水污染監測系統的設計和實現

郝志浪，趙 博，張瑜東，張 劍

（1.中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710100）

0 引 言

我國水環境面臨著水體污染、水資源短缺和洪澇災害等多方面壓力，水體污染加劇了水資源短缺，水生態環境破壞促使洪澇災害頻發。目前我國七大水系、主要湖泊、近岸海域及部分地區的地下水都受到了不同程度的污染，且具有影響范圍廣、危害嚴重、治理難度大等特征。在做好污染治理的同時，如何做好河流水質污染的實時監測，成為當前重點研究的方向[1-2]。蔣幸幸等人[3]重點從網絡角度，提出采用LoRa 實現海洋水質數據的采集。莊杰等人[4]側重于利用SFM600WS 水質分析儀對水質進行監測，并創新地提出水動力水質耦合模型，從而實現對水質污染分布的模擬。趙云峰等人[5]將BP 神經網絡應用到水污染分類中，從而為智能算法在水污染方面的應用提供了參考。以上研究成果分別從不同角度闡述了水污染檢測技術的應用，但水污染治理流程多、分布廣、鏈條長、關聯因素多，很難從一個維度來解決問題。本系統從數據采集、設備管理、在線監測、采樣檢測、統計分析、溯源管控等方面分析水污染情況，追溯源頭，降低河流污染，能夠有效地幫助水環境監管部門解決監管問題。

1 概 述

水污染監測系統按照國家、省、市、區（縣）水污染防治有關工作部署，以“政府統一領導、系統協調指揮、企業全面負責、部門協同應對”為指導思想，緊緊圍繞服務企業涉水隱患排查治理和城鎮污水處理廠系統的正常運行，以水量控制水質為基礎，以達標排放為原則，以流域生態保護與修復為目標[6-8]，建成縱向包括市/區縣、涉水企業、污水處理廠等，橫向包括住建、環保、水務、綜合執法等部門的資源共享、互聯互通的水污染防治監管系統，實現基礎信息規范完整、動態信息隨時調取、隱患排查自動提醒、執法過程便捷可溯、應急處置快捷可視，全面提升水污染防治智能化、信息化水平，加快推進水生態環境治理建設。

2 總體架構

按照“感知、分析、服務、指揮、監督”的信息化建設標準體系，結合數據采集、存儲、分析和應用的物聯網系統通用架構對系統總體架構進行搭建，如圖1所示。

圖1 總體架構

數據采集層主要完成設備數據、空間數據、實驗室數據、站點企業數據、在線監測數據及用戶數據的收集和入庫；數據支撐層由在線監測數據庫、設備數據庫、站點企業數據庫、實驗室檢測數據庫和用戶信息數據庫組成，將系統用到的各類結構化和非結構化數據分布存儲在數據服務器上，為業務支撐層提供數據支持；業務支撐層為業務運行、管理協同提供統一支撐，包括應用所需的資源共享、信息交換、業務訪問、業務集成、流程控制、安全控制和系統管理等多種基礎性和公共性的支撐服務；服務層是對空間數據和業務模塊進行服務發布，提供多種空間信息服務和網絡服務，包含矢量地圖服務、遙感影像服務、三維數據服務、Web 服務、數據流服務等；應用層是面向各類用戶提供水環境基礎設施服務的應用系統的集合，包括設備管理系統、在線監測子系統、實驗室管理系統、數據綜合分析系統和GIS 綜合應用系統，向各應用部門提供水環境基礎設施數據的查詢、統計、分析、綜合決策及空間分析等功能。

3 實現方法

3.1 設備管理子系統

設備管理子系統利用物聯網技術對設備監測數據、工作參數、運行狀態進行實時采集和控制，避免通過軟件進行污染源自動監控造成的數據作假行為，該方法在減輕環境監測、監察工作量的同時，實現對污染源自動監控設備的有效監管，提高在線監測數據質量[9]。功能主要包括站點管理、實時報警、實時監控、告警處理、診斷分析、遠程控制等。

