(1.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611； 2.廣東華南水電高新技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510611)

1 概 述

2011年中央一號(hào)文件提出要“加強(qiáng)水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，為強(qiáng)化監(jiān)督考核提供技術(shù)支撐”。2012年《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》提出“加強(qiáng)取水、排水、入河湖排污口計(jì)量監(jiān)控設(shè)施建設(shè)”，“加快應(yīng)急機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，全面提高監(jiān)控、預(yù)警和管理能力”。通過(guò)國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)一期項(xiàng)目，我國(guó)水資源監(jiān)控手段缺乏、水資源管理基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的狀況得到明顯改善，水資源管理水平有了大幅提升。

受項(xiàng)目投資規(guī)模、建設(shè)重點(diǎn)等因素的制約，目前中小型水庫(kù)水量水質(zhì)自動(dòng)化監(jiān)控、信息化管理手段仍存在短板，基礎(chǔ)設(shè)施不足，監(jiān)控手段缺乏，難以支撐實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的要求。為實(shí)時(shí)掌握中小型水庫(kù)取水、用水、排水動(dòng)態(tài)和水質(zhì)狀況，為最嚴(yán)格水資源管理制度考核提供手段和依據(jù)，建設(shè)中小型水庫(kù)水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)顯得十分迫切。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

通過(guò)在庫(kù)區(qū)及下游進(jìn)行水量、水質(zhì)和排污口圖像監(jiān)控等信息化建設(shè)，對(duì)水庫(kù)水資源開(kāi)發(fā)利用、用水效率和限制納污等管理提供全面、高效技術(shù)支撐，為實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度和“三條紅線(xiàn)”指標(biāo)考核打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具體包括：干渠渠首布設(shè)量水堰和水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，對(duì)水庫(kù)下游灌區(qū)灌溉用水進(jìn)行水量監(jiān)測(cè)，以準(zhǔn)確掌握灌溉用水情況；庫(kù)區(qū)建設(shè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)pH值、溫度、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率等常規(guī)五項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并配備便攜式水質(zhì)分析儀，對(duì)庫(kù)區(qū)或下游河道、干渠、入河排污口等監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)開(kāi)展巡測(cè)，以及應(yīng)對(duì)COD、氨氮、總磷等水污染突發(fā)事件開(kāi)展應(yīng)急監(jiān)測(cè)；對(duì)入河排污口進(jìn)行圖像監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握排污動(dòng)態(tài)，為有關(guān)部門(mén)及時(shí)制止排污提供佐證材料和參考依據(jù)；建設(shè)水量水質(zhì)監(jiān)控軟件平臺(tái)，具備信息匯集與管理、水量水質(zhì)信息綜合展示、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能。

2.2 總體架構(gòu)

中小型水庫(kù)水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)分為四個(gè)層次(見(jiàn)圖1)。

圖1 中小型水庫(kù)水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2.1 采集層

完成水量、水質(zhì)及排污口圖像信息的采集和傳輸，以及相關(guān)基礎(chǔ)信息、業(yè)務(wù)信息的收集和整編，各類(lèi)水資源管理要素空間信息采集。

2.2.2 數(shù)據(jù)層

完成各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)是各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)際載體，為應(yīng)用層提供各類(lèi)數(shù)據(jù)。

2.2.3 應(yīng)用層

基于地理信息系統(tǒng)，向用戶(hù)提供水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，以及相關(guān)信息的歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)警預(yù)報(bào)等。

2.2.4 用戶(hù)層

系統(tǒng)用戶(hù)包括水利(務(wù))局用戶(hù)、水庫(kù)管理處用戶(hù)、環(huán)保等部門(mén)用戶(hù)和其他用戶(hù)。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

參照國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)貫通的要求，并按照實(shí)際需要進(jìn)行拓展。中小型水庫(kù)水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)水量、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站采集的相關(guān)實(shí)時(shí)信息及水質(zhì)巡測(cè)信息，具體包括取用水監(jiān)測(cè)信息類(lèi)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)信息類(lèi)；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)水庫(kù)、測(cè)站、灌區(qū)、渠道、取用水口、排污口、監(jiān)測(cè)斷面等基礎(chǔ)信息及各類(lèi)水資源管理要素之間的關(guān)聯(lián)信息；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)取水許可管理、水資源管理監(jiān)督考核、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)等水資源管理業(yè)務(wù)信息；多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)文件文檔、排污口圖像等信息；空間數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)各類(lèi)要素空間位置信息。

