詹曉芳

摘 要：湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可快速且直觀地反映整個湖泊生態(tài)環(huán)境尤其是水質(zhì)環(huán)境的安全狀況，對湖體突發(fā)性污染及藍(lán)綠藻類的暴發(fā)作出預(yù)警，實現(xiàn)了對水質(zhì)和氣象等生態(tài)要素的實時監(jiān)測。文章介紹了湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測、水文參數(shù)和氣象監(jiān)測、視頻監(jiān)控、后臺軟件及客戶端的建設(shè)情況，以及湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；預(yù)警；實時監(jiān)測

水體溫度影響水中細(xì)菌的生長繁殖和水的自凈能力，是影響藻類地理分布的主要因素；自然界水體酸堿度（pH）在6～9，pH的變化主要由外界污染物質(zhì)引起；電導(dǎo)率表征水中無機離子的含量，如金屬離子、無機陰離子（Cl﹣）等離子的濃度變化后，會有明顯的變化；水體的泥沙含量的變化、藻類水華的產(chǎn)生，會引起濁度的變化。溶解氧表征水體的污染程度，是水體的重要指標(biāo)。

葉綠素a是藻類重要的組成成分之一，在一定程度上反映水質(zhì)狀況；藍(lán)綠藻又稱藍(lán)藻，大規(guī)模的藍(lán)藻爆發(fā)引起水質(zhì)惡化，藍(lán)藻中有些種類會產(chǎn)生毒素，除了對魚類、人畜產(chǎn)生毒害之外，也是肝癌的重要誘因。

總磷是水中各種形態(tài)磷的總量。過量磷是湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化和海灣出現(xiàn)赤潮的主要原因；總氮是水中各種形態(tài)無機和有機氮的總量，會使環(huán)境容量減小、生態(tài)環(huán)境脆弱；氨氮是水體中的營養(yǎng)素，也是水體中的主要耗氧污染物，在一定條件下會轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽易與蛋白質(zhì)結(jié)合形成亞硝胺，這是一種強致癌物質(zhì)。高錳酸鹽指數(shù)（CODmn）反映水體中有機及無機可氧化物質(zhì)污染的常用指標(biāo)。指標(biāo)數(shù)值越高，就表示水中有機污染物越嚴(yán)重。

湖泊作為地表水資源的重要組成部分，水污染問題預(yù)警和整治迫在眉睫。綜合考慮以上影響水質(zhì)生態(tài)的幾大關(guān)鍵要素，結(jié)合湖泊現(xiàn)有特性及對系統(tǒng)安全防范的需求，針對湖泊水質(zhì)監(jiān)測、水文參數(shù)監(jiān)測、氣象環(huán)境等方面進(jìn)行綜合監(jiān)測，并在項目范圍內(nèi)構(gòu)建完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而及時了解水污染情況，對于水資源尤其是淡水資源的監(jiān)測和治理顯得尤為重要。

用戶可以使用PC客戶端或手機客戶端通過Internet訪問后臺軟件，實時了解生態(tài)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場視頻，進(jìn)而提升地表水環(huán)境監(jiān)測，并實施湖泊地表水全過程的質(zhì)量控制，為生態(tài)環(huán)境的提前預(yù)警和有效治理提供有力的支持。

1 湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

1.1 水環(huán)境監(jiān)測

湖泊整體水深較淺，一般在2～6 m，湖面風(fēng)速較大。受風(fēng)力混合作用較強，湖泊水流交換劇烈，各種物理、化學(xué)和生物指標(biāo)分層特征不明顯，考慮到項目實際需求：搭載多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測傳感器，同步監(jiān)測水溫、電導(dǎo)率、溶解氧、pH、濁度、葉綠素、藍(lán)綠藻等水質(zhì)參數(shù)；搭載全自動原位營養(yǎng)鹽分析儀監(jiān)測湖泊總磷、總氮、氨氮等化學(xué)參數(shù)；搭載光譜法傳感器監(jiān)測湖泊CODmn參數(shù)。

1.2 水動力分層及氣象監(jiān)測

水動力和氣象要素對浮游生物的數(shù)量、分布的影響十分明顯。當(dāng)風(fēng)與湖流狀況變化時，浮游動物數(shù)量也隨之而變，水動力和氣象過程與理化因素是影響水體富營養(yǎng)化狀態(tài)和水華的暴發(fā)的重要因素，故在本項目中需構(gòu)建流速及流向分層監(jiān)測系統(tǒng)和氣象要素觀測系統(tǒng)，對觀測點的湖流水動力進(jìn)行過程監(jiān)測。由于湖泊水流流向不確定，且變化劇烈，因此采用聲學(xué)多普勒測流儀（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）監(jiān)測濕地內(nèi)湖水動力情況，對監(jiān)測點的各不同深度流層的流速、流向以及濕地水位進(jìn)行實時監(jiān)測。

