生态湿地水环境智能监测系统的设计

陈堃

（安徽省水利水电勘测设计院 安徽 合肥 230000）

生态湿地水环境智能监测系统的设计

陈堃

（安徽省水利水电勘测设计院 安徽 合肥 230000）

本文分析生态湿地水环境智能监测系统的总体需求，介绍了系统的设计思路，并详细介绍系统的建设方案。系统通过对水质、水动力、气象等对象的监测，结合视频监控对湿地内外的水环境及生态进行监测，积累大量原始数据，为湿地水生态修复的成功应用提供可靠的技术支撑。

湿地；水生态；系统集成

1　引言

合肥市巢湖沿岸水环境治理及生态修复工程位于合肥市滨湖新区，湿地面积约211万m2，内设有子湖、水道、芦苇等。工程实施并完成后续植物种植后，有利于保护耕地资源和减少湖泊淤积及氮磷流失；同时，生态湿地及水生植物可起到过滤、吸收及降解水体污染物作用，并可将蓝藻堆积区推离近岸，有利于水体环境和滨水环境改善。

2　总体需求

为了确保生态湿地生态修复工程能长期有效地发挥作用，需构建湿地水环境智能监测系统，通过对湿地内外关键位置的水生态、水文、气象等环境数据的实时监测，及时掌握湿地的过滤、吸收及降解情况，并积累原始数据，以利后期对湿地型水生态修复模式进行研究分析。

2.1水质监测需求

工程湿地上游为城市河道，主要污染源为生活污水及雨水，将给湿地内湖带来的大量有机物以及总磷、总氮等富营养物质。为了直观地体现湿地净化水质的效果，防止湿地内湖突发性污染及藻类暴发，需对景观湿地水质进行实时监测。

2.2水动力监测需求

湿地是具有半水半陆的过渡性生态环境及过渡性的水文情势，水动力对浮游生物的数量、分布的影响十分明显，水动力过程与理化因子是影响水体富营养化状态和水华的暴发的重要因素，因此需要对流速及流向进行分层监测，对关键点位的湖流水动力进行过程监测。

2.3气象监测需求

气候变化将直接影响到湿地面积、水质、结构和功能以及生态脆弱性等。气候的变化可能导致湿地水位波幅增大，对湿地生态造成影响。因此对湿地的各项气象指标进行在线监测，可以为湿地资源的有序开发提供技术支撑。

2.4视频监控需求

现场图像也是水生态环境监测的重要对象，它可以反映被监测区域现场的水的污染情况，水的颜色，蓝绿藻，水上漂浮物垃圾等情况，可以用于出现突发污染事件时候辅助远程指挥现场应急处理。

2.5智能监控需求

对湿地水环境的研究需要基于水质、水动力、气象等数据的长期积累和分析，工程需要建立一套智能监控平台对所有数据信息进行统一管理和存储，以便于对于湿地水生态变化情况的研究，为生态修复工程提供可靠的技术支持。

3　总体建设方案

根据总体需求，生态湿地水环境智能监测系统构建，充分考虑各段湿地的出入口以及内湖各点的水生态及水文指标情况，同步对从水体分层生态监测、湖泊水文水动力监测、气象环境等方面进行综合监测，并构建完善的视频监控系统。此外，在市水务局建立智能监测系统平台，对各个监控点进行管理，对数据进行存储和分析。

3.1系统层次结构

根据系统建设目标，构建系统框架，避免重复建设，为系统开发建设和行维护打下坚实的基础。系统层次结构包括：应用层、应用支撑层、数据管理层、网络传输层和数据采集层，层次结构如图1所示。

图1　系统层次结构图

3.2总体设计

3.2.1数据采集层

数据采集层的主要工作是通过设立在湿地内外水环境监测点和视频监测点对各类信息进行采集，主要包括：水质信息、水文水动力、气象及视频信息的采集。

（1）水质监控：对水质的监测需通过长时间、连续高频、不同层位同步观测数据，分析湿地水温的垂向分层特征，并通过同步监测不同水温层的叶绿素、蓝绿藻、pH、溶解氧、电导率等指标，综合分析水温分层对各指标的影响因素。为此，水质监测方式采用在监测点安装升降装置，并搭载多参数水质传感器实现对不同水位层面的水质监测，从而充分了解浅水水体的各种物理、化学和生物指标分层特征。

（2）水文水动力监测：浅水湖泊中，水动力对浮游生物的数量、分布的影响十分明显。由于湿地内湖水流缓慢，流速低，流向不确定，用传统的测流设备较难实现长期稳定在线监测。在本项目中，采用座底式安装的四波束ADCP，向上发射波束，可测量安装点垂线方向从水底到水面的各流层的流向及流速。

