中小型水庫水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實踐

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

1 概 述

2011年中央一號文件提出要“加強水量水質(zhì)監(jiān)測能力建設(shè)，為強化監(jiān)督考核提供技術(shù)支撐”。2012年《國務(wù)院關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》提出“加強取水、排水、入河湖排污口計量監(jiān)控設(shè)施建設(shè)”，“加快應(yīng)急機動監(jiān)測能力建設(shè)，全面提高監(jiān)控、預(yù)警和管理能力”。通過國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)一期項目，我國水資源監(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。

受項目投資規(guī)模、建設(shè)重點等因素的制約，目前中小型水庫水量水質(zhì)自動化監(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，難以支撐實行最嚴格水資源管理制度的要求。為實時掌握中小型水庫取水、用水、排水動態(tài)和水質(zhì)狀況，為最嚴格水資源管理制度考核提供手段和依據(jù)，建設(shè)中小型水庫水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)顯得十分迫切。

2 總體設(shè)計

2.1 需求分析

通過在庫區(qū)及下游進行水量、水質(zhì)和排污口圖像監(jiān)控等信息化建設(shè)，對水庫水資源開發(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，為實施最嚴格水資源管理制度和“三條紅線”指標考核打下堅實基礎(chǔ)，具體包括：干渠渠首布設(shè)量水堰和水位自動監(jiān)測站，對水庫下游灌區(qū)灌溉用水進行水量監(jiān)測，以準確掌握灌溉用水情況；庫區(qū)建設(shè)水質(zhì)自動監(jiān)測站，對庫區(qū)水質(zhì)pH值、溫度、溶解氧、濁度、電導率等常規(guī)五項參數(shù)進行在線監(jiān)測，并配備便攜式水質(zhì)分析儀，對庫區(qū)或下游河道、干渠、入河排污口等監(jiān)測斷面的水質(zhì)開展巡測，以及應(yīng)對COD、氨氮、總磷等水污染突發(fā)事件開展應(yīng)急監(jiān)測；對入河排污口進行圖像監(jiān)測，及時掌握排污動態(tài)，為有關(guān)部門及時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，具備信息匯集與管理、水量水質(zhì)信息綜合展示、統(tǒng)計分析、預(yù)警預(yù)報等功能。

2.2 總體架構(gòu)

中小型水庫水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)分為四個層次(見圖1)。

圖1 中小型水庫水量水質(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

完成各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、處理并存入數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫是各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實際載體，為應(yīng)用層提供各類數(shù)據(jù)。

2.2.3 應(yīng)用層

基于地理信息系統(tǒng)，向用戶提供水量、水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，以及相關(guān)信息的歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、預(yù)警預(yù)報等。

2.2.4 用戶層

系統(tǒng)用戶包括水利(務(wù))局用戶、水庫管理處用戶、環(huán)保等部門用戶和其他用戶。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

參照國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫標準進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，滿足數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)貫通的要求，并按照實際需要進行拓展。中小型水庫水量水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫。

監(jiān)測數(shù)據(jù)庫用于存儲水量、水質(zhì)自動監(jiān)測站采集的相關(guān)實時信息及水質(zhì)巡測信息，具體包括取用水監(jiān)測信息類、水質(zhì)監(jiān)測評價信息類；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用于存儲水庫、測站、灌區(qū)、渠道、取用水口、排污口、監(jiān)測斷面等基礎(chǔ)信息及各類水資源管理要素之間的關(guān)聯(lián)信息；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫用于存儲取水許可管理、水資源管理監(jiān)督考核、業(yè)務(wù)統(tǒng)計等水資源管理業(yè)務(wù)信息；多媒體數(shù)據(jù)庫用于存儲文件文檔、排污口圖像等信息；空間數(shù)據(jù)庫用于存儲各類要素空間位置信息。

3 監(jiān)測站點建設(shè)

中小型水庫水量水質(zhì)監(jiān)測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。

3.1 水量監(jiān)控站點

受渠道監(jiān)測設(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)量水堰和水位自動監(jiān)測設(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型寬頂堰，由前坡段、水平段和后坡段組成，其水量計量根據(jù)文丘里槽量水原理，即水流經(jīng)過量水堰時在中部水平段形成急流，這時下游水位在一定幅度范圍內(nèi)變化時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，測量上游水位即可計算出流量。

在量水堰上游0.5～1.0m水流平緩處設(shè)置水位自動監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測水位值，通過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)系自動換算成流量值。

3.2 水質(zhì)監(jiān)測站點

在水庫庫區(qū)建設(shè)水質(zhì)自動監(jiān)測站，對庫區(qū)水質(zhì)常規(guī)五項參數(shù)進行在線監(jiān)測，并配備便攜式水質(zhì)分析儀，對COD、氨氮、總磷等指標進行定期巡測。