聲學(xué)多普勒測流儀采用座底式安裝，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。湖泊的水深為2～3 m，選擇3 MHz的ADCP，單元層尺寸達(dá)到0.2 m以下，可獲取多層的分層流態(tài)數(shù)據(jù)，各層的深度、流速、流向數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備傳輸至數(shù)據(jù)庫，并在軟件平臺綜合展現(xiàn)，可實時掌握湖內(nèi)各點流態(tài)，并為后期分析提供數(shù)據(jù)支撐[1]。

氣象要素變化將直接影響到湖泊的生態(tài)。比如降水變化不足以補償溫度升高對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響，若湖泊受水位下降的影響，可能使藻類更容易聚集，水質(zhì)下降，易產(chǎn)生水華。區(qū)域和季節(jié)降水量的差異，可能導(dǎo)致湖泊水位波幅增大，調(diào)蓄洪水和濕地碳匯功能降低，生物多樣性受到威脅，生活習(xí)性發(fā)生改變，湖泊生態(tài)脆弱性增加。如浮游植物種類減少、鳥類繁殖期提前、遷徙方式改變，外來入侵物種大量繁殖等問題。因此，在本項目智能監(jiān)測系統(tǒng)中，對湖泊的各項氣象指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測，建立氣象數(shù)據(jù)庫，為湖泊流域濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)恢復(fù)、可持續(xù)發(fā)展以及湖泊流域水資源保護(hù)與利用、湖泊資源的有序開發(fā)提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

在各監(jiān)測點位置設(shè)置多套氣象監(jiān)測系統(tǒng)，以同步監(jiān)測影響湖泊生態(tài)的主要氣象因素：風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、濕度、降雨量等指標(biāo)。

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示全天候，無人值守，遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)需求在對水環(huán)境監(jiān)測參數(shù)超限的時候，實現(xiàn)和圖像的聯(lián)動；監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻圖像相結(jié)合，可實現(xiàn)與水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)同步監(jiān)控與同步鏈接綁定，當(dāng)看到數(shù)據(jù)報表的同時，可以查看當(dāng)時的視頻信息。人員登錄觀測平臺，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，回傳實時圖片數(shù)據(jù)。

1.4 后臺軟件及客戶端等

服務(wù)器上安裝數(shù)據(jù)接收軟件能實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動接收和儲存，無需人工操作，可顯現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視設(shè)備。數(shù)據(jù)處理軟件包括建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)自動入庫，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計，異常數(shù)據(jù)短信報警，儀器設(shè)備等移動短信和電話報警等功能。

2 功能實現(xiàn)

2.1 風(fēng)光互補供電系統(tǒng)

將功率400 W風(fēng)力發(fā)電機組和功率780 W光伏發(fā)電機組發(fā)電產(chǎn)生的電量儲存在免維護(hù)太陽能膠體蓄電池內(nèi)。蓄電池再輸出穩(wěn)定的電壓給用電設(shè)備。太陽能控制器采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）方式控制太陽能電池對蓄電池進(jìn)行限流限壓充電，在蓄電池電量較低時，采用限流充電。也就是太陽能充電電流小于限流點時，太陽能的能量全部給蓄電池充電。當(dāng)太陽能總電流大于限流點時，以限流點的電流給蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。在蓄電池電量較高時，采用限壓充電。也就是當(dāng)蓄電池電壓低于限壓點時，太陽能的能量全部給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到限壓點時，太陽能會以限壓點對蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。每月發(fā)電量20 kW·h（在風(fēng)速4.5 m/s時）；采用3種電壓轉(zhuǎn)換模塊（48～12、48～24、24～220）V，提供的電源能夠保證整個系統(tǒng)正常使用[2]。