（3）气象监测：在湿地外主湖区监测点位置部署一套气象监测系统，同步监测影响湿地生态的主要气象因素：降雨量、风速、风向、气温、气压、湿度等指标。

（4）视频监控：在湿地内水资源监测点及其他重要位置设立视频监控点，对水面情况进行实时监控。通过光纤网络和无线网络将视频信息传输至控制中心进行展示和存储。

3.2.2网络传输层

网络传输层主要负责信息的传输，由无线网络和互联网组成，可将实时数据传回控制中心数据库。其中，水环境监测点由于建立湿地中或是湖区中，远离岸边无法采用有线传输方式，故采用4G无线通信方式传输数据。而设置在岸边的视频监控点则通过光纤通信方式上传视频信息至控制中心。

3.2.3数据管理层

数据管理层负责对数据进行处理，通过设置专业数据库和基础数据库满足对不同类型海量数据的存储管理要求。专业数据库用来存储水质、水动力、气象等专业数据，基础数据库用以存储空间和属性数据。通过整合系统资源和数据资源，保证数据的完整性和一致性，并降低数据管理成本。

3.2.4应用支持层

应用支持层负责数据到应用的转换，系统的实施在统一的技术架构体系下开展，应用统一的基础支撑系统，实现单点登陆、风格一致的人机界面，在统一业务流程平台的基础上，实现各应用系统业务的整合，避免异构型系统带来接口、互联的额外工作。

3.2.5应用层

应用层主要包含的是智能监测平台的建设，平台基于GIS技术，集数据采集、传输、存储、应用分析、等为一体，实现湿地水环境自动监控、信息查询、分析和发布等功能，形成一个高度集成的水环境信息管理平台。系统功能结构如图2所示。

图2　功能结构图

（1）监测信息在线展示。监测信息在线展示是本工程系统在管理平台上自动显示各类信息（水质、水文、气象、设备状态），结合GIS地图、表格和动态滚动信息框的形式来展示监测点水环境的状态，在地图上的对应位置显示各个监测站的定时监测信息或招测信息。

（2）历史信息查询。历史信息查询是对系统中的各种信息的直接查询。

（3）远程控制和设置功能。在前端监控设备条件允许且用户能够提供相应硬件接口的情况下，系统平台能适应已有的仪器的通讯规约，进行水环境监测设备的远程控制与设置，如校时、立即检测、自动采样频率、标定、调整参数等。

（4）视频实时监控。系统在GIS地图上集成视频监控系统的视频图像，利用视频监控系统的接口实现对摄像机的远程控制，对监控过程中出现的嫌疑目标进行识别、报警并保存相关信息，及时发现污染事故。

（5）数据审核处理。按照水环境监测规范，对原始数据进行必要的逻辑性审核，剔除无效数据或修订存在问题的数据，然后存储到数据库的核定库中。

（6）数据分析和分布显示。按指定的时段（年度、月度、周度、日）进行列表和图形方式分析，列表分析将以表格方式给出上述数据，而图形方式通过直方柱状图、曲线析线图、饼图等直观地展现数据。

（7）超标报警。自动判断相应监控因子是否超标，超标时闪烁报警，并发送超标警报信息。警报信息内容包括监测点名称、位置、监测时间、超标因子、超标浓度等。

（8）日报发布。为满足预警监测要求，系统提供日报生成功能，自动汇总统计当日所需的水质监测结果，形成日报并发布。

（9）报表输出。提供特定监测点、区域在特定时间段内（年、季度、月）的各种常用报表（按照国家标准制定），并可查询各种常用的类监控报表（按照国家标准制定）。并提供报表打印输出功能，能够将界面上显示的统计结果表格，所见即所得地打印出需要的报表。

（10）系统管理。系统管理功能包含用户权限管理、日志管理、系统参数设置等功能。

4　结束语

在本文所研究确立的系统总体框架的基础上，已经完成初步设计，目前正在开展实施工作，计划2016年系统投入使用。系统的建成有利于湿地型水生态修复模式的研究分析，最终可以在整个巢湖流域乃至全国范围内的湖泊生态修复中进行成功应用。

[1]合肥市巢湖沿岸水环境治理及生态修复工程初步设计.安徽省水利水电勘测设计院，2013.

[2]刘晓茹，周怀东，李贵宝.水质自动监测系统建设[J].中国水利，2004（9）：51～52.

[3]刘巍，杨航，郑国臣，鲁雪.湿地水质监测技术与方法[J].东北水利水电，2011（28）：48～49.

X84

A

1673-0038（2015）36-0321-02

2015-8-22

陈堃（1981-），男，工程师，硕士，主要从事水利水电工作。