陳堃

（安徽省水利水電勘測設計院 安徽 合肥 230000）

生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的設計

陳堃

（安徽省水利水電勘測設計院 安徽 合肥 230000）

本文分析生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的總體需求，介紹了系統(tǒng)的設計思路，并詳細介紹系統(tǒng)的建設方案。系統(tǒng)通過對水質、水動力、氣象等對象的監(jiān)測，結合視頻監(jiān)控對濕地內外的水環(huán)境及生態(tài)進行監(jiān)測，積累大量原始數據，為濕地水生態(tài)修復的成功應用提供可靠的技術支撐。

濕地；水生態(tài)；系統(tǒng)集成

1　引言

合肥市巢湖沿岸水環(huán)境治理及生態(tài)修復工程位于合肥市濱湖新區(qū)，濕地面積約211萬m2，內設有子湖、水道、蘆葦等。工程實施并完成后續(xù)植物種植后，有利于保護耕地資源和減少湖泊淤積及氮磷流失；同時，生態(tài)濕地及水生植物可起到過濾、吸收及降解水體污染物作用，并可將藍藻堆積區(qū)推離近岸，有利于水體環(huán)境和濱水環(huán)境改善。

2　總體需求

為了確保生態(tài)濕地生態(tài)修復工程能長期有效地發(fā)揮作用，需構建濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過對濕地內外關鍵位置的水生態(tài)、水文、氣象等環(huán)境數據的實時監(jiān)測，及時掌握濕地的過濾、吸收及降解情況，并積累原始數據，以利后期對濕地型水生態(tài)修復模式進行研究分析。

2.1水質監(jiān)測需求

工程濕地上游為城市河道，主要污染源為生活污水及雨水，將給濕地內湖帶來的大量有機物以及總磷、總氮等富營養(yǎng)物質。為了直觀地體現濕地凈化水質的效果，防止?jié)竦貎群话l(fā)性污染及藻類暴發(fā)，需對景觀濕地水質進行實時監(jiān)測。

2.2水動力監(jiān)測需求

濕地是具有半水半陸的過渡性生態(tài)環(huán)境及過渡性的水文情勢，水動力對浮游生物的數量、分布的影響十分明顯，水動力過程與理化因子是影響水體富營養(yǎng)化狀態(tài)和水華的暴發(fā)的重要因素，因此需要對流速及流向進行分層監(jiān)測，對關鍵點位的湖流水動力進行過程監(jiān)測。

2.3氣象監(jiān)測需求

氣候變化將直接影響到濕地面積、水質、結構和功能以及生態(tài)脆弱性等。氣候的變化可能導致濕地水位波幅增大，對濕地生態(tài)造成影響。因此對濕地的各項氣象指標進行在線監(jiān)測，可以為濕地資源的有序開發(fā)提供技術支撐。

2.4視頻監(jiān)控需求

現場圖像也是水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要對象，它可以反映被監(jiān)測區(qū)域現場的水的污染情況，水的顏色，藍綠藻，水上漂浮物垃圾等情況，可以用于出現突發(fā)污染事件時候輔助遠程指揮現場應急處理。

2.5智能監(jiān)控需求

對濕地水環(huán)境的研究需要基于水質、水動力、氣象等數據的長期積累和分析，工程需要建立一套智能監(jiān)控平臺對所有數據信息進行統(tǒng)一管理和存儲，以便于對于濕地水生態(tài)變化情況的研究，為生態(tài)修復工程提供可靠的技術支持。

3　總體建設方案

根據總體需求，生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)構建，充分考慮各段濕地的出入口以及內湖各點的水生態(tài)及水文指標情況，同步對從水體分層生態(tài)監(jiān)測、湖泊水文水動力監(jiān)測、氣象環(huán)境等方面進行綜合監(jiān)測，并構建完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。此外，在市水務局建立智能監(jiān)測系統(tǒng)平臺，對各個監(jiān)控點進行管理，對數據進行存儲和分析。

3.1系統(tǒng)層次結構

根據系統(tǒng)建設目標，構建系統(tǒng)框架，避免重復建設，為系統(tǒng)開發(fā)建設和行維護打下堅實的基礎。系統(tǒng)層次結構包括：應用層、應用支撐層、數據管理層、網絡傳輸層和數據采集層，層次結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)層次結構圖

3.2總體設計

3.2.1數據采集層

數據采集層的主要工作是通過設立在濕地內外水環(huán)境監(jiān)測點和視頻監(jiān)測點對各類信息進行采集，主要包括：水質信息、水文水動力、氣象及視頻信息的采集。

（1）水質監(jiān)控：對水質的監(jiān)測需通過長時間、連續(xù)高頻、不同層位同步觀測數據，分析濕地水溫的垂向分層特征，并通過同步監(jiān)測不同水溫層的葉綠素、藍綠藻、pH、溶解氧、電導率等指標，綜合分析水溫分層對各指標的影響因素。為此，水質監(jiān)測方式采用在監(jiān)測點安裝升降裝置，并搭載多參數水質傳感器實現對不同水位層面的水質監(jiān)測，從而充分了解淺水水體的各種物理、化學和生物指標分層特征。

（2）水文水動力監(jiān)測：淺水湖泊中，水動力對浮游生物的數量、分布的影響十分明顯。由于濕地內湖水流緩慢，流速低，流向不確定，用傳統(tǒng)的測流設備較難實現長期穩(wěn)定在線監(jiān)測。在本項目中，采用座底式安裝的四波束ADCP，向上發(fā)射波束，可測量安裝點垂線方向從水底到水面的各流層的流向及流速。

