東營市兩河水環境監測與告警系統建設方案研究

費 定，章龍飛，余 濤

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100）

1 背景

21世紀是信息化時代，5G、物聯網、區塊鏈等熱詞一度成為新世紀的沸點。隨著《中華人民共和國檔案法》的修訂，水利工程檔案信息化管理有了更穩固的實施依據。李玲霞[1]對新檔案法下水利工程檔案信息化管理做了深切研討，歸納了新時期水利工程檔案信息化管理的特點和有待解決的問題，提出了在檔案鑒定前提下要加強信息化管理工作。曹健[2]等人總結了目前天津市水務管理工程中的實際問題，提出要完善河道、閘站基礎觀測工作，同時提高管理人員科技素質，大力引進信息化、科技領先管理人才。李燕[3]將德州市水利信息化進程做了重點概括，提出網絡技術、遙感技術、數據庫技術是水務信息系統管理工作取得提升的重要技術保障。目前，已有國家級水情數據庫用到了ArcGIS 軟件，該軟件具有簡潔、實用、實時、高效集成等特點。信息化時代強調數據的可視化和同步性，對水務信息系統而言，兼顧多方使用者的便捷和能動性對設計者提出了空前的挑戰，現階段智慧水務的發展還處在初步階段，水質監測暴露出的問題還亟需解決。

作為國家重要戰略建設開發區，山東省東營市近年來步入了工農業高速發展的新階段。但由于其自身一直存在的水環境問題，其在城鎮化、工農業快速發展的同時出現了生態環境破壞等問題，環境的日益惡化反過來又極大地限制了東營地區的發展。因此，采取新型的水環境監測告警系統，從中切斷水環境不斷惡化的導線顯得尤為重要。對東營市廣利河、溢洪河（以下簡稱兩河）流域進行水環境管理，必須充分考慮河道管理的實時信息共享、信息傳輸處理快速高效等要求，建設兩河流域一體化管控、各點互聯互動、全市共享統一的整體式智慧河流管理系統，進而形成“監控”合一的協同性管理模式，實現管理的實時性和準確性、計劃的科學化和有效化。

2 系統總體框架

智慧水務系統平臺總體框架的構建既要滿足我國水環境系統治理的業務需要，又要充分考慮未來業務擴展的需求[4]。東營市兩河水環境監測與告警系統借鑒國內外同種項目布局經驗，搭建適應的智慧水務總體框架。該系統總體框架分5 層設計，囊括用戶層、業務應用層、數據資源層、運行環境層、信息采集層，如圖1 所示。各個部分由標準化的協議與接口結合為一個有機的整體，其中信息采集層包含水質、水位、流量和視頻等信息。

圖1 系統總體框架

該系統框架具有如下特點：①功能分區明確，流程簡單，運作規范，自動化可塑性較大；②最終面對用戶，以業務應用層為主導，數據導入與導出清晰，適用性強；③能夠滿足東營市水務運營管理需求，并且設置終端，充分考慮構件擴充和業務擴展需要，同時終端滿足與市總系統連接的要求。

該系統采用“三條主線”進行總體設計，將水質站點、水位站點、流量站點、視頻站點等監測設備的相關數據接入系統，具有以下功能：①圍繞實時數據，實現各監測站點數據的實時查詢、水質超標預警響應等；②圍繞設施設備，設置巡檢計劃，按時生成巡檢任務，及時進行站點的維護；③圍繞水污染，實現水污染事件的上報以及事件處理。

3 系統建設主要內容

在科學發展觀的指導下，認真貫徹《山東省東營市水利信息化建設規劃（2016—2025 年）》《東營市發展和改革委員會關于東營市中心城兩河（廣利河、溢洪河）及內水系環境綜合治理工程可行性研究報告的批復》（東發改審批〔2019〕29 號）文件精神，采用“基礎先行、急用先建、示范帶動、分布實施”的建設思路，結合東營市已開展的信息化建設實際，以人為本，務實推進，按照實用性、易用性、先進性、高效性、集成性、標準化和開放性的原則，穩步推進兩河流域水環境監測體系智能化建設。