3 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)

中小型水庫(kù)水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)站包括渠道渠首水量監(jiān)控站、水質(zhì)監(jiān)控站、排污口圖像監(jiān)控站三類(lèi)。

3.1 水量監(jiān)控站點(diǎn)

受渠道監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝環(huán)境和投資影響，在渠首水流平緩、斷面較規(guī)則的位置布設(shè)量水堰和水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。量水堰型式如圖2所示。

圖2 量水堰基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖2所示量水堰是一種改進(jìn)型寬頂堰，由前坡段、水平段和后坡段組成，其水量計(jì)量根據(jù)文丘里槽量水原理，即水流經(jīng)過(guò)量水堰時(shí)在中部水平段形成急流，這時(shí)下游水位在一定幅度范圍內(nèi)變化時(shí)不影響上游水位和流量，上游水位和流量存在明確的單一相關(guān)關(guān)系，測(cè)量上游水位即可計(jì)算出流量。

在量水堰上游0.5～1.0m水流平緩處設(shè)置水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)水位值，通過(guò)RTU數(shù)傳設(shè)備傳輸至數(shù)據(jù)中心，在數(shù)據(jù)接收端根據(jù)率定的水位流量關(guān)系自動(dòng)換算成流量值。

3.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)

在水庫(kù)庫(kù)區(qū)建設(shè)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)常規(guī)五項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并配備便攜式水質(zhì)分析儀，對(duì)COD、氨氮、總磷等指標(biāo)進(jìn)行定期巡測(cè)。

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站由太陽(yáng)能板、蓄電池、遙測(cè)終端機(jī)、水質(zhì)傳感器、不銹鋼水箱、逆變器、潛水泵等構(gòu)成。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站布設(shè)位置可依托水庫(kù)已有設(shè)施，安裝在水位塔內(nèi)。若水庫(kù)水位年度變化較大，可考慮將潛水泵放置于水庫(kù)死水位偏上位置。水箱放置在水位塔內(nèi)，用來(lái)保存采集的水樣。水質(zhì)傳感器安裝在水箱上，與水樣接觸。終端機(jī)定時(shí)控制潛水泵抽水，將水抽取到水箱中，水質(zhì)傳感器測(cè)出水質(zhì)參數(shù)后，將數(shù)據(jù)通過(guò)電纜線(xiàn)接入終端機(jī)，編碼加密后將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。測(cè)定后水樣從水箱溢水口溢出排入水庫(kù)。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)

由于采用太陽(yáng)能供電方式，潛水泵功耗很大，因此，考慮1天抽水3次，即1天測(cè)量3次水質(zhì)數(shù)據(jù)。

為解決水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)指標(biāo)不足以及水污染突發(fā)事件時(shí)應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要，配備監(jiān)測(cè)COD、氨氮、總磷等指標(biāo)的便攜式水質(zhì)分析儀，監(jiān)測(cè)頻次根據(jù)水資源管理特點(diǎn)而定。監(jiān)測(cè)完畢后，工作人員登錄水量水質(zhì)監(jiān)控軟件平臺(tái)，通過(guò)水質(zhì)巡測(cè)模塊錄入水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.3 排污口圖像監(jiān)控站點(diǎn)

在庫(kù)區(qū)和水庫(kù)下游入河排污口進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控，通過(guò)拍攝高清圖像，從視覺(jué)感官上第一時(shí)間判別排污口排污情況。攝像頭對(duì)準(zhǔn)入河排污口，每小時(shí)拍攝一張圖片，實(shí)時(shí)傳輸至系統(tǒng)平臺(tái)展示。當(dāng)通過(guò)圖片初步判斷入河排污口可能排污時(shí)，根據(jù)相關(guān)預(yù)案要求，派工作人員攜帶便攜式水質(zhì)分析儀前往現(xiàn)場(chǎng)檢查，開(kāi)展應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

中小型水庫(kù)水量水質(zhì)監(jiān)控軟件平臺(tái)包括綜合監(jiān)視、基礎(chǔ)信息、水質(zhì)巡測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)警預(yù)報(bào)五個(gè)模塊。

