水庫水質監測預警系統設計

鄭 雪 ，王 晶 ，李曉菊

（1.秦皇島莫鐳特環境科技有限公司，河北 秦皇島 066004；2.河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066004；3.燕山大學經濟管理學院，河北 秦皇島 066004）

水庫在水資源利用方面發揮著十分重要的作用，如防洪、蓄水灌溉、供水、發電、養殖、航運等，水質實時監測與預警報警系統應運而生，如何建立一套較為科學合理的水質監測預警系統成為水庫水質管理的重點。

我國水質監測預警技術起步較晚，水質監測、分析以及預測預警方面還處于探索階段[1]，經過近30 a的發展，目前水質監測技術已取得較大的進步，尤其是在硬件設備和網絡組建方面，已經完全實現數據的實時自動監測和傳輸。在不斷發展的同時，我們距離一些發達國家仍有不小的差距，水質監測系統的構建未能跟上時代的腳步，相關工作人員在建立水質模型時面對的也是一個數據多、信息少的情況，大規模的水質自動監測系統還未應用于實踐中。

構建一個較為完善的水庫水質監測預警系統，能夠連續、實時、全天候地對水質進行監測，從而節省大量人力和時間，并且能及時預警和防范水環境風險，系統了解水資源污染情況，較為準確地預測預警水質變化，是地表水環境質量監測的未來發展趨勢和方向[2-4]。

1 水質監測預警系統需求分析

系統需求分析是系統設計過程中關鍵的一步，通過對水庫水質監測預警工作的現狀分析和水質異常事件的信息需求和數據需求的調查研究，以及對系統設計常規性需求的分析，得到系統設計最基本的需求信息，主要包括功能性需求和非功能性需求分析兩部分。

（1）功能性需求。在水質監測系統設計前，分析水質監測預警系統的主要需求，通過調查研究，水質監測部分主要是對水質信息數據進行收集及整理；水質預測部分主要是對已經采集水質信息數據進行儲存，并通過數據庫對水質信息數據進行分析，判別水質數據是否存在異常。

（2）非功能性需求。水質監測預警系統中除了有上述所必需的功能性需求外，還需要實現各種非功能性需求，如安全性需求、使用性需求、時間需求、負載能力需求、系統可維護需求。這些非功能性需求除了可以滿足整個系統向用戶提供正常的功能外，還能使用戶能夠流暢地運用該系統，保證系統的安全運行。

2 系統總體設計

水質監測預警系統的目標是提供一個集基礎數據管理和水質監測預警于一體的輔助決策工具。為了實現系統目標以及對系統數據庫中數據進行有效管理，給用戶帶來更加清楚直觀的使用體驗，水質監測預警系統中軟件架構主要包括表示層、業務處理層、應用交互層、數據層4個層面，具體架構如圖1所示。

圖1 系統軟件架構

（1）表示層。在水質監測預警系統中，表示層是指用戶在使用該系統進行查詢時呈現出來的界面，主要通過一定的方式在系統主頁展示出系統中其他各應用層得出的結果，達到整個系統可視化的目的。在表示層，用戶可對水質數據、模擬預測結果、預警信息進行查詢，工作人員可對用戶、系統及數據進行管理。

（2）業務處理層。業務處理指對系統中主要功能進行業務處理，用于業務的實現。這一層中包含了業務完成所需的一些模型、計算，同時該層可以與數據層相連，以便于訪問數據進行分析預測。其主要包括數據查詢組件、數據分析預測組件、數據管理組件及用戶管理組件。

（3）應用交互層。在水質監測預警系統中，一方面需要工作人員對數據進行輸入及管理，另一方面可支持用戶對數據進行查詢，所以應用交互層主要是方便系統與工作人員和用戶相聯系。

（4）數據層。數據層主要是指系統中的數據庫本身，用于存儲數據。該層包括各類數據、表格、視圖，為整個水質監測預警系統提供數據基礎。本系統中主要包括水質的基礎數據和實時監測的數據。

3 子系統設計

3.1 系統管理模塊設計

（1）用戶管理。用戶管理部分不需要對每日登錄網頁瀏覽新聞公告、水文情況的用戶進行管理，只需要對系統中的工作人員包括監測站工作人員、水質分析預測工作人員、相關項目管理人員進行信息記錄與管理，系統中需要記錄每個工作人員的用戶名、密碼、手機號碼等信息。

（2）信息管理。信息管理部分主要包括水質信息的發布和查詢。

3.2 數據采集管理與監測模塊設計

（1）數據采集管理模塊是對水質監測點有效水質數據的匯總和傳輸[5]。建立數據庫，對水質數據進行匯總、存儲。

（2）水質監測模塊嚴格按照我國《飲用水標準》（GB5749-2006）和《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）對各種水質指標進行監測。

3.3 水質分析預測模塊設計

水質分析預測模塊是在水質監測的基礎上的一個更高要求的水質數據應用，需要對目前已知的水質數據進行有目的、有條理的統計、計算以及分析。首先需要接收從數據采集與監測系統采集并篩選匯總后得到的水質數據，運用一定的水質評價方法或者使用目前已經構建好并已得到較好評價和廣泛應用的水質分析模型，得出水質變化的規律或非線性關系；其次，利用分析到的規律或者非線性關系，得到未來一段時間內水質變化的情況，為后期的預警預報提供參考數據。

3.4 水質預警模塊設計

水質預警是以水質預測為基礎的。開啟預警功能后，預警系統首先依據水環境質量標準為預警系統設置會發出預警信息的水質范圍，將預測系統中預測到的未來水質情況與發出預警的上、下限進行比較，如果在此范圍內則繼續讀取下一時刻的水質數據，繼續進行比較；如果超過此范圍，則系統自動記錄可能發生水質污染情況的時間、地點以及污染嚴重情況，將異常數據進行記錄，并發出預警提示，方便工作人員及時上報并作出相應應急措施。

3.5 數據庫設計

本文涉及的數據庫主要包含六大部分，分別為基礎數據庫、在線監測數據庫、分析預測數據庫、歷史數據庫、空間數據庫、多媒體數據庫。

（1）基礎數據庫中包括基礎水文信息、社會經濟信息、系統的業務管理、水質監測標準信息以及各項規章制度。

（2）在線監測數據庫中包括監測點信息、監測點設備信息、水質監測數據以及降雨信息。

（3）分析預測數據庫中包括水質分析模型信息、水質分析規律或非線性關系、水質預測模型信息以及水質預測信息。

（4）歷史數據庫中包括以往產生水質污染的事件的數據信息以及應對措施。

（5）空間數據庫中包括水庫所在地周圍的地質情況、其他水利工程情況。

（6）多媒體數據庫中包括圖形、圖片數據庫和音頻、視頻數據庫。

4 結語

本文主要設計了水庫水質監測預警系統，對系統設計中水質監測、預警預測的相應技術做了了解與分析，運用了管理信息系統設計、數據庫設計等技術手段，設計了系統總體架構及其數據采集與水質監測、水質分析預測、水質預警等子系統。隨著水環境保護重要性的日益增長，及時準確的水質監測預警技術將成為保護水環境的重要手段。在實際應用過程中，水庫水質監測預警系統會不斷向更快速、更專業、更低成本的方向發展，同時也希望水質監測預警系統能夠增加更多功能、適配不同的水域環境。