3.1 信息采集與展示體系設計

水質信息采集體系應用SFM600WS浮標水質分析儀實時采集水質數據。SFM600WS浮標水質分析儀是一套以在線自動分析儀器為核心，運用現代傳感器技術，由浮標體、太陽能供電系統、GRRS 全球定位系統、錨泊系統組成的放置于水域內的小型水質監測設備。該設備采用全光譜掃描和電化學方法，實現了對溫度、pH 值、溶解氧、電導率、濁度、總氮和總磷等多參數數據的實時快速采集[5]。

大屏信息展示為管理人員提供目前兩河的水質概況以及各類站點、任務等信息的一覽和統計[6]。此外，大屏還能集中展示實現超標預警、水質站點概況、視頻站點狀態、水質達標情況以及上月水質等多種要素。大屏信息展示體系以東營市地圖為底圖，標繪水質站點、視頻站點等信息并結合相關圖表展示水環境監測的相關要素；通過點擊“視頻”圖標可以查看實時視頻，點擊“水質監測站點”圖標可以查看站點的監測信息，點擊“切換頁簽”還可以查看巡檢任務情況以及水質達標情況等信息；能夠實現監測站點、排水信息、流域水系、水質專題以及巡檢專題等要素在天地圖中的可視化展示，同時直觀展示超標預警、水污染事件以及巡檢事件。主界面大屏展示，如圖2所示。

圖2 主界面大屏展示

3.2 水質監測與評價體系設計

水質監測系統主要提供水質監測站監測數據的查詢、查看和導出等，包括當前水質、氨氮（NH3-N）、高錳酸鹽指數、pH值、水溫、濁度、電導率和溶解氧等監測數據。水質監測數據分為已建成的站點和新建的站點2 類。已建成的站點監測數據通過四信RTU上傳至四信廠家的RTU接收平臺，同時匯集到智慧水務大數據中心；新建的站點通過自建數據接收軟件接收數據，并同時匯集到智慧水務大數據中心，本系統通過數據庫只讀方式讀取水質監測數據展示監測成果，該方式可有效防止“黑客”盜取實時數據和數據丟失。該水質監測系統數據大致流向，如圖3所示。

圖3 監測數據流程

此外，該監測系統按照“以人為本”的用戶體驗理念設計了數據交互系統（Data Interaction System），監測數據界面提供最新的水質監測數據，并自動將超標水質及污染因子的超標倍數用紅色顯著標識，系統界面上方同步反映了監測站編碼、名稱、政區和時間的檢索，點擊“重置”即可清空檢索條件，點擊“導出”就能將監測數據導出至本地，實現了人與產品及服務之間有意義的關系。

水質分析評價主要是針對東營市所有水質站點的監測信息提供各個維度的統計分析和水質報告的自動生成，其中統計分析維度包括達標率、水質變化情況、污染指標等[7]。其功能主要包括水質報告管理、統計分析和污染統計。水質報告管理是每個月初針對各政區上月水質站點的監測數據進行統計分析，并根據分析的信息自動生成一份報告，報告的內容主要包括水質站達標情況、水質變化情況以及水質站點的監測數據詳情，幫助工作人員了解上月水質站點的水質概況以及變化情況，更好地掌握水質信息。統計分析可以提供給工作人員各行政區劃不同月份水質概覽、達標率以及水質變化情況和不同年度水質達標率的同比及環比情況。此外，對不同污染指標出現的污染次數也進行了統計，這可以幫助工作人員了解不同政區最為常見的污染事件。污染統計可以提供給工作人員各水質站點不同污染指標的污染次數，同時提供各水質站點不同污染指標污染次數的對比情況，幫助工作人員了解各個水質站點的主要污染物，從而能夠有針對性地去開展水污染治理工作。