4.1 綜合監(jiān)視

基于地理信息系統(tǒng)展示水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站采集的水量、水質(zhì)、圖像等信息。水量信息展示各渠道監(jiān)測(cè)的水位、流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和水位流量過(guò)程線(xiàn)。水質(zhì)信息展示水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站采集的水質(zhì)常規(guī)五項(xiàng)指標(biāo)信息，并與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較，判斷水質(zhì)類(lèi)別、是否超標(biāo)、超標(biāo)物及超標(biāo)倍數(shù)。實(shí)時(shí)圖像展示拍攝的排污口圖片，可點(diǎn)擊圖片放大判斷。

支持測(cè)站定位、歷史監(jiān)測(cè)信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析等操作。實(shí)時(shí)圖像具備“召測(cè)”功能，通過(guò)遠(yuǎn)程接口，實(shí)時(shí)拍攝最新圖片。

4.2 基礎(chǔ)信息

基礎(chǔ)信息包括水庫(kù)、測(cè)站、灌區(qū)、渠道、取用水口、排污口、監(jiān)測(cè)斷面等基礎(chǔ)信息及對(duì)各類(lèi)信息相關(guān)關(guān)系進(jìn)行展示、管理和維護(hù)。支持對(duì)這些信息的查詢(xún)、增加、修改、刪除等操作。

4.3 水質(zhì)巡測(cè)

水質(zhì)巡測(cè)主要是為開(kāi)展庫(kù)區(qū)或下游河道、干渠水質(zhì)巡測(cè)以及水污染突發(fā)事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)錄入功能。數(shù)據(jù)錄入時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將錄入的水質(zhì)數(shù)據(jù)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)進(jìn)行比較，判斷水質(zhì)類(lèi)別和水質(zhì)是否超標(biāo)、超標(biāo)物及超標(biāo)倍數(shù)。支持歷史巡測(cè)信息查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)分析。

4.4 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析包括三個(gè)子模塊：流量趨勢(shì)、累計(jì)流量和水質(zhì)分析。流量趨勢(shì)展示長(zhǎng)時(shí)段水位流量過(guò)程線(xiàn)，通過(guò)水位流量變化趨勢(shì)及歷史同期對(duì)比分析，結(jié)合灌區(qū)作物需水規(guī)律，對(duì)未來(lái)需水量作初步判斷。累計(jì)流量展示各渠道流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)類(lèi)型包括年、月、日，通過(guò)柱狀圖、餅圖等多種形式展示取水總量、歷年對(duì)比分析情況。水質(zhì)分析展示各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)詳情，按照指定時(shí)間段對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)類(lèi)別包括按水質(zhì)類(lèi)別統(tǒng)計(jì)、按是否合格統(tǒng)計(jì)等。

4.5 預(yù)警預(yù)報(bào)

預(yù)警預(yù)報(bào)可對(duì)水量、水質(zhì)超閾值情況進(jìn)行預(yù)警。添加聯(lián)系人及手機(jī)號(hào)，設(shè)置超警閾值，一旦出現(xiàn)流量、水質(zhì)超標(biāo)等情況，將發(fā)送固定格式的預(yù)警手機(jī)短信至相關(guān)人員手機(jī)上。在軟件平臺(tái)上通過(guò)閃爍、聲音等方式同步預(yù)警。

5 系統(tǒng)應(yīng)用效果

溫公水庫(kù)位于廣東省梅州市，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖的中型水庫(kù)。溫公水庫(kù)建設(shè)了3個(gè)渠道水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、1個(gè)庫(kù)區(qū)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站(并配有1套便攜式水質(zhì)分析儀)、3個(gè)入河排污口圖像監(jiān)測(cè)站、1套水量水質(zhì)監(jiān)控軟件平臺(tái)。目前，該系統(tǒng)已運(yùn)行兩年多，功能實(shí)用、性能穩(wěn)定，大大提升了水庫(kù)水量水質(zhì)監(jiān)控能力，為水庫(kù)水資源管理現(xiàn)代化奠定了基礎(chǔ)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 沈正,趙穎.珠江流域水資源管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)[J].人民珠江,2013(3):61-63.

[2] 王濤.無(wú)線(xiàn)圖像監(jiān)控系統(tǒng)在沈陽(yáng)市防汛工作中的應(yīng)用[J].中國(guó)水能及電氣化,2017,(4):33-38.