2.2 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成：平臺監(jiān)控設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)、后端監(jiān)控服務(wù)器。平臺上安裝高速云臺攝像機日夜監(jiān)控水面狀況，視頻信息經(jīng)編碼器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由基站傳輸至后端監(jiān)控站。視頻需要2 M帶寬，無線網(wǎng)橋設(shè)備最大能提供10 M的帶寬，有效保障了視頻信號的傳輸。視頻監(jiān)控設(shè)備將接收到的視頻信息還原，在聯(lián)網(wǎng)后端監(jiān)控服務(wù)器上顯示，同時進(jìn)行視頻錄像操作。監(jiān)控計算機保障6天24小時的錄像存儲能力，提供錄像查詢、截圖等功能。

2.3 數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集控制器是生態(tài)觀測平臺的大腦，具備與遠(yuǎn)程控制能力和超強的穩(wěn)定性，是系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵部件。它具備數(shù)據(jù)自動補發(fā)功能，支持SDI-12設(shè)備協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)化配置，可存儲一年以上監(jiān)測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集控制器通過控制端口連接搭載在系統(tǒng)上的各設(shè)備，將水質(zhì)和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、水文參數(shù)測量數(shù)據(jù)及視頻信息等通過端口協(xié)議采用GPRS或3G等方式實時傳輸至用戶指定服務(wù)器，具備遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)分析功能。

2.4 遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)分析功能

2.4.1 遠(yuǎn)程控制功能

在服務(wù)器上安裝數(shù)據(jù)接收軟件能實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動接收和儲存，無需人工操作，數(shù)據(jù)處理軟件包括建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)自動入庫，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計，異常數(shù)據(jù)短信報警，設(shè)備移動短信或郵件報警等功能。用戶使用PC客戶端或手機客戶端通過Internet訪問后臺軟件，查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時掌握生態(tài)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場視頻動態(tài)。

2.4.2 數(shù)據(jù)分析功能

數(shù)據(jù)綜合分析包括日、周、月、季、年報表共5個報表，可以選擇數(shù)據(jù)類型如水質(zhì)、氣象數(shù)據(jù)、營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)等和數(shù)據(jù)日期，以及當(dāng)日數(shù)據(jù)的平均值、最大值、最小值。綜合選項中的“歷史數(shù)據(jù)”其實與實時數(shù)據(jù)類似，只不過它需要選擇一個時間段：為了方便查看某一段時間內(nèi)的數(shù)值變化趨勢，同時可以導(dǎo)出Excel表格、并且做出曲線，幫助用戶通過數(shù)據(jù)分析總結(jié)水質(zhì)氣象等安全狀況。

2.4.3 預(yù)警功能

當(dāng)湖泊水質(zhì)遇到某些異常狀況，生態(tài)要素測量值會突然升高，超出設(shè)定正常值的范圍，服務(wù)器接收到實時測量值的同時發(fā)出預(yù)警信號到預(yù)留的報警手機號碼上，用戶收到后可綜合分析并及時作出應(yīng)急響應(yīng)，對湖體突發(fā)性污染作出預(yù)警；藍(lán)綠藻暴發(fā)前夕，溶解氧、pH和葉綠素三生態(tài)要素的在線記錄數(shù)據(jù)都有異常波動，而且是同步增減，當(dāng)系統(tǒng)檢測到溶解氧、pH和葉綠素三要素同步變化較大時，服務(wù)器發(fā)出藍(lán)綠藻暴發(fā)預(yù)警信號；當(dāng)儀器設(shè)備因為風(fēng)浪較大或船只碰撞導(dǎo)致漂移出監(jiān)控區(qū)域后，系統(tǒng)發(fā)出儀器設(shè)備移動短信預(yù)警等。

3 結(jié)語

湖泊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)自從2017年12月9日正式投入運行以來，已連續(xù)自動監(jiān)測被測水體的變化情況，客觀地記錄水質(zhì)狀況并及時發(fā)現(xiàn)了水質(zhì)異常變化。通過在線監(jiān)測儀器對湖泊生態(tài)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行無人值守實時監(jiān)控，利用現(xiàn)代信息技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸和報告，及時、準(zhǔn)確地掌握湖泊水質(zhì)狀況和動態(tài)變化趨勢，成功實現(xiàn)了對水質(zhì)和氣象等生態(tài)要素的實時監(jiān)測。通過長期水質(zhì)監(jiān)測，總結(jié)規(guī)律特點，做到提早預(yù)警提早治理，嚴(yán)把生態(tài)環(huán)境質(zhì)量關(guān)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]國家環(huán)境保護(hù)總局.水污染物排放總量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[Z].國家環(huán)境保護(hù)總局，2002.

[2]國家環(huán)境保護(hù)總局.地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[Z].國家環(huán)境保護(hù)總局，2002.