黃河流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究

米西峰，郭天一，靳繼紅

（焦作師范高等專科學(xué)校，河南 焦作 454000）

0 引言

黃河是中華民族的“母親河”。黃河流域在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位[1]。自古以來(lái)，就有“黃河寧，天下平”的說(shuō)法。新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)在黃河治理上取得了顯著成效，但是受歷史因素以及自然條件的限制，再加上人類的過(guò)度開(kāi)發(fā)和不合理利用等原因，近年來(lái)，黃河流域的生態(tài)環(huán)境十分脆弱，呈現(xiàn)普遍惡化的趨勢(shì)。

黨的十八大以來(lái)，我國(guó)非常重視生態(tài)文明建設(shè)。黨的十九屆五中全會(huì)在《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中將推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升到國(guó)家重大戰(zhàn)略的高度。

本文在分析了目前黃河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)黃河流域的重點(diǎn)區(qū)域，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)全面全天候地采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，再利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析，從而對(duì)黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供一定的技術(shù)支持及數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 黃河流域生態(tài)環(huán)境存在的問(wèn)題

目前，黃河流域生態(tài)環(huán)境存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下三方面：

1.1 生態(tài)環(huán)境脆弱

黃河流域因受其所處區(qū)域的地勢(shì)地貌、自然氣候等客觀因素的影響，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。黃河干流自西向東流經(jīng)我國(guó)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南和山東九個(gè)省區(qū)，地域面積廣闊，上游、中游、下游各區(qū)域的生態(tài)環(huán)境各不相同。黃河上游局部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化，水源涵養(yǎng)功能降低；中游水土流失嚴(yán)重，汾河等支流污染問(wèn)題突出；下游生態(tài)流量偏低，一些地方河口濕度萎縮[1]。

1.2 水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)

黃河流域大部分地區(qū)位于我國(guó)中西部地區(qū)，氣候干旱，多年平均水資源量為525億m3，以占全國(guó)2%的水資源量承擔(dān)了15%的耕地和12%人口的供水任務(wù)[2]。黃河流域水資源總量有限且人均占有量偏低。水資源利用較為粗放，農(nóng)業(yè)用水效率不高，水資源開(kāi)發(fā)利用率高達(dá)80%，遠(yuǎn)超一般流域40%的生態(tài)警戒線[1]。沿黃地區(qū)人民對(duì)水資源的不合理開(kāi)發(fā)利用，也加劇了黃河流域的水資源問(wèn)題。

1.3 水環(huán)境污染

黃河流域內(nèi)部分區(qū)域水環(huán)境污染問(wèn)題較為嚴(yán)重。2018年7-12月份黃河流域全域75個(gè)重要省界水質(zhì)斷面中，7個(gè)斷面每月均不達(dá)標(biāo)，占總斷面數(shù)的9.3%，32個(gè)斷面存在部分月份水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，占比42.7%[3]。另外，黃河流域面臨沿岸工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)三方面帶來(lái)的污染。黃河流域沿岸的工業(yè)生產(chǎn)中存在將部分污水排入黃河的現(xiàn)象；沿岸人民生活中的一部分廢水也被排入黃河內(nèi)；在沿岸的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，存在過(guò)量使用農(nóng)藥及化肥的問(wèn)題。這些現(xiàn)象的疊加更加劇了黃河流域的水環(huán)境污染程度。

2 黃河流域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的解決對(duì)策

黃河流域地理空間跨度大，氣候和地理特征差異顯著，上下游、干支流、左右岸的水資源、水環(huán)境、水生態(tài)差異較大，不同的地區(qū)、不同的發(fā)展階段存在不同的水問(wèn)題[4]。習(xí)近平總書(shū)記“在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上的講話”中提出，黃河流域上游要提升水源涵養(yǎng)能力，中游要抓好水土保持和污染治理，下游要促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)健康，提高生物多樣性[1]。因此，黃河流域在生態(tài)保護(hù)方面要充分考慮上中下游之間的差距，做到因地制宜。

2018年，水利部部長(zhǎng)鄂竟平明確提出了“把工作重心切實(shí)轉(zhuǎn)變到監(jiān)管上來(lái)，在監(jiān)管上強(qiáng)手段，在治理上補(bǔ)短板”的水土保持工作總要求[5]。黃河中下游地區(qū)的水生態(tài)損害問(wèn)題是黃河流域較為突出的生態(tài)問(wèn)題之一，對(duì)其生態(tài)機(jī)制進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)至關(guān)重要的研究[6]。我國(guó)在水質(zhì)、水況、用水等方面的監(jiān)測(cè)和采集數(shù)據(jù)方面有很大的空白，數(shù)據(jù)質(zhì)量也難以得到很好的保證[7]，因此，利用現(xiàn)代信息技術(shù)加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境參數(shù)的采集和監(jiān)測(cè)是保障黃河流域治理順利推進(jìn)的一個(gè)基本前提。通過(guò)對(duì)黃河流域生態(tài)現(xiàn)狀進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)關(guān)鍵生境和敏感環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、全方面監(jiān)測(cè)，能夠了解黃河流域水土流失、環(huán)境污染等信息，為后續(xù)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、植被物種選擇、高質(zhì)量發(fā)展等提供理論、技術(shù)及數(shù)據(jù)支持。

