中小型水库水量水质监控系统设计与实践

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611； 2.广东华南水电高新技术开发有限公司，广东 广州 510611)

1 概 述

2011年中央一号文件提出要“加强水量水质监测能力建设，为强化监督考核提供技术支撑”。2012年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》提出“加强取水、排水、入河湖排污口计量监控设施建设”，“加快应急机动监测能力建设，全面提高监控、预警和管理能力”。通过国家水资源监控能力建设一期项目，我国水资源监控手段缺乏、水资源管理基础设施薄弱的状况得到明显改善，水资源管理水平有了大幅提升。

受项目投资规模、建设重点等因素的制约，目前中小型水库水量水质自动化监控、信息化管理手段仍存在短板，基础设施不足，监控手段缺乏，难以支撑实行最严格水资源管理制度的要求。为实时掌握中小型水库取水、用水、排水动态和水质状况，为最严格水资源管理制度考核提供手段和依据，建设中小型水库水量水质监控系统显得十分迫切。

2 总体设计

2.1 需求分析

通过在库区及下游进行水量、水质和排污口图像监控等信息化建设，对水库水资源开发利用、用水效率和限制纳污等管理提供全面、高效技术支撑，为实施最严格水资源管理制度和“三条红线”指标考核打下坚实基础，具体包括：干渠渠首布设量水堰和水位自动监测站，对水库下游灌区灌溉用水进行水量监测，以准确掌握灌溉用水情况；库区建设水质自动监测站，对库区水质pH值、温度、溶解氧、浊度、电导率等常规五项参数进行在线监测，并配备便携式水质分析仪，对库区或下游河道、干渠、入河排污口等监测断面的水质开展巡测，以及应对COD、氨氮、总磷等水污染突发事件开展应急监测；对入河排污口进行图像监测，及时掌握排污动态，为有关部门及时制止排污提供佐证材料和参考依据；建设水量水质监控软件平台，具备信息汇集与管理、水量水质信息综合展示、统计分析、预警预报等功能。

2.2 总体架构

中小型水库水量水质监控系统分为四个层次(见图1)。

图1 中小型水库水量水质监控系统总体架构

2.2.1 采集层

完成水量、水质及排污口图像信息的采集和传输，以及相关基础信息、业务信息的收集和整编，各类水资源管理要素空间信息采集。

2.2.2 数据层

完成各类监测数据的接收、处理并存入数据库中。数据库是各种监测数据、基础数据、业务数据的实际载体，为应用层提供各类数据。

2.2.3 应用层

基于地理信息系统，向用户提供水量、水质监测结果，以及相关信息的历史数据、统计分析、预警预报等。

2.2.4 用户层

系统用户包括水利(务)局用户、水库管理处用户、环保等部门用户和其他用户。

2.3 数据库设计

参照国家水资源监控能力建设相关的数据库标准进行数据库设计，满足数据共享和数据贯通的要求，并按照实际需要进行拓展。中小型水库水量水质监控系统数据库包括监测数据库、基础数据库、业务数据库、多媒体数据库和空间数据库。

监测数据库用于存储水量、水质自动监测站采集的相关实时信息及水质巡测信息，具体包括取用水监测信息类、水质监测评价信息类；基础数据库用于存储水库、测站、灌区、渠道、取用水口、排污口、监测断面等基础信息及各类水资源管理要素之间的关联信息；业务数据库用于存储取水许可管理、水资源管理监督考核、业务统计等水资源管理业务信息；多媒体数据库用于存储文件文档、排污口图像等信息；空间数据库用于存储各类要素空间位置信息。

3 监测站点建设

中小型水库水量水质监测站包括渠道渠首水量监控站、水质监控站、排污口图像监控站三类。

3.1 水量监控站点

受渠道监测设备安装环境和投资影响，在渠首水流平缓、断面较规则的位置布设量水堰和水位自动监测设备。量水堰型式如图2所示。

图2 量水堰基本结构示意图

图2所示量水堰是一种改进型宽顶堰，由前坡段、水平段和后坡段组成，其水量计量根据文丘里槽量水原理，即水流经过量水堰时在中部水平段形成急流，这时下游水位在一定幅度范围内变化时不影响上游水位和流量，上游水位和流量存在明确的单一相关关系，测量上游水位即可计算出流量。

