小型水库水质监测系统的设计

吴旺焱

(北京峡光经济技术咨询有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830043)

0 引 言

水库工程使天然径流完全改变为人工调控径流，满足综合利用的要求，极大的提高了水资源的利用率，提供了可靠的水源保障，有利于持续、稳定发展，对绿色生态建设也起到积极的推动作用。但是同时水库改变了径流，形成大面积静水，可能会导致水质恶化及水生植物和藻类蔓延，造成大范围的水污染，因此水库的水质情况的监测具有十分重要的意义。

目前国内大型水库的安全管理非常规范，各项监测系统齐全，但是由于小型水库建设标准低，缺乏有效的管理和维护，小型水库的水质情况不容乐观，因此面向小型水库的水质监测系统具有十分重要的意义，可以及时掌握水库水质变化情况，为水库的生态环境保护提供助力。文章以铁斯巴汗小型水库为例进行设计。

1 水库概况

铁斯巴汗水库位于托里县境内铁斯巴汗河出山口处，距托里县西南12KM。该水库规模为小(1)型水库，水库总库容110万m3，是一座以农业灌溉为主的山区水库，灌区设计灌溉面积333.33hm2，主要种植作物以小麦、苜蓿为主。目前该水库的安全监测主要为汛情监测和大坝工程安全监测，监测方式为人工监测。

为贯彻执行《中华人民共和国环境保护法》，防止土壤、地下水和农产品污染，保障人体健康，维护生态平衡，促进经济发展，特制定了《农田灌溉水质标准》，并且标准中全部技术内容为强制性。主要指标有五日生化需氧量(BOD5)、悬浮物、PH值、水温、氯化物、硫化物等。铁斯巴汗水库作为以农业灌溉为主的山区水库，水库水质的监测也具有十分重要的意义，文章拟设计一种水质监测系统作为水库安全运行管理的补充。铁斯巴汗水库作为旱作农田灌溉用水的主要水质指标如表1所示。

表1 灌溉用水水质指标

2 系统设计

系统整体架构由数据采集、数据中心和终端应用组成，共三个模块，系统架构如图1所示。

数据采集部分是系统的关键基础，通过在合适的地点部署适当数量的传感器节点，才能全面客观的实时采集水质信息，通过网络传输至数据中心。

数据中心是系统的大脑，通过大数据分析与数据挖掘，形成水质监测知识库。

终端应用是指管理人员可以通过WEB页面及手机APP查看实时监测情况及历史数据报表。

图1 系统架构图

3 水质监测传感器

水质检测的常见指标有温度、颜色与透明度、电导率、pH值、离子含量、固体含量、化学需氧量(COD)、生物体含量等[1]。通过光敏传感器、化学传感器以及生物传感器等敏感元件，可以实现监测水中有害化学物质、重金属含量以及微生物种群等各项指标，并将数据传送至管理中心进行汇总分析。

几种常用水质监测传感器：

TOC传感器：TOC也被称为总有机碳，它是分析水体样本中有机物污染情况的重要指标；

PH传感器：主要通过检测氢离子来获取水体的酸碱值，PH值是水体的一个重要指标，在水中pH值的允许范围一般在6.5-8.5之间。就天然水域而言，其pH值的变化范围是比较小的；

浊度传感器：通过测量透过水的光量来测量水中的悬浮固体，可以反映出水体受污染的情况；

溶解氧传感器：测量氧气在水中的溶解量。

BOD微生物传感器：BOD作为一项综合指标，主要用于对水体受到有机污染物污染的程度进行评价[2]。BOD微生物传感器可以将固定化氧电极、微生物等进行重组，根据其在水中耗费的溶解氧浓度进行测定，最后可获得BOD值。

余氯传感器：对水中余氯浓度进行检测。

4 功能模块

4.1 数据采集

水质监测系统的底层是数据采集，将水质传感器节点分布在水库监测区域内，动态组成Zigbee传感器网络，采集水的温度、PH值等多种指标参数，将采集的数据通过GPRS网络传输至数据中心[3-4]。

4.2 权限管理

水库大坝是一项重大的民生工程，其安全管理具有十分重要的意义，大坝的水质等信息也应该在安全保密范围内进行收集与管理，因此监测系统在数据安全层面要充分考虑人员权限使用问题，监测系统设计的角色主要包括系统管理员、技术员、普通用户。所有用户由系统管理员进行添加分配，保证用户入口安全。

普通用户只有查看数据展示等权限，接受系统预警信息。

技术员负责处理传感器节点传输的数据，并对传感器节点进行管理与维护。

4.3 水质监测知识库

将传感器节点采集的数据进行合理性检查及标准化处理，存入系统数据库，通过与历史数据的对比，结合实际情况，预测可能发生的水污染情况，为管理人员的决策提供数据支撑。同时将历史数据与数据分析结果及针对不同污染物、污染源的处理方法等存入水质监测知识库，将历史经验进行共享交流，方便新入职人员尽快熟悉业务工作。

4.4 数据分析

汇总传感器节点所上传的水质监测数据，并对数据进行建模分析。根据统计出的历年水质情况报表、污染物分析报表等，可以预测每年的污染高发期，提前进行干预；对污染物成分进行分析可确定污染物是由什么类型的企业所排放，减少追责摸排范围；对水质中的藻类生长状况进行分析，可以提前预防蓝藻的爆发等。

4.5 自动预警

影响水库水质情况的因素是多方面的，河流、雨水、生活废水、工业排污等，在水库的水质受到污染时，传感器节点采集的数据传输至数据中心，通过与历史数据及日常数据对比将会发现数据异常，系统会通过APP手机客户端、手机短信等方式提醒系统管理人员。

管理人员可通过APP实时查看水质监测数据的分析结果，及时了解水质情况，判断污染类型，及时通报相关部门，采取相应措施，防止污染扩散。

5 结 语

通过对铁斯巴汗小型水库水质监测系统的设计，补充完善了水库的安全管理工作，农田灌溉用水的水质好坏对土壤等环境具有一定的影响，受到污染的农田灌溉用水可能会通过农作物进而影响到人们的身体健康[5]。该系统能将实时水污染信息通过远程传输系统及时提供给有关部门，方便了环保部门的工作，可以更好的保护好水资源，具有一定的社会经济效益。