（3）氣象監(jiān)測：在濕地外主湖區(qū)監(jiān)測點位置部署一套氣象監(jiān)測系統(tǒng)，同步監(jiān)測影響濕地生態(tài)的主要氣象因素：降雨量、風速、風向、氣溫、氣壓、濕度等指標。

（4）視頻監(jiān)控：在濕地內水資源監(jiān)測點及其他重要位置設立視頻監(jiān)控點，對水面情況進行實時監(jiān)控。通過光纖網絡和無線網絡將視頻信息傳輸至控制中心進行展示和存儲。

3.2.2網絡傳輸層

網絡傳輸層主要負責信息的傳輸，由無線網絡和互聯網組成，可將實時數據傳回控制中心數據庫。其中，水環(huán)境監(jiān)測點由于建立濕地中或是湖區(qū)中，遠離岸邊無法采用有線傳輸方式，故采用4G無線通信方式傳輸數據。而設置在岸邊的視頻監(jiān)控點則通過光纖通信方式上傳視頻信息至控制中心。

3.2.3數據管理層

數據管理層負責對數據進行處理，通過設置專業(yè)數據庫和基礎數據庫滿足對不同類型海量數據的存儲管理要求。專業(yè)數據庫用來存儲水質、水動力、氣象等專業(yè)數據，基礎數據庫用以存儲空間和屬性數據。通過整合系統(tǒng)資源和數據資源，保證數據的完整性和一致性，并降低數據管理成本。

3.2.4應用支持層

應用支持層負責數據到應用的轉換，系統(tǒng)的實施在統(tǒng)一的技術架構體系下開展，應用統(tǒng)一的基礎支撐系統(tǒng)，實現單點登陸、風格一致的人機界面，在統(tǒng)一業(yè)務流程平臺的基礎上，實現各應用系統(tǒng)業(yè)務的整合，避免異構型系統(tǒng)帶來接口、互聯的額外工作。

3.2.5應用層

應用層主要包含的是智能監(jiān)測平臺的建設，平臺基于GIS技術，集數據采集、傳輸、存儲、應用分析、等為一體，實現濕地水環(huán)境自動監(jiān)控、信息查詢、分析和發(fā)布等功能，形成一個高度集成的水環(huán)境信息管理平臺。系統(tǒng)功能結構如圖2所示。

圖2　功能結構圖

（1）監(jiān)測信息在線展示。監(jiān)測信息在線展示是本工程系統(tǒng)在管理平臺上自動顯示各類信息（水質、水文、氣象、設備狀態(tài)），結合GIS地圖、表格和動態(tài)滾動信息框的形式來展示監(jiān)測點水環(huán)境的狀態(tài)，在地圖上的對應位置顯示各個監(jiān)測站的定時監(jiān)測信息或招測信息。

（2）歷史信息查詢。歷史信息查詢是對系統(tǒng)中的各種信息的直接查詢。

（3）遠程控制和設置功能。在前端監(jiān)控設備條件允許且用戶能夠提供相應硬件接口的情況下，系統(tǒng)平臺能適應已有的儀器的通訊規(guī)約，進行水環(huán)境監(jiān)測設備的遠程控制與設置，如校時、立即檢測、自動采樣頻率、標定、調整參數等。

（4）視頻實時監(jiān)控。系統(tǒng)在GIS地圖上集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻圖像，利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口實現對攝像機的遠程控制，對監(jiān)控過程中出現的嫌疑目標進行識別、報警并保存相關信息，及時發(fā)現污染事故。

（5）數據審核處理。按照水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范，對原始數據進行必要的邏輯性審核，剔除無效數據或修訂存在問題的數據，然后存儲到數據庫的核定庫中。

（6）數據分析和分布顯示。按指定的時段（年度、月度、周度、日）進行列表和圖形方式分析，列表分析將以表格方式給出上述數據，而圖形方式通過直方柱狀圖、曲線析線圖、餅圖等直觀地展現數據。

（7）超標報警。自動判斷相應監(jiān)控因子是否超標，超標時閃爍報警，并發(fā)送超標警報信息。警報信息內容包括監(jiān)測點名稱、位置、監(jiān)測時間、超標因子、超標濃度等。

（8）日報發(fā)布。為滿足預警監(jiān)測要求，系統(tǒng)提供日報生成功能，自動匯總統(tǒng)計當日所需的水質監(jiān)測結果，形成日報并發(fā)布。

（9）報表輸出。提供特定監(jiān)測點、區(qū)域在特定時間段內（年、季度、月）的各種常用報表（按照國家標準制定），并可查詢各種常用的類監(jiān)控報表（按照國家標準制定）。并提供報表打印輸出功能，能夠將界面上顯示的統(tǒng)計結果表格，所見即所得地打印出需要的報表。

（10）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理功能包含用戶權限管理、日志管理、系統(tǒng)參數設置等功能。

4　結束語

在本文所研究確立的系統(tǒng)總體框架的基礎上，已經完成初步設計，目前正在開展實施工作，計劃2016年系統(tǒng)投入使用。系統(tǒng)的建成有利于濕地型水生態(tài)修復模式的研究分析，最終可以在整個巢湖流域乃至全國范圍內的湖泊生態(tài)修復中進行成功應用。

[1]合肥市巢湖沿岸水環(huán)境治理及生態(tài)修復工程初步設計.安徽省水利水電勘測設計院，2013.

[2]劉曉茹，周懷東，李貴寶.水質自動監(jiān)測系統(tǒng)建設[J].中國水利，2004（9）：51～52.

[3]劉巍，楊航，鄭國臣，魯雪.濕地水質監(jiān)測技術與方法[J].東北水利水電，2011（28）：48～49.

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1673-0038（2015）36-0321-02

2015-8-22

陳堃（1981-），男，工程師，碩士，主要從事水利水電工作。