（1）站點管理：按照區域、業務、設備種類三個維度對所屬單元的設備進行管理，為系統提供監測站點的數據、設備詳情、設備參數、診斷分析等詳細信息。

（2）實時報警：根據監測設備的狀態、監測設備參數的變化以及業務智能分析報警規則模型，對檢測設備上傳的數據進行多維度的分析，并設置模型的相關告警參數。當監測指標達到設置閾值時系統會推送不同級別的報警，并能夠查詢任意時段內的報警信息。

（3）實時監控：通過音視頻、智能相機、活體生物識別等信息采集終端對各監測站點的實時狀態進行監控。若企業通過修改工作參數改變監測數據值，則參數異常數據以紅色顯示。用戶可根據條件查詢監測站點實時監控情況，如設備實時狀態、異常時間、處理狀態、反饋情況等。

（4）告警處理：系統實時記錄各監測站點的報警信息，包括站點名稱、報警次數、任務時間、處理類型、最高等級、當前步驟、診斷描述等內容，用戶可根據告警類型和對應的處理措施直接進行下一步的處理操作。

（5）診斷分析：對于通過修改設備參數改變監測數據的行為，系統提供診斷分析功能，可完整查看設備參數修改前后監測數據的變化情況。

（6）遠程控制：完成對監測設備參數的范圍值設定以及監測設備的遠程控制，包括開關、參數校正、告警配置和命令下發等。

3.2 在線監測子系統

在線監測子系統負責匯聚各區域所有站點的監測數據，能夠對超標數據提供報警功能并可對水質進行分析，同時提供數據共享供其他子系統調用。

（1）數據實時監控：實時顯示區域內站點設備的運行狀態、監測指標值和當前水質類別，對超標數據突出展示。

（2）兩率報表：按時間段對系統設備運行率、數據正確率進行統計匯總形成報表。

（3）水質分析：按照時間段、區域、水質類別、項目類別、項目狀況，統計分析地表水的水質情況，包括但不限于斷面個數、污染程度、主要污染物、綜合污染指數、目標水質等分析。

（4）均值統計：按照時間段、流域統計水質監測數據的日均值、污染狀況、使用狀況等指標。

（5）超標快報：系統將超標情況的信息以超標快報（日報、周報）的形式反映給用戶，同時能顯示超標項目的超標倍數、最低目標和實測水質等信息。

3.3 實驗室管理子系統

實驗室管理子系統對采集的水質樣本（地表水、污染源）進行定量檢測分析。系統集樣品管理、儀器管理、試劑管理、任務管理、實驗記錄管理等諸多功能為一體，組成一套完整的實驗室綜合管理和質量監控管理系統。

（1）樣品管理：樣品檢測全流程的過程管理，包括樣品登記、接收、分配以及檢測結果錄入、復核、審查等檢測過程。

（2）儀器管理：完成實驗室各類儀器的信息化管理，可對其進行校驗、定期維護、預防性保養等服務。

（3）試劑管理：試劑作為質控樣品用于達到實驗分析過程中的質控目的，系統可對試劑進行管理，包括試劑的溯源、流轉和三廢處理等。

（4）任務管理：根據檢測業務和指標配置任務通知書，并對任務執行過程進行實時管控，包括任務來源、任務性質、檢測內容、質控要求、采樣器皿選擇、現場采樣、樣品交接、結果審核/復核及退檢確認等。

（5）實驗記錄管理：完成實驗原始記錄的復核功能，在復核實際記錄過程的同時可完成樣品復核的操作，并依據檢測項目自動生成原始記錄表。

3.4 數據綜合分析子系統

數據綜合分析子系統是以企業廢水排放量、廢水企業能耗、廢水企業落后產能等各類數據為基礎，結合物聯網設備在線檢測數據和實驗室測試報告，從多個維度統計分析污染源狀況，進一步提升污染源監控管理和自動監測水平。功能主要包括污染源總覽、超標分析、達標分析、站點運行情況分析等。

