小型水庫水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設計

吳旺焱

(北京峽光經(jīng)濟技術(shù)咨詢有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830043)

0 引 言

水庫工程使天然徑流完全改變?yōu)槿斯ふ{(diào)控徑流，滿足綜合利用的要求，極大的提高了水資源的利用率，提供了可靠的水源保障，有利于持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展，對綠色生態(tài)建設也起到積極的推動作用。但是同時水庫改變了徑流，形成大面積靜水，可能會導致水質(zhì)惡化及水生植物和藻類蔓延，造成大范圍的水污染，因此水庫的水質(zhì)情況的監(jiān)測具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)大型水庫的安全管理非常規(guī)范，各項監(jiān)測系統(tǒng)齊全，但是由于小型水庫建設標準低，缺乏有效的管理和維護，小型水庫的水質(zhì)情況不容樂觀，因此面向小型水庫的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的意義，可以及時掌握水庫水質(zhì)變化情況，為水庫的生態(tài)環(huán)境保護提供助力。文章以鐵斯巴汗小型水庫為例進行設計。

1 水庫概況

鐵斯巴汗水庫位于托里縣境內(nèi)鐵斯巴汗河出山口處，距托里縣西南12KM。該水庫規(guī)模為小(1)型水庫，水庫總庫容110萬m3，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主的山區(qū)水庫，灌區(qū)設計灌溉面積333.33hm2，主要種植作物以小麥、苜蓿為主。目前該水庫的安全監(jiān)測主要為汛情監(jiān)測和大壩工程安全監(jiān)測，監(jiān)測方式為人工監(jiān)測。

為貫徹執(zhí)行《中華人民共和國環(huán)境保護法》，防止土壤、地下水和農(nóng)產(chǎn)品污染，保障人體健康，維護生態(tài)平衡，促進經(jīng)濟發(fā)展，特制定了《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》，并且標準中全部技術(shù)內(nèi)容為強制性。主要指標有五日生化需氧量(BOD5)、懸浮物、PH值、水溫、氯化物、硫化物等。鐵斯巴汗水庫作為以農(nóng)業(yè)灌溉為主的山區(qū)水庫，水庫水質(zhì)的監(jiān)測也具有十分重要的意義，文章擬設計一種水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)作為水庫安全運行管理的補充。鐵斯巴汗水庫作為旱作農(nóng)田灌溉用水的主要水質(zhì)指標如表1所示。

表1 灌溉用水水質(zhì)指標

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)整體架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)中心和終端應用組成，共三個模塊，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集部分是系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，通過在合適的地點部署適當數(shù)量的傳感器節(jié)點，才能全面客觀的實時采集水質(zhì)信息，通過網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的大腦，通過大數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘，形成水質(zhì)監(jiān)測知識庫。

終端應用是指管理人員可以通過WEB頁面及手機APP查看實時監(jiān)測情況及歷史數(shù)據(jù)報表。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 水質(zhì)監(jiān)測傳感器

水質(zhì)檢測的常見指標有溫度、顏色與透明度、電導率、pH值、離子含量、固體含量、化學需氧量(COD)、生物體含量等[1]。通過光敏傳感器、化學傳感器以及生物傳感器等敏感元件，可以實現(xiàn)監(jiān)測水中有害化學物質(zhì)、重金屬含量以及微生物種群等各項指標，并將數(shù)據(jù)傳送至管理中心進行匯總分析。

幾種常用水質(zhì)監(jiān)測傳感器：

TOC傳感器：TOC也被稱為總有機碳，它是分析水體樣本中有機物污染情況的重要指標；

PH傳感器：主要通過檢測氫離子來獲取水體的酸堿值，PH值是水體的一個重要指標，在水中pH值的允許范圍一般在6.5-8.5之間。就天然水域而言，其pH值的變化范圍是比較小的；

濁度傳感器：通過測量透過水的光量來測量水中的懸浮固體，可以反映出水體受污染的情況；

溶解氧傳感器：測量氧氣在水中的溶解量。

BOD微生物傳感器：BOD作為一項綜合指標，主要用于對水體受到有機污染物污染的程度進行評價[2]。BOD微生物傳感器可以將固定化氧電極、微生物等進行重組，根據(jù)其在水中耗費的溶解氧濃度進行測定，最后可獲得BOD值。

余氯傳感器：對水中余氯濃度進行檢測。

4 功能模塊

4.1 數(shù)據(jù)采集

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的底層是數(shù)據(jù)采集，將水質(zhì)傳感器節(jié)點分布在水庫監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，動態(tài)組成Zigbee傳感器網(wǎng)絡，采集水的溫度、PH值等多種指標參數(shù)，將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)中心[3-4]。

4.2 權(quán)限管理

水庫大壩是一項重大的民生工程，其安全管理具有十分重要的意義，大壩的水質(zhì)等信息也應該在安全保密范圍內(nèi)進行收集與管理，因此監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)安全層面要充分考慮人員權(quán)限使用問題，監(jiān)測系統(tǒng)設計的角色主要包括系統(tǒng)管理員、技術(shù)員、普通用戶。所有用戶由系統(tǒng)管理員進行添加分配，保證用戶入口安全。

普通用戶只有查看數(shù)據(jù)展示等權(quán)限，接受系統(tǒng)預警信息。

技術(shù)員負責處理傳感器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對傳感器節(jié)點進行管理與維護。

4.3 水質(zhì)監(jiān)測知識庫

將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行合理性檢查及標準化處理，存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通過與歷史數(shù)據(jù)的對比，結(jié)合實際情況，預測可能發(fā)生的水污染情況，為管理人員的決策提供數(shù)據(jù)支撐。同時將歷史數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析結(jié)果及針對不同污染物、污染源的處理方法等存入水質(zhì)監(jiān)測知識庫，將歷史經(jīng)驗進行共享交流，方便新入職人員盡快熟悉業(yè)務工作。

4.4 數(shù)據(jù)分析

匯總傳感器節(jié)點所上傳的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行建模分析。根據(jù)統(tǒng)計出的歷年水質(zhì)情況報表、污染物分析報表等，可以預測每年的污染高發(fā)期，提前進行干預；對污染物成分進行分析可確定污染物是由什么類型的企業(yè)所排放，減少追責摸排范圍；對水質(zhì)中的藻類生長狀況進行分析，可以提前預防藍藻的爆發(fā)等。

4.5 自動預警

影響水庫水質(zhì)情況的因素是多方面的，河流、雨水、生活廢水、工業(yè)排污等，在水庫的水質(zhì)受到污染時，傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，通過與歷史數(shù)據(jù)及日常數(shù)據(jù)對比將會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)會通過APP手機客戶端、手機短信等方式提醒系統(tǒng)管理人員。

管理人員可通過APP實時查看水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，及時了解水質(zhì)情況，判斷污染類型，及時通報相關(guān)部門，采取相應措施，防止污染擴散。

5 結(jié) 語

通過對鐵斯巴汗小型水庫水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設計，補充完善了水庫的安全管理工作，農(nóng)田灌溉用水的水質(zhì)好壞對土壤等環(huán)境具有一定的影響，受到污染的農(nóng)田灌溉用水可能會通過農(nóng)作物進而影響到人們的身體健康[5]。該系統(tǒng)能將實時水污染信息通過遠程傳輸系統(tǒng)及時提供給有關(guān)部門，方便了環(huán)保部門的工作，可以更好的保護好水資源，具有一定的社會經(jīng)濟效益。