小型水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳旺焱

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

0 引 言

水庫(kù)工程使天然徑流完全改變?yōu)槿斯ふ{(diào)控徑流，滿(mǎn)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(duì)綠色生態(tài)建設(shè)也起到積極的推動(dòng)作用。但是同時(shí)水庫(kù)改變了徑流，形成大面積靜水，可能會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化及水生植物和藻類(lèi)蔓延，造成大范圍的水污染，因此水庫(kù)的水質(zhì)情況的監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)大型水庫(kù)的安全管理非常規(guī)范，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)齊全，但是由于小型水庫(kù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，缺乏有效的管理和維護(hù)，小型水庫(kù)的水質(zhì)情況不容樂(lè)觀，因此面向小型水庫(kù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義，可以及時(shí)掌握水庫(kù)水質(zhì)變化情況，為水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供助力。文章以鐵斯巴汗小型水庫(kù)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 水庫(kù)概況

鐵斯巴汗水庫(kù)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(kù)規(guī)模為小(1)型水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容110萬(wàn)m3，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主的山區(qū)水庫(kù)，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積333.33hm2，主要種植作物以小麥、苜蓿為主。目前該水庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)主要為汛情監(jiān)測(cè)和大壩工程安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方式為人工監(jiān)測(cè)。

為貫徹執(zhí)行《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》，防止土壤、地下水和農(nóng)產(chǎn)品污染，保障人體健康，維護(hù)生態(tài)平衡，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特制定了《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，并且標(biāo)準(zhǔn)中全部技術(shù)內(nèi)容為強(qiáng)制性。主要指標(biāo)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(kù)作為以農(nóng)業(yè)灌溉為主的山區(qū)水庫(kù)，水庫(kù)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)也具有十分重要的意義，文章擬設(shè)計(jì)一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為水庫(kù)安全運(yùn)行管理的補(bǔ)充。鐵斯巴汗水庫(kù)作為旱作農(nóng)田灌溉用水的主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 灌溉用水水質(zhì)指標(biāo)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yīng)用組成，共三個(gè)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(guò)在合適的地點(diǎn)部署適當(dāng)數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)，才能全面客觀的實(shí)時(shí)采集水質(zhì)信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的大腦，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘，形成水質(zhì)監(jiān)測(cè)知識(shí)庫(kù)。

終端應(yīng)用是指管理人員可以通過(guò)WEB頁(yè)面及手機(jī)APP查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況及歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器

水質(zhì)檢測(cè)的常見(jiàn)指標(biāo)有溫度、顏色與透明度、電導(dǎo)率、pH值、離子含量、固體含量、化學(xué)需氧量(COD)、生物體含量等[1]。通過(guò)光敏傳感器、化學(xué)傳感器以及生物傳感器等敏感元件，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)水中有害化學(xué)物質(zhì)、重金屬含量以及微生物種群等各項(xiàng)指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)傳送至管理中心進(jìn)行匯總分析。

幾種常用水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器：

TOC傳感器：TOC也被稱(chēng)為總有機(jī)碳，它是分析水體樣本中有機(jī)物污染情況的重要指標(biāo)；

PH傳感器：主要通過(guò)檢測(cè)氫離子來(lái)獲取水體的酸堿值，PH值是水體的一個(gè)重要指標(biāo)，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(guò)測(cè)量透過(guò)水的光量來(lái)測(cè)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(cè)量氧氣在水中的溶解量。

BOD微生物傳感器：BOD作為一項(xiàng)綜合指標(biāo)，主要用于對(duì)水體受到有機(jī)污染物污染的程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]。BOD微生物傳感器可以將固定化氧電極、微生物等進(jìn)行重組，根據(jù)其在水中耗費(fèi)的溶解氧濃度進(jìn)行測(cè)定，最后可獲得BOD值。

余氯傳感器：對(duì)水中余氯濃度進(jìn)行檢測(cè)。

4 功能模塊

4.1 數(shù)據(jù)采集

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的底層是數(shù)據(jù)采集，將水質(zhì)傳感器節(jié)點(diǎn)分布在水庫(kù)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，動(dòng)態(tài)組成Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集水的溫度、PH值等多種指標(biāo)參數(shù)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心[3-4]。

4.2 權(quán)限管理

水庫(kù)大壩是一項(xiàng)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(yīng)該在安全保密范圍內(nèi)進(jìn)行收集與管理，因此監(jiān)測(cè)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(wèn)題，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角色主要包括系統(tǒng)管理員、技術(shù)員、普通用戶(hù)。所有用戶(hù)由系統(tǒng)管理員進(jìn)行添加分配，保證用戶(hù)入口安全。

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

技術(shù)員負(fù)責(zé)處理傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理與維護(hù)。

4.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)知識(shí)庫(kù)

將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢查及標(biāo)準(zhǔn)化處理，存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，結(jié)合實(shí)際情況，預(yù)測(cè)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(shí)將歷史數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析結(jié)果及針對(duì)不同污染物、污染源的處理方法等存入水質(zhì)監(jiān)測(cè)知識(shí)庫(kù)，將歷史經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行共享交流，方便新入職人員盡快熟悉業(yè)務(wù)工作。

4.4 數(shù)據(jù)分析

匯總傳感器節(jié)點(diǎn)所上傳的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的歷年水質(zhì)情況報(bào)表、污染物分析報(bào)表等，可以預(yù)測(cè)每年的污染高發(fā)期，提前進(jìn)行干預(yù)；對(duì)污染物成分進(jìn)行分析可確定污染物是由什么類(lèi)型的企業(yè)所排放，減少追責(zé)摸排范圍；對(duì)水質(zhì)中的藻類(lèi)生長(zhǎng)狀況進(jìn)行分析，可以提前預(yù)防藍(lán)藻的爆發(fā)等。

4.5 自動(dòng)預(yù)警

影響水庫(kù)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(kù)的水質(zhì)受到污染時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，通過(guò)與歷史數(shù)據(jù)及日常數(shù)據(jù)對(duì)比將會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)APP手機(jī)客戶(hù)端、手機(jī)短信等方式提醒系統(tǒng)管理人員。

管理人員可通過(guò)APP實(shí)時(shí)查看水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，及時(shí)了解水質(zhì)情況，判斷污染類(lèi)型，及時(shí)通報(bào)相關(guān)部門(mén)，采取相應(yīng)措施，防止污染擴(kuò)散。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鐵斯巴汗小型水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，補(bǔ)充完善了水庫(kù)的安全管理工作，農(nóng)田灌溉用水的水質(zhì)好壞對(duì)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(huì)通過(guò)農(nóng)作物進(jìn)而影響到人們的身體健康[5]。該系統(tǒng)能將實(shí)時(shí)水污染信息通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)及時(shí)提供給有關(guān)部門(mén)，方便了環(huán)保部門(mén)的工作，可以更好的保護(hù)好水資源，具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。