在量水堰上游0.5～1.0m水流平缓处设置水位自动监测设备，监测水位值，通过RTU数传设备传输至数据中心，在数据接收端根据率定的水位流量关系自动换算成流量值。

3.2 水质监测站点

在水库库区建设水质自动监测站，对库区水质常规五项参数进行在线监测，并配备便携式水质分析仪，对COD、氨氮、总磷等指标进行定期巡测。

水质自动监测站由太阳能板、蓄电池、遥测终端机、水质传感器、不锈钢水箱、逆变器、潜水泵等构成。水质自动监测站布设位置可依托水库已有设施，安装在水位塔内。若水库水位年度变化较大，可考虑将潜水泵放置于水库死水位偏上位置。水箱放置在水位塔内，用来保存采集的水样。水质传感器安装在水箱上，与水样接触。终端机定时控制潜水泵抽水，将水抽取到水箱中，水质传感器测出水质参数后，将数据通过电缆线接入终端机，编码加密后将数据发送至服务器。测定后水样从水箱溢水口溢出排入水库。水质自动监测站结构如图3所示。

图3 水质自动监测站结构

由于采用太阳能供电方式，潜水泵功耗很大，因此，考虑1天抽水3次，即1天测量3次水质数据。

为解决水质自动监测站监测指标不足以及水污染突发事件时应急监测的需要，配备监测COD、氨氮、总磷等指标的便携式水质分析仪，监测频次根据水资源管理特点而定。监测完毕后，工作人员登录水量水质监控软件平台，通过水质巡测模块录入水质监测数据。

3.3 排污口图像监控站点

在库区和水库下游入河排污口进行实时图像监控，通过拍摄高清图像，从视觉感官上第一时间判别排污口排污情况。摄像头对准入河排污口，每小时拍摄一张图片，实时传输至系统平台展示。当通过图片初步判断入河排污口可能排污时，根据相关预案要求，派工作人员携带便携式水质分析仪前往现场检查，开展应急监测。

4 系统功能设计

中小型水库水量水质监控软件平台包括综合监视、基础信息、水质巡测、统计分析、预警预报五个模块。

4.1 综合监视

基于地理信息系统展示水量、水质监测站采集的水量、水质、图像等信息。水量信息展示各渠道监测的水位、流量实时监测信息和水位流量过程线。水质信息展示水质自动监测站采集的水质常规五项指标信息，并与水质标准比较，判断水质类别、是否超标、超标物及超标倍数。实时图像展示拍摄的排污口图片，可点击图片放大判断。

支持测站定位、历史监测信息查询、统计分析等操作。实时图像具备“召测”功能，通过远程接口，实时拍摄最新图片。

4.2 基础信息

基础信息包括水库、测站、灌区、渠道、取用水口、排污口、监测断面等基础信息及对各类信息相关关系进行展示、管理和维护。支持对这些信息的查询、增加、修改、删除等操作。

4.3 水质巡测

水质巡测主要是为开展库区或下游河道、干渠水质巡测以及水污染突发事件应急监测提供数据录入功能。数据录入时，系统自动将录入的水质数据与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)进行比较，判断水质类别和水质是否超标、超标物及超标倍数。支持历史巡测信息查询和统计分析。

4.4 统计分析

统计分析包括三个子模块：流量趋势、累计流量和水质分析。流量趋势展示长时段水位流量过程线，通过水位流量变化趋势及历史同期对比分析，结合灌区作物需水规律，对未来需水量作初步判断。累计流量展示各渠道流量统计数据，统计类型包括年、月、日，通过柱状图、饼图等多种形式展示取水总量、历年对比分析情况。水质分析展示各项水质指标详情，按照指定时间段对水质状况进行统计分析，统计类别包括按水质类别统计、按是否合格统计等。

4.5 预警预报

预警预报可对水量、水质超阈值情况进行预警。添加联系人及手机号，设置超警阈值，一旦出现流量、水质超标等情况，将发送固定格式的预警手机短信至相关人员手机上。在软件平台上通过闪烁、声音等方式同步预警。

5 系统应用效果

温公水库位于广东省梅州市，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电、养殖的中型水库。温公水库建设了3个渠道水量自动监测站、1个库区水质自动监测站(并配有1套便携式水质分析仪)、3个入河排污口图像监测站、1套水量水质监控软件平台。目前，该系统已运行两年多，功能实用、性能稳定，大大提升了水库水量水质监控能力，为水库水资源管理现代化奠定了基础，具有推广应用价值。

[1] 沈正,赵颖.珠江流域水资源管理系统总体设计[J].人民珠江,2013(3):61-63.

[2] 王涛.无线图像监控系统在沈阳市防汛工作中的应用[J].中国水能及电气化,2017,(4):33-38.