（1）污染源總覽：按照日、月、年三個時間維度，統計展現污染源企業總體情況，包括企業總數、廢水企業數量、污水廠數量、企業分布、各區域企業數量排名、年排放總量等。

（2）超標分析：按區域、行業、站點類別、控制級別等指標對一段時間內站點數據超標情況進行統計分析。

（3）達標分析：按行業、區域、站點對一段時間的達標排放情況進行對比、排名。

（4）站點運行情況分析：按區域、行業、站點類別、控制級別等對一段時間的站點運行情況（正常、超標、異常、停產等情況的數量、比例）進行統計分析。

（5）廢水減排分析：對納入減排計劃的企業按區域、行業、企業進行統計、排名、任務完成情況分析。

（6）廢水企業落后產能分析：結合產業發展實際和環境質量管理要求，統計分析鋼鐵、水泥、電解鋁、平板玻璃等行業落后產能運維情況。

3.5 GIS 應用子系統

GIS 綜合應用子系統是以GIS 系統為中心，實現廢水站點、污水廠、污水企業的匯集管理，并提供可視化的輔助決策建議，同時將GIS 系統、水污染模型、企業站點等進行數據整合、分析，完成水污染情況的快速溯源和統籌管理，提高綜合業務管理水平[10]。功能主要包括地表水斷面分析、水污染快速溯源、地表水統計、廢水概況、廢水統計等。

（1）地表水斷面分析：以列表的形式顯示所轄區域內所有的河流斷面、站點名稱、類別及魚類穩定生長情況，并在地圖上根據河流斷面水質類別自動標注河流斷面位置，能夠按照所屬區域、所屬河流、斷面名稱等條件進行具體定點定位查詢。

（2）水污染快速溯源：當監測到所轄區域內排污超標或環境惡化等問題時，可快速定位和追查源頭，并通過調查性監測、重點性監測、溯源性監測等業務流程上報結果。

（3）地表水統計：按照統計區域和河流斷面查詢某一時間段內某一流域相對應的具體河流斷面的水質類別情況。

（4）廢水分析：按照站點、行政區域、行業類別、控制級別等條件查詢全區域廢水污染源的概況和關聯信息，同時可在地圖上顯示每個站點和子區域廢水污染源數量以及主要污染物的排放量、百分比等具體情況。

（5）污水廠統計：根據污水廠的控制級別、污染物等條件查詢某一時間段的污水處理廠運行情況，可按照個數或者排放量進行統計顯示。

（6）排污企業詳情：根據行政區域、排污類型、企業名稱、控制級別、行業類別的圖例符號等條件可查詢相關的污染源企業信息，同時能夠定位空間位置。

4 結 語

水污染監測系統在物聯全面感知、數據充分整合、功能模塊緊密協同、分子系統異構集成、業務流程可流轉溯源的理念下實現了水污染監測的全流程管理。首先，從數據更新和互聯共享方面，考慮到生態環境部門作為水環境數據管理的主要部門，同時也要和其他行政管理部門進行數據共享和交換，提升數據利用價值的同時也能融合其他權屬單位的數據信息，實現及時、準確、完整地收集關聯基礎設施數據[11]，保證數據庫的準確性和完整性的同時也滿足了政務辦公“一個平臺，一張網”的規劃。其次，從水污染監測業務方面，設備管理子系統能夠實時多點監測目標水域的水質，實現提前預警和水污染事件的跟蹤，確保相關部門能夠及時明確污染源、污染程度以及污染過程，為國家保護水資源過程提供保障；GIS 綜合應用子系統可完成監管區域內各類企業的污水排放情況和落后產能的經濟效益情況，為管理者決策提供有效數據。最后，從“智慧環?！焙汀皵底终铡钡葒艺叻矫?，數據綜合分析子系統能夠提供一個可視化的數據統計分析平臺，可為“智慧環?！苯ㄔO提供重要的補充，為城市的優化設計、安全管理和科學發展提供輔助決策支持，系統具有很好的推廣應用前景。