闽江流域水质自动监测预警预报平台功能开发应用

摘要：结合科研课题，在福建省现有地表水监控平台上拓展开发了闽江流域水环境预警预报功能。通过收集大量的闽江流域基础地理信息数据和历年水环境监测数据，并结合当前环境管理工作需要，对水质变化影响指标和预警实现功能进行了深入地分析研究，在此基础上，通过平台软件设计，增加实时小时值预警、未达考核目标预警、水质下降预警、水质趋势预警等功能，直观地在平台上警示，为各地提前预防污染事件和整治目标实现提供了有力的技术支持。

关键词：闽江流域； 预警预报； 功能； 开发应用

中图分类号：X830.2

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）16005805

1引言

闽江是福建省第一大河，全长541 km，流经三明、南平、福州等地级市，涉及30多个县（市、区）。流域面积约60992 km2，占全省面积的1/2。流域内经济社会发展在全省占有举足轻重的地位。为实时掌握闽江水环境质量和变化趋势，提高预警预报能力，福建省从2003年起启动水质自动站建设，目前闽江流域已建有39座水质自动站，占全省的近1/2。水站建成并投入运行后，对掌握水环境变化和污染预警，发挥了积极的作用。但从目前全省地表水监控平台预警功能来看，只能实时显示水质达标情况，缺乏进一步分析预判功能，预警功能单一，服务功能不显著。基于这种情况，通过省环保厅课题，联合福州、南平、三明监测站和聚光（杭州）科技有限公司科研人员，在现有省地表水监控平台上拓展开发闽江流域水环境预警预报功能。

2拓展预警功能研究

该课题研究开发主要是在现有全省地表水监控平台上拓展开发闽江流域水环境预警预报功能。增加的功能有实时小时值预警、未达考核目标预警、水质下降预警、水质趋势预警等。课题组通过收集大量的闽江流域基础地理信息数据和历年水环境监测数据，结合当前环境管理工作需要，利用SPSS统计软件，统计不同断面不同指标的浓度值范围，以及研究影响水质的各种因素，对不同断面提出不同的预警值，并建立适合闽江流域水质预警预报模式。

2.1实时小时值预警

通过课题研究确定了各水站断面对不同预警指标设置不同预警值和次数，基于现有的全省地表水水质自动监控平台，对水质监控平台中采集的实时小时数据，根据所构建的水质预警指标体系及规则，平台进行自动预警判断，并对预警指标超过预警设置值的，在平台上出具预警单。当地接警人员可对预警单进行查看，并派发有关部门对预警内容进行排查，在规定的时间内在平台预警单上进行反馈，供各级环境管理部门查询。

2.2未达考核目标预警

为加强流域水环境保护工作，全省近几年提出河长制，即各级政府主要负责人对当地水环境质量负责并进行年度考核。因此对照闽江流域各个水质考核断面的水质考核要求，对当年累计至今的水质类别不达考核目标的断面，系统会提前给出预警，并指出其影响水质的主要指标，供当地政府提前预防或整治。

2.3水质下降预警

按当年水质不能低于往年水质质量的原则，对各水站当年累计至今水质各污染物浓度均值较去年浓度均值升高（或变差）的指标进行预警。同时还对综合系数升高的水站进行预警，并指出水质下降指标及变化幅度。

2.4断面和河段趋势预警

平台基于时间序列模型，神经网络模型建立的水质预警预报数学模型，研究率定模型有关参数，对闽江流域主要河段及所有水站断面的水质进行预测，对预测的结果依据事先设定的预警规则提出预警。

3平台预警功能设计与实现

3.1运行环境设计

该课题涉及的主要应用与现有的自动水站监控平台息息相关，从用户操作的统一与一致性出发，将该课题的应用直接集成到现有的自动水站监控平台中。从而本平台运行环境直接使用已有监控平台的運行环境，只需另外配置一台模型服务器，用于水质预测后台计算。

模型服务器使用Linux （ ≥Kenerl 2.6.3 ）操作系统，同时支持Python 2.7及以上。

3.2平台总体架构

整个平台从架构层次上主要划分为智能感知层、基础设施层、数据资源层、平台服务层、应用软件层。详见图1。

3.3关键技术

3.3.1基于SOA进行系统设计，建立平台统一服务总线

考虑到闽江流域水环境管理业务的灵活性和可扩展性，由于各种政策、规定和部门职能范围经常调整，系统的业务功能和业务流程也会经常发生改变，平台建设应该考虑如何对新的业务需求做出及时和快速响应的问题；另外，平台与其它系统存在大量的信息关联，要进行信息及数据的交换，平台建设需要考虑在异构的系统间进行交互和协作的问题。

面向服务体系架构（Service-Oriented Architecture，SOA）是一种IT体系结构样式，采用“松散耦合”的应用程序组件，基于这种松散耦合的特性，将服务合为各种应用程序。SOA支持将数据应用作为链接服务或可重复的任务进行集成，在需要时通过网络访问这些服务和任务。各服务启动时都进行服务自注册，将自身的服务注册到系统的服务总线上。由服务总线将所有服务串在一起，统一管理，对外提供服务。各功能模块之间需要交换时，通过服务总线进行服务查找、服务调用。这样各功能模块之间实现了松耦合，并能在不影响其他模块的前提下，对新需求功能进行服务扩展。

3.3.2基于XML的数据交换规范

XML（eXtensible Markup Language，可扩展置标语言）是由W3C（World Wide Web Consortium，互联网联合组织）于1998年2月发布的一种标准，它是一种数据交换格式，允许在不同的系统或应用程序之间交换数据，通过一种网络化的处理机构来遍历数据，每个网络节点存储或处理数据并且将结果传输给相邻的节点。它是一组用于设计数据格式和结构的规则和方法，易于生成便于不同的计算机和应用程序读取的数据文件。endprint