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

圖3 水質(zhì)自動監(jiān)測站結(jié)構(gòu)

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

為解決水質(zhì)自動監(jiān)測站監(jiān)測指標不足以及水污染突發(fā)事件時應(yīng)急監(jiān)測的需要，配備監(jiān)測COD、氨氮、總磷等指標的便攜式水質(zhì)分析儀，監(jiān)測頻次根據(jù)水資源管理特點而定。監(jiān)測完畢后，工作人員登錄水量水質(zhì)監(jiān)控軟件平臺，通過水質(zhì)巡測模塊錄入水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.3 排污口圖像監(jiān)控站點

在庫區(qū)和水庫下游入河排污口進行實時圖像監(jiān)控，通過拍攝高清圖像，從視覺感官上第一時間判別排污口排污情況。攝像頭對準入河排污口，每小時拍攝一張圖片，實時傳輸至系統(tǒng)平臺展示。當通過圖片初步判斷入河排污口可能排污時，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)場檢查，開展應(yīng)急監(jiān)測。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

中小型水庫水量水質(zhì)監(jiān)控軟件平臺包括綜合監(jiān)視、基礎(chǔ)信息、水質(zhì)巡測、統(tǒng)計分析、預(yù)警預(yù)報五個模塊。

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)測的水位、流量實時監(jiān)測信息和水位流量過程線。水質(zhì)信息展示水質(zhì)自動監(jiān)測站采集的水質(zhì)常規(guī)五項指標信息，并與水質(zhì)標準比較，判斷水質(zhì)類別、是否超標、超標物及超標倍數(shù)。實時圖像展示拍攝的排污口圖片，可點擊圖片放大判斷。

支持測站定位、歷史監(jiān)測信息查詢、統(tǒng)計分析等操作。實時圖像具備“召測”功能，通過遠程接口，實時拍攝最新圖片。

4.2 基礎(chǔ)信息

基礎(chǔ)信息包括水庫、測站、灌區(qū)、渠道、取用水口、排污口、監(jiān)測斷面等基礎(chǔ)信息及對各類信息相關(guān)關(guān)系進行展示、管理和維護。支持對這些信息的查詢、增加、修改、刪除等操作。

4.3 水質(zhì)巡測

水質(zhì)巡測主要是為開展庫區(qū)或下游河道、干渠水質(zhì)巡測以及水污染突發(fā)事件應(yīng)急監(jiān)測提供數(shù)據(jù)錄入功能。數(shù)據(jù)錄入時，系統(tǒng)自動將錄入的水質(zhì)數(shù)據(jù)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)進行比較，判斷水質(zhì)類別和水質(zhì)是否超標、超標物及超標倍數(shù)。支持歷史巡測信息查詢和統(tǒng)計分析。

4.4 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析包括三個子模塊：流量趨勢、累計流量和水質(zhì)分析。流量趨勢展示長時段水位流量過程線，通過水位流量變化趨勢及歷史同期對比分析，結(jié)合灌區(qū)作物需水規(guī)律，對未來需水量作初步判斷。累計流量展示各渠道流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，統(tǒng)計類型包括年、月、日，通過柱狀圖、餅圖等多種形式展示取水總量、歷年對比分析情況。水質(zhì)分析展示各項水質(zhì)指標詳情，按照指定時間段對水質(zhì)狀況進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計類別包括按水質(zhì)類別統(tǒng)計、按是否合格統(tǒng)計等。

4.5 預(yù)警預(yù)報

預(yù)警預(yù)報可對水量、水質(zhì)超閾值情況進行預(yù)警。添加聯(lián)系人及手機號，設(shè)置超警閾值，一旦出現(xiàn)流量、水質(zhì)超標等情況，將發(fā)送固定格式的預(yù)警手機短信至相關(guān)人員手機上。在軟件平臺上通過閃爍、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。溫公水庫建設(shè)了3個渠道水量自動監(jiān)測站、1個庫區(qū)水質(zhì)自動監(jiān)測站(并配有1套便攜式水質(zhì)分析儀)、3個入河排污口圖像監(jiān)測站、1套水量水質(zhì)監(jiān)控軟件平臺。目前，該系統(tǒng)已運行兩年多，功能實用、性能穩(wěn)定，大大提升了水庫水量水質(zhì)監(jiān)控能力，為水庫水資源管理現(xiàn)代化奠定了基礎(chǔ)，具有推廣應(yīng)用價值。

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

[2] 王濤.無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)在沈陽市防汛工作中的應(yīng)用[J].中國水能及電氣化,2017,(4):33-38.