針對(duì)黃河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，不少學(xué)者在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了研究并提出了相應(yīng)的對(duì)策。

王新星等在文獻(xiàn)[5]中提出，在水土保持方面利用衛(wèi)星遙感和無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)加強(qiáng)監(jiān)管。武創(chuàng)舉在文獻(xiàn)[6]中提出利用無(wú)人機(jī)、遙感影像信息及土地整理數(shù)據(jù)等，建立黃河流域局部地區(qū)的生態(tài)監(jiān)測(cè)三維模型。連煜在文獻(xiàn)[8]中提出，需要構(gòu)建黃河流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。劉建偉在文獻(xiàn)[9]提出，在刁口河建立生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)礦化度與PH兩大指標(biāo)。王軍在文獻(xiàn)[10]中提出，利用新一代信息技術(shù)構(gòu)建空天地一體化生態(tài)保護(hù)系統(tǒng)。殷寶庫(kù)等在文獻(xiàn)[11]中提出，利用遙感技術(shù)（Remote Sensing）、全球定位系統(tǒng)GPS（Global Position System）和地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）（簡(jiǎn)稱“3S”技術(shù)）、自動(dòng)化的地面觀測(cè)、實(shí)地調(diào)查和巡測(cè)，建立水土保持信息采集系統(tǒng)；利用計(jì)算機(jī)建立信息傳輸網(wǎng)絡(luò)；利用海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，建立信息存儲(chǔ)系統(tǒng)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于黃河流域生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)研究，一方面大多集中在理論層面；另一方面多數(shù)采用的是3S技術(shù)，而3S技術(shù)采集的多是圖像信息，而且不能夠達(dá)到實(shí)時(shí)、全天候、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的效果。本文針對(duì)黃河中下游地區(qū)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、Zigbee（紫蜂）、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）等現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建一套生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，目的在于實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域中的環(huán)境參數(shù)，并建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，再輔以專家系統(tǒng)，以期對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域中的生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并有針對(duì)性地進(jìn)行環(huán)境治理。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)目前已廣泛應(yīng)用于綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、智能電網(wǎng)、智慧物流、智能家居、智慧醫(yī)療、智能交通等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)從下到上依次是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中，感知層實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別和信息的采集，網(wǎng)絡(luò)層主要利用各種接入及傳輸設(shè)備將感知層采集到的信息進(jìn)行傳輸，應(yīng)用層對(duì)從網(wǎng)絡(luò)層接收到的信息進(jìn)行處理和分析，并為用戶提供各種各樣的應(yīng)用。

因此，用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，可以從感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)思路及方法如下：

（1）設(shè)計(jì)感知層。感知層的主要作用是采集生態(tài)環(huán)境參數(shù)。考慮到所需監(jiān)測(cè)的生態(tài)環(huán)境參數(shù)包括水的溫度、PH值、溶解氧濃度、電導(dǎo)率、流量、水位等等，可以在監(jiān)測(cè)區(qū)域中布置相應(yīng)的傳感器或者監(jiān)測(cè)儀（如：水溫傳感器、PH值傳感器等）用于采集水環(huán)境參數(shù)，利用Zigbee技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)匯總至采集中心的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

（2）設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是利用無(wú)線傳輸技術(shù)將采集中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處匯總的數(shù)據(jù)信息傳輸至應(yīng)用層的主控計(jì)算機(jī)上。

（3）設(shè)計(jì)應(yīng)用層。需要在監(jiān)測(cè)區(qū)域的主控中心布置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上基于Visual Studio 2017平臺(tái)使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)控制軟件，控制軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)以及顯示，而且控制中心還可以根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)與所設(shè)置閾值的對(duì)比，發(fā)出警示信息。

本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看到，該系統(tǒng)可以分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別是：環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)、無(wú)線傳輸和環(huán)境信息應(yīng)用系統(tǒng)。

在環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)中，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積大小可以部署多個(gè)WSN監(jiān)測(cè)區(qū)域。在每個(gè)WSN監(jiān)測(cè)區(qū)域中，利用Zigbee技術(shù)遵循的IEEE 802.15.4協(xié)議組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集各種水生態(tài)環(huán)境參數(shù)，并且通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯總各種采集信息。

無(wú)線傳輸?shù)淖饔迷谟诮邮詹杉畔ⅲ⒗矛F(xiàn)有的無(wú)線傳輸技術(shù)（如：Wi-Fi、4G、5G等）將這些信息傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)上。

環(huán)境信息應(yīng)用系統(tǒng)包括兩個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)接收到的采集信息進(jìn)行分析處理，并存儲(chǔ)于信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中，這些信息也可用于其他實(shí)際應(yīng)用方面（比如，水源污染治理）；同時(shí)，通過(guò)專家系統(tǒng)可以指導(dǎo)后續(xù)的環(huán)境保護(hù)和物種選擇等。

4 結(jié)論

在推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的背景下，本文在流域環(huán)境監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了研究。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、全天候地采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，并利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至主控中心，在主控中心利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)接收的環(huán)境信息進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)等，也可以在環(huán)境參數(shù)異常時(shí)向管理員發(fā)出警示信息。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息可以為黃河流域?qū)?lái)的治理與保護(hù)提供準(zhǔn)確詳實(shí)的數(shù)據(jù)資料，對(duì)加快推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。