3.3.3采用JAVA技術开发体系和J2EE技术平台

JAVA技术已成为解决大型应用的事实标准和通用主流编程语言，符合J2EE规范的应用服务器则是构建面向对象的多层企业应用的中间核心平台。因其具有易移植性，广开放性、强安全性和支持快速开发等特性，成为面向对象开发应用的首选平台。

J2EE平台提供了一个基于组件的方法来设计、开发、装配及部署企业级应用程序，并提供了多层的分布式的应用模型、组件再用、一致化的安全模型以及灵活的事务控制机制。

3.3.4基于SiteMesh的前端开发技术

使用基于Web页面布局的SiteMesh框架。前端组件的开发，基于CommonJS和AMD规范，符合jQuery插件扩展规范。在模块使用，组织上采用RequireJS来加载管理，实现JS文件的异步加载，可避免不必要的JS文件加载，提升网页浏览速度。同时能管理模块之间的依赖性，便于代码的编写和维护。

3.3.5基于ARIMA和LSTM的水质预测模型

水质预测模型使用了传统的自回归滑动平均（ARIMA）算法时间序列预测算法和LSTM（Long Short Term Memory）神经网络算法。结合Theano和TensorFlow深度学习框架，对模型预测准确性提供了很好的支撑。

3.4预警功能的实现

3.4.1实时小时值预警

根据所设置的水质预警指标体系及预警值，当水质断面超过所设定的预警值和次数时，平台能自动判断并出具预警单，供相关人员进行查看及处理（包括现场处置等）。见图2。

3.4.2断面未达标预警

根据所设置的年度考核目标，系统对当年累计至今其水质类别不达考核目标的断面自动提出预警，并指出其影响水质的主要影响指标。用户可自行选择任意时间段，查看该时间段内的断面未达标预警信息，并可进行导出。见图3。

3.4.3水质下降预警

（1）指标变差预警。系统实时计算各个污染指标的年度累积日均值（当年初至前一日的日均值），然后将该污染指标的累积日均值浓度与去年日均值浓度进行对比。对于变差的指标产生预警。用户可任意选择截止日期，查看当年截止至该日的各断面变差指标，并标注其变化程度。见图4。

（2）综合系数升高预警。综合系数分为河流综合系数和湖库综合系数，分别对应河流型断面和湖库型断面。将当年年初至截止日的综合系数与去年相比，若综合系数升高，则产生预警。用户选择截止日期，查看不同截止日的综合系数预警情况，同时系统将列举主要造成综合系数上升的指标与浓度。见图5。

3.4.4断面趋势预测

平台基于事先建立的时间序列水质预警预报数学模型，对断面水质进行预测并存储数据以供查询与分析。见图6。

3.4.5断面趋势预判

系统自动计算各个断面的今年至今综合系数（通过今年至今实测累计日均值计算而得）和预测综合系数（根据预测值计算而得），通过对比二者的值从而判断出断面水质的变化程度，并给出预警。见图7。

3.4.6河段趋势预判

在断面趋势预测的基础上，采用河段综合系数法对闽江流域的各个主要河段的水质变化趋势进行评判。河段综合系数通过河段内的主要断面的综合系数换算而得。系统自动计算河段综合系数的变化从而判断出河段水质的变化程度，并给出预警。见图8。

3.4.7预警报告

预警报告是对“闽江预警”所有主要信息的汇总，它包括了“预警预报统计表”和“趋势预判统计表”两大主表，分别收录了“平台预警单结果统计”、“未达考核目标预警结果统计”、“水质下降预警表（指标变差）”、“水质下降预警表（综合系数升高）”和“断面趋势预警”、“河段趋势预警”共6张附表，让用户可在统一的地方查看所有功能所输出的最终结果。见图9。

4结论

4.1构建了全方位的水质预警体系

本课题从闽江流域水环境日常管理出发，通过构建因地制宜的水质预警限值实现了断面水质实时预警；结合断面水质达标要求提供断面未达标预警；针对断面水质下降情况提供实时预警；并引入时间序列分析和神经网络算法对现有的水环境自动监测数据进行深入地挖掘与分析，通过建立合适的水质预警预报模式对一定时间内的未来水质变化趋势进行预测预警。全方位的水质预警体系有效地推动水环境管理从“被动治理”向“提前预防”进行转变，切实提高了流域水环境风险防控能力，一定程度上减少了后期治理与损失的费用。

4.2系统配置灵活、结构开放，具备通用性和扩展性

基于面向服务体系架构SOA（Service Oriented Architecture）的软件设计理念和J2EE技术平台，构建B/S结构，并通过WEB方式提供直观的信息展示与快捷查询。系统提供灵活的配置功能，方便用户针对实际情况予以定制，如可灵活配置各监测断面的报警限值及通知方式等，业务通用性强。系统设计结构灵活开放，预留多种接口，以便日后与其他相关系统集成与升级。

4.3基于GIS和各类图表的可视化表达

平台借助GIS直观生动地展示闽江流域各监测断面的点位空间分布及水质预警情况，结合丰富的图表展示各监测站水质现状、变化趋势、数据对比情况等，以便各类用户简单方便的使用系统。

4.4为下一步的拓展应用提供了技术支持

目前该开发平台已成功链接到现有平台上试运行，各地反馈良好，待项目验收后，下一步拟扩大研究范围，开发应用到全省其他主要流域，拓展使用范围。同时为方便用户移动办公，摆脱电脑束缚，“闽江预警平台”将推出移动端APP，让用户可通过手机直接访问和处理，提高服务效率。

参考文献：

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