水质动态/应急监测系统设计研究

孔 猛

（广西水利电力勘测设计研究院，广西 南宁 530023）

0 引言

另外，我国目前正处于经济的快速发展时期，突发性水污染事故时有发生，直接威胁着人民的生命安全和国家财产。相关研究表明：近 20 a 来（1991—2010 年），影响环境污染与破坏事故发生次数的外部因素数量在减少，且影响力度也有所减弱，但地区生产总值和工业企业数仍与环境事故数呈显著的正相关[2]。根据国家环保总局发布的信息表明，2001—2013 年共发生各类环境污染与破坏事故 5 606 次，其中水污染事故 3 235 次，占全部事故的 57.7%，每年污染事故造成数以千万计的经济损失[3]。2005 年发生的松花江水污染事件更是造成了国际影响。重大突发性水污染事件一般具有不确定的突发性，影响范围的广泛性和危害的严重性等特点，如果人们缺乏思想准备，不能及时采取防御措施，则对生态环境和人民生命财产安全构成巨大威胁[4]。因此，加强突发性水污染事故的防范工作及应急处理工作显得尤为重要和非常必要。应急监测作为应急处理工作的排头兵，可为应急决策提供依据，对判断污染源、污染范围及发展趋势具有重要的作用。而目前我国水环境监测水平与经济社会发展对水环境的要求相差较远，污染源情况底数不清，应急监测硬件设施有待提高，缺乏统一的技术规范，应急监测技术储备不足，缺乏统一布局的区域环境应急监测技术网络[5]等，迫切需要建设集采集、传输、分析、预报、决策支持、应急指挥于一体的应急监测系统，提高突发性水污染事件应急监测能力。

1 水质动态/应急监测数据和信息

1.1 水质动态/应急监测业务流程

水质动态/应急监测系统业务流程主要为完成河长制管理体制下的水环境动态监测及突发性水污染事件的应急监测和数据分析工作，能够应对各种条件下的动态监测及各类突发性水污染事件的应急预警、监测、预报是水质动态/应急监测系统的总任务。围绕上述总任务，需开展的主要业务工作包括信息的采集、报送、接收和处理，数据深加工，预报分析、服务、预警和预防工作。上述业务工作（配备相应的硬件设备和软件）和通信、计算机网络等应急指挥平台构成了水质动态和突发水污染事件应急监测的系统体系，其中，信息采集是基础，通信和计算机网络系统是技术支持和保障，数据处理、加工和预报应用则是应急监测系统的核心。系统业务流程如图 1 所示。

图 1 水质动态/应急监测系统业务流程图

1.2 信息和数据流程

水质动态/应急监测系统的信息主要来源于 2 个方面：1）通过系统现场采集的水质动态和应急监测信息（可称为内部信息）；2）从其它信息系统和水利行业外获取的信息，即外部系统接入信息（可称为外部信息）。信息的传输与处理遵循标准化的协议，以保证信息的相对完整性与一致性[6]。信息和数据流程为采集—传输—汇集—分析—展示—应用—管理，具体如图 2 所示。

2 水质动态/应急监测系统总体框架

图 2 水质动态/应急监测系统信息和数据流程图

2.1 系统框架层次结构

水质动态/应急监测系统通过对水质（水污染）信息的采集、传输、分析、预处理达到控制事件发展，消除危害，降低影响的目的，水质动态/应急监测系统应是一个既能掌握河流动态水质变化又能对突发性水污染事件全过程追踪的整体系统，包括对河流不固定断面不定期实施水质信息监测及针对突发性水污染事件的污染信息的采集、传输、分析预报、信息发布、专家决策、应急指挥，以及系统运行的管理维护和应急保障辅助。其总体框架可划分为 8 个层次和 2 个体系，8 个层次分别是采集传输层、计算机网络层、硬件设备层、数据资源层、应用支撑层、应急指挥层、业务应用层面和用户层；2 个体系分别是安全保障和标准规范体系。层次结构如图 3 所示。

2.2 系统组成

通过分析水质动态和应急监测的信息流程和构建系统所需的层次结构和保障体系，水质动态/应急监测系统应由信息采集及传输、决策支持、水污染分析预报、综合信息服务、应急指挥（应急指挥平台）、工作及安全保障共 6 个子系统组成，各子系统之间通过标准化的协议与接口相互结合，各子系统完成对某一过程的处理工作，子系统之间以信息为载体互为输入，形成信息流动通畅的双向运行系统。系统总体结构如图 4 所示。

