確定，用傳統的測流設備較難實現長期穩定在線監測。在本項目中，采用座底式安裝的四波束ADCP，向上發射波束，可測量安裝點垂線方向從水底到水面的各流層的流向及流速。

（3）氣象監測：在濕地外主湖區監測點位置部署一套氣象監測系統，同步監測影響濕地生態的主要氣象因素：降雨量、風速、風向、氣溫、氣壓、濕度等指標。

（4）視頻監控：在濕地內水資源監測點及其他重要位置設立視頻監控點，對水面情況進行實時監控。通過光纖網絡和無線網絡將視頻信息傳輸至控制中心進行展示和存儲。

3.2.2網絡傳輸層

網絡傳輸層主要負責信息的傳輸，由無線網絡和互聯網組成，可將實時數據傳回控制中心數據庫。其中，水環境監測點由于建立濕地中或是湖區中，遠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據。而設置在岸邊的視頻監控點則通過光纖通信方式上傳視頻信息至控制中心。

3.2.3數據管理層

數據管理層負責對數據進行處理，通過設置專業數據庫和基礎數據庫滿足對不同類型海量數據的存儲管理要求。專業數據庫用來存儲水質、水動力、氣象等專業數據，基礎數據庫用以存儲空間和屬性數據。通過整合系統資源和數據資源，保證數據的完整性和一致性，并降低數據管理成本。

3.2.4應用支持層

應用支持層負責數據到應用的轉換，系統的實施在統一的技術架構體系下開展，應用統一的基礎支撐系統，實現單點登陸、風格一致的人機界面，在統一業務流程平臺的基礎上，實現各應用系統業務的整合，避免異構型系統帶來接口、互聯的額外工作。

3.2.5應用層

應用層主要包含的是智能監測平臺的建設，平臺基于GIS技術，集數據采集、傳輸、存儲、應用分析、等為一體，實現濕地水環境自動監控、信息查詢、分析和發布等功能，形成一個高度集成的水環境信息管理平臺。系統功能結構如圖2所示。

圖2　功能結構圖

（1）監測信息在線展示。監測信息在線展示是本工程系統在管理平臺上自動顯示各類信息（水質、水文、氣象、設備狀態），結合GIS地圖、表格和動態滾動信息框的形式來展示監測點水環境的狀態，在地圖上的對應位置顯示各個監測站的定時監測信息或招測信息。

（2）歷史信息查詢。歷史信息查詢是對系統中的各種信息的直接查詢。

（3）遠程控制和設置功能。在前端監控設備條件允許且用戶能夠提供相應硬件接口的情況下，系統平臺能適應已有的儀器的通訊規約，進行水環境監測設備的遠程控制與設置，如校時、立即檢測、自動采樣頻率、標定、調整參數等。

（4）視頻實時監控。系統在GIS地圖上集成視頻監控系統的視頻圖像，利用視頻監控系統的接口實現對攝像機的遠程控制，對監控過程中出現的嫌疑目標進行識別、報警并保存相關信息，及時發現污染事故。

（5）數據審核處理。按照水環境監測規范，對原始數據進行必要的邏輯性審核，剔除無效數據或修訂存在問題的數據，然后存儲到數據庫的核定庫中。

（6）數據分析和分布顯示。按指定的時段（年度、月度、周度、日）進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據，而圖形方式通過直方柱狀圖、曲線析線圖、餅圖等直觀地展現數據。

（7）超標報警。自動判斷相應監控因子是否超標，超標時閃爍報警，并發送超標警報信息。警報信息內容包括監測點名稱、位置、監測時間、超標因子、超標濃度等。

（8）日報發布。為滿足預警監測要求，系統提供日報生成功能，自動匯總統計當日所需的水質監測結果，形成日報并發布。

（9）報表輸出。提供特定監測點、區域在特定時間段內（年、季度、月）的各種常用報表（按照國家標準制定），并可查詢各種常用的類監控報表（按照國家標準制定）。并提供報表打印輸出功能，能夠將界面上顯示的統計結果表格，所見即所得地打印出需要的報表。

（10）系統管理。系統管理功能包含用戶權限管理、日志管理、系統參數設置等功能。

4　結束語

在本文所研究確立的系統總體框架的基礎上，已經完成初步設計，目前正在開展實施工作，計劃2016年系統投入使用。系統的建成有利于濕地型水生態修復模式的研究分析，最終可以在整個巢湖流域乃至全國范圍內的湖泊生態修復中進行成功應用。

[1]合肥市巢湖沿岸水環境治理及生態修復工程初步設計.安徽省水利水電勘測設計院，2013.

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

[3]劉巍，楊航，鄭國臣，魯雪.濕地水質監測技術與方法[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。