上述3 種評價功能模塊均能實現人機交互式運行，且都能按照工作人員要求實時導出一手數據。水質報告管理模塊和污染統計模塊均按照列表的形式展示了水質報告和污染狀況信息，并按照報告編號倒序進行排序，提供政區、報告以及報告時間作為查詢條件。統計分析模塊則按照“可視化報告”的形式將水質分析數據反饋給相關人員，以多種統計圖相結合的方式展示了水質相關的各類統計信息，提供政區、月份以及年份作為查詢條件。通過該模塊，可以選擇不同的月份查看各水質站的水質等級分布、水質達標率以及較上月水質變化情況，也可以選擇不同的年份查看水質達標率的同比及環比情況和污染指標的出現次數等。

3.3 預警管理體系設計

預警管理模塊包含超標預警、預警響應、事后評估等，如圖4 所示。超標預警主要是提供給值班人員對已經出現的水質超標預警信息進行預警發布的功能，并能夠對水質超標預警信息進行統一的管理，提供包括查詢、預警發布以及導出等功能。預警響應主要是提供給工作人員對已經發布的超標預警信息進行響應的功能，并能夠對已發布的超標預警信息進行統一的管理。

圖4 預警管理模塊

3.4 使用端接口體系設計

兩河水環境監測與告警系統使用端分為PC 端和 App 端，其中 PC 端采用 B/S 結構開發、App 端提供H5 頁面集成在防汛排澇智慧調度系統中的移動App 中，2 個使用端都提供友好的用戶界面，采用HTTP 協議實現用戶與程序之間的操作指令、數據交換[8]。其中，PC 端的各種操作通過瀏覽器實現，App 端通過Android 或者IOS 的移動端設備安裝智慧水務App實現，數據格式都是以JSON格式字符串的形式通過HTTP協議進行數據傳輸。

在用戶接口部分，根據需求分析的結果，用戶需要一個友善的用戶界面。在前端界面設計上，應做到簡單明了、易于操作，并且注意界面布局，突出顯示重要或者出錯的信息，采用頂部下拉式菜單方式列出所有的功能。同時，運行出錯時應以標準形式給出出錯提示，各功能的操作界面參見功能設計中的交互設計。總的來說，系統的用戶界面應做到可靠性、簡單性、易學習和使用。

在外部接口中，主要介紹前端界面組件和防汛排澇智慧調度系統。前端界面組件使用的外部組件有天地圖、高德地圖和Echarts。天地圖WebAPI 是一套由JavaScript 語言編寫的應用程序接口，使用它能夠制作各種地圖圖層，為兩河水務一張圖上的應用提供支撐。高德地圖JSAPI是一套采用JavaScript語言開發的地圖應用編程接口，移動端、PC 端一體化設計，一套API兼容眾多系統平臺，為大屏上自定義深色底圖和移動端地圖顯示提供支撐。通過防汛排澇智慧調度系統統一管理兩方系統的用戶體系，由防汛排澇智慧調度系統統一的登錄界面進行登錄，登錄成功生成用戶與Token 關系，并在調整本系統頁面時將Token 傳遞過來，本系統接收傳遞過來的Token，后續系統請求都攜帶著Token，在后臺通過接口的方式請求防汛排澇智慧調度系統去驗證Token 的有效性以及Token 代表的用戶，本系統再根據得到的用戶所屬權限去處理數據，兩方數據方面的權限由各自管理。

4 結語

隨著“十四五”規劃的展開，進一步加強我國水利工程建設又迎來了新的挑戰，縣市兩級智慧水務信息化建設迫在眉睫。從長遠看，破解體制束縛、實現數據共享、全面科學部署和完善總體方案是完成新一輪智慧水務創新性建設的總抓手。

該智慧水務系統集監測與告警為一體，對保障東營市兩河流域河道沿岸的水質安全、水環境生態多樣性和經濟社會可持續發展具有重要意義。該智慧水務系統的成功建設對該流域治理實現智能化管控打下了堅實基礎。

根據對目前我國水環境河道智慧水務實施情況開展調查研究發現，當前水務信息系統沒有一套通用的參考標準，無法形成一套統一的建設體系，設計人員多在參考其他行業的標準來編制規范。所以，針對上述情況，我國智慧水務系統建設迫切需要出臺河流流域水環境體系下的智慧水務的設計標準、導則，建立統一的技術標準和權威的導則，以利于提高智慧水務信息系統建設與應用的整體水平。