3 各子系统设计

3.1 信息采集及传输系统

图 3 水质动态/应急监测系统框架层次结构

图 4 水质动态/应急监测系统总体框架示意图

水质动态/应急监测信息一般有水质、水量、断面环境、污染物动态信息等信息。采集系统基本结构包括 3 个部分：测站（点）、通信网及系统中心，如图 5 所示。信息采集系统的水量水质监测一般通过水位仪、流速仪、流量计、水质监测仪、水质分析设备等监测设备实现，其信息采集方式包括水质自动监测站自动、固定断面人工和移动动态监测，监测数据通过数据采集终端或人工处理，充分利用公网和已建的水文通信网组建水质监测系统信息传输网络，利用卫星通信技术，在应急监测现场设置卫星平台，组建应急监测通讯卫星网，为应急监测提供卫星传输信道。

水质动态/应急监测设备应体现动态和应急监测的特点，设备配置要针对辖区内或河段内发生概率大的重点污然物及国家排放标准规定的项目情况，进行仪器的合理配置。对于水质污染，应优先考虑选用检测管、化学比色法及综合水质监测仪器法[7]。对于重金属污染区应重点配置能监测砷、铜、汞、锌、镉、铅、铬、镍、铁等重金属的设备，重金属污染等无机污染应优先考虑选用检测管法、综合监测仪器法、离子计法及 IC 法等[8]；对于有机物污染区应重点配置能监测硝基苯类、甲醛、苯胺类、氯苯类、多环芳烃类等有机物的设备，应优先考虑选用检测管法、袖珍式检测管法、袖珍式监测器及便携式气相色谱法[7]。此外监测设备应最大限度适应野外或室外条件，采样方便准确，抗干扰能力强，受环境影响小，监测结果稳定可靠，具备模块化、自动化、信息化、网络化程度高的特点，部分设备应能达到无人值守自动监测，能实现长期连续在线监测。设备配置应以《水文基础设施建设及技术装备标准》[9]的规定为参考进行配置，能够进行《地表水环境质量标准》[10]中规定的基本和补充项目的分析与监测，根据河湖水域范围内常发生的主要污染物情况，选择性监测《地表水环境质量标准》中规定的特定项目。

图 5 采集层次基本框架示意图

3.2 决策支持系统

决策支持系统由应用支撑平台、数据库、数据汇集平台及应急资源管理系统组成，为动态和突发性水污染事件应急监测及处置提供决策支持。

程序模块，按下倒计时启动按键，利用单片机内部时钟进行60s倒计时，无线电能开始传送能量。当计时结束，主控板外围的继电器1导通，信号发送端停止发送。在该系统中，继电器1就相当于一个自动开关。

1）应用支撑平台。应用支撑系统是连接基础设施和应用系统的桥梁，是以应用服务器、中间件技术为核心的基础软件技术支撑平台，为应急监测业务应用提供统一的技术架构和运行环境，为上层应用建设提供基础框架和底层通用服务，为数据存取和数据集成提供运行平台。应用支撑系统主要由各类商用和开发类通用支撑软件共同组成。结构组成如图 6 所示。

图 6 应用支撑平台系统结构示意图

2）数据库。监测数据库由综合和元数据库组成，综合数据库包括实时水质、水量、外部交换实时动态（包括工情、气象、水环境、水文、水资源等数据）、水质应急管理基础（包括水质监测专家、应急人员、监测方法、典型水污染应急监测案例、危险源、危险品、应急物资等数据库）、基本信息（包括水功能区和水利工程基本数据库、水源地基础数据、排水行业数据等）、空间（主要控制断面到达路线、基础地理信息、水利专题要素及各类遥感影像和 DEM 等数据）和多媒体（影像、音、视频，以及政策法规、标准规范数据）等多个逻辑子数据库。元数据库将综合数据库中的数据进行分类及抽取，形成数据集、数据元数据。

3）数据汇集平台。数据汇集平台主要是实现水质、水量、断面环境等采集信息，以及其他水污染和综合管理信息接入，实现所有监测信息从监测现场和监测点向系统汇集的目标。水质监测数据汇集平台建设主要是汇集功能的建设和汇集范围的确定。主要包括实时水质、水量、水污染相关基本信息（主要有固定实验室水质、水污染相关基本、现场动态、其他系统等监测，综合管理的信息）上报功能的统一开发和汇集功能的完善。

4）应急资源管理系统。应急资源管理包括应急预案、实验室、应急物资、基础研究及信息的收集整理等管理。应急预案管理主要以区域主要大江大河和易发生突发性水污染事件的其他河流及主要饮用水水源地为单元，建立应急监测预案。接入区域范围内的水环境监测中心实验室管理系统，将实验室管理纳入应急监测系统，在突发性水污染事件发生后由应急监测系统统一调配。

3.3 水污染分析预报系统

水污染分析预报系统包括数据汇集平台、水污染预报软件平台、综合数据库、应用预报 4 个模块。以采集的基本信息为基础，以基本模型为计算平台，设计有计算机预报、实时预报追踪。建设包括常用水污染预测模型，以及水质评价和水环境容量计算模型和通用方法的模型库，根据预测河段的特性选择预测模型；建立主要河流控制断面预报方案库；开发人工试错和自动优选相结合的模型参数率定系统；开发人机图形界面的实时作业和自动预报系统。在突发性水污染事件发生后能够快速预报排污口或河道内任意地点污染物向下游的扩散时间、扩散面积、确定污染范围、污染程度及对下游取水口等所造成的污染影响等，并提供污染事故的风险分析和控制措施[11]。

水污染分析预报系统的核心是预报方案的编制，可分为预报模型选择、方案编制和参数率定 3 个阶段，3 个阶段主要工作内容如图 7 所示。

图 7 预报方案编制业务流程图

3.4 综合信息服务系统

基于应用支撑平台和门户技术，开发集各类水质、水情、气象、工情、灾情等信息于一体的水质监测综合信息服务系统。综合信息服务系统可在统一组织开发综合信息服务原型系统、统一定制的基础上，根据监测服务区域需要扩展部署到不同行政区或河段。综合信息服务系统可为各级水行政主管、环境管理部门，其他有关单位、用水户等用户提供各类信息服务。

通过整合水污染分析预报系统的信息服务功能，提供水质应急监测综合信息查询服务，实现水质监测信息的统一管理和导航，实现统一登录、应急监测信息的统一发布和水污染预报成果的内容汇聚。系统包括数据集成、整合查询、综合服务和门户应用 4 个部分，具体如图 8 所示。

图 8 综合信息服务系统总体框架示意图

3.5 应急指挥系统（平台）

移动应急指挥平台利用移动通信系统，将数据传输、语音、视频等功能集成在一起为动态和应急监测现场指挥和信息传输提供技术保障。应急指挥系统主要由 2 个部分组成：应急指挥移动站和固定站，总体架构如图 9 所示。

图 9 动态/应急监测指挥系统总体架构

应急指挥移动站由移动通信和现场应用信息平台 2 个部分组成。共同完成现场应急通信、指挥调度的任务。移动通信系统实现现场信息的上传和上级指挥调度指令的下达，保证各种业务的通信畅通。现场应用信息平台是现场应急指挥的基础，应急方案的制定是基于丰富的、实时的、准确的信息资源的基础上进行的。应急现场通信指挥车以机动车为载体，通过车载设备使用各种有线、无线方式获取声音，图像和数据，为车内或远程的领导和专家提供现场综合信息；利用 4G 移动通信手段与信息中心建立联系，实现话音、视频通信功能；实现信息中心数据共享和通信，可接入互联网。

3.6 工作及安全保障系统

包括系统的日常维护、人员培训和安全保障以保证各系统的正常运行。

4 结语

1）为完成水质信息的采集、传输、预报分析和处理，水质动态/应急监测系统应包含信息采集及传输、水污染分析预报、决策支持、综合信息服务、应急指挥、工作及安全保障系统等 6 个子系统，以及所需的仪器设备（移动实验室仪器设备、交通工具等）和应急通信仪器配置等。

2）水污染预测数学模型作为水污染分析预报系统的应用决策工具，对污染负荷的准确预报至关重要，模型选择受流域特点和资料采集情况影响较大，选择时需既注重理论也要准确实用。

3）水质动态/应急监测系统是河湖水质动态监测工作的系统保障，能为突发性水污染防治提供决策依据，是新形势下应对河长制目标考核及应对突发性水污染事件处置的有效手段。

4）建议在今后的研究中，需充分运用云计算、大数据、物联网、移动互联网等新技术，提高水质动态/应急监测系统的智能水平。