湖泊生态环境监测系统的建设和实现

詹晓芳

摘 要：湖泊生态环境监测系统可快速且直观地反映整个湖泊生态环境尤其是水质环境的安全状况，对湖体突发性污染及蓝绿藻类的暴发作出预警，实现了对水质和气象等生态要素的实时监测。文章介绍了湖泊生态环境监测系统水质监测、水文参数和气象监测、视频监控、后台软件及客户端的建设情况，以及湖泊生态环境监测系统功能的实现。

关键词：湖泊生态环境监测系统；预警；实时监测

水体温度影响水中细菌的生长繁殖和水的自净能力，是影响藻类地理分布的主要因素；自然界水体酸碱度（pH）在6～9，pH的变化主要由外界污染物质引起；电导率表征水中无机离子的含量，如金属离子、无机阴离子（Cl﹣）等离子的浓度变化后，会有明显的变化；水体的泥沙含量的变化、藻类水华的产生，会引起浊度的变化。溶解氧表征水体的污染程度，是水体的重要指标。

叶绿素a是藻类重要的组成成分之一，在一定程度上反映水质状况；蓝绿藻又称蓝藻，大规模的蓝藻爆发引起水质恶化，蓝藻中有些种类会产生毒素，除了对鱼类、人畜产生毒害之外，也是肝癌的重要诱因。

总磷是水中各种形态磷的总量。过量磷是湖泊发生富营养化和海湾出现赤潮的主要原因；总氮是水中各种形态无机和有机氮的总量，会使环境容量减小、生态环境脆弱；氨氮是水体中的营养素，也是水体中的主要耗氧污染物，在一定条件下会转化成亚硝酸盐易与蛋白质结合形成亚硝胺，这是一种强致癌物质。高锰酸盐指数（CODmn）反映水体中有机及无机可氧化物质污染的常用指标。指标数值越高，就表示水中有机污染物越严重。

湖泊作为地表水资源的重要组成部分，水污染问题预警和整治迫在眉睫。综合考虑以上影响水质生态的几大关键要素，结合湖泊现有特性及对系统安全防范的需求，针对湖泊水质监测、水文参数监测、气象环境等方面进行综合监测，并在项目范围内构建完善的视频监控系统，进而及时了解水污染情况，对于水资源尤其是淡水资源的监测和治理显得尤为重要。

用户可以使用PC客户端或手机客户端通过Internet访问后台软件，实时了解生态数据和现场视频，进而提升地表水环境监测，并实施湖泊地表水全过程的质量控制，为生态环境的提前预警和有效治理提供有力的支持。

1 湖泊生态环境监测系统建设

1.1 水环境监测

湖泊整体水深较浅，一般在2～6 m，湖面风速较大。受风力混合作用较强，湖泊水流交换剧烈，各种物理、化学和生物指标分层特征不明显，考虑到项目实际需求：搭载多参数水质监测传感器，同步监测水温、电导率、溶解氧、pH、浊度、叶绿素、蓝绿藻等水质参数；搭载全自动原位营养盐分析仪监测湖泊总磷、总氮、氨氮等化学参数；搭载光谱法传感器监测湖泊CODmn参数。

1.2 水动力分层及气象监测

水动力和气象要素对浮游生物的数量、分布的影响十分明显。当风与湖流状况变化时，浮游动物数量也随之而变，水动力和气象过程与理化因素是影响水体富营养化状态和水华的暴发的重要因素，故在本项目中需构建流速及流向分层监测系统和气象要素观测系统，对观测点的湖流水动力进行过程监测。由于湖泊水流流向不确定，且变化剧烈，因此采用声学多普勒测流仪（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）监测湿地内湖水动力情况，对监测点的各不同深度流层的流速、流向以及湿地水位进行实时监测。

声学多普勒测流仪采用座底式安装，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。湖泊的水深为2～3 m，选择3 MHz的ADCP，单元层尺寸达到0.2 m以下，可获取多层的分层流态数据，各层的深度、流速、流向数据通过数据采集传输设备传输至数据库，并在软件平台综合展现，可实时掌握湖内各点流态，并为后期分析提供数据支撑[1]。

气象要素变化将直接影响到湖泊的生态。比如降水变化不足以补偿温度升高对湖泊生态系统的影响，若湖泊受水位下降的影响，可能使藻类更容易聚集，水质下降，易产生水华。区域和季节降水量的差异，可能导致湖泊水位波幅增大，调蓄洪水和湿地碳汇功能降低，生物多样性受到威胁，生活习性发生改变，湖泊生态脆弱性增加。如浮游植物种类减少、鸟类繁殖期提前、迁徙方式改变，外来入侵物种大量繁殖等问题。因此，在本项目智能监测系统中，对湖泊的各项气象指标进行在线监测，建立气象数据库，为湖泊流域湿地生态系统的保护恢复、可持续发展以及湖泊流域水资源保护与利用、湖泊资源的有序开发提供技术支撑和决策依据。

在各监测点位置设置多套气象监测系统，以同步监测影响湖泊生态的主要气象因素：风速、风向、气温、气压、湿度、降雨量等指标。

1.3 视频监控系统

视频监控系统显示全天候，无人值守，远程监控，根据需求在对水环境监测参数超限的時候，实现和图像的联动；监测数据和视频图像相结合，可实现与水环境监测数据同步监控与同步链接绑定，当看到数据报表的同时，可以查看当时的视频信息。人员登录观测平台，可以实现实时监控，回传实时图片数据。

1.4 后台软件及客户端等

服务器上安装数据接收软件能实现数据自动接收和储存，无需人工操作，可显现远程控制和监视设备。数据处理软件包括建立数据库，数据自动入库，远程数据查询及统计，异常数据短信报警，仪器设备等移动短信和电话报警等功能。

2 功能实现

2.1 风光互补供电系统

将功率400 W风力发电机组和功率780 W光伏发电机组发电产生的电量储存在免维护太阳能胶体蓄电池内。蓄电池再输出稳定的电压给用电设备。太阳能控制器采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）方式控制太阳能电池对蓄电池进行限流限压充电，在蓄电池电量较低时，采用限流充电。也就是太阳能充电电流小于限流点时，太阳能的能量全部给蓄电池充电。当太阳能总电流大于限流点时，以限流点的电流给蓄电池充电，多余的能量通过PWM方式卸载。在蓄电池电量较高时，采用限压充电。也就是当蓄电池电压低于限压点时，太阳能的能量全部给蓄电池充电。当蓄电池电压达到限压点时，太阳能会以限压点对蓄电池充电，多余的能量通过PWM方式卸载。每月发电量20 kW·h（在风速4.5 m/s时）；采用3种电压转换模块（48～12、48～24、24～220）V，提供的电源能够保证整个系统正常使用[2]。

2.2 无线视频监控系统

无线视频监控系统由3部分组成：平台监控设备、无线网络、后端监控服务器。平台上安装高速云台摄像机日夜监控水面状况，视频信息经编码器转化为数字信号，由基站传输至后端监控站。视频需要2 M带宽，无线网桥设备最大能提供10 M的带宽，有效保障了视频信号的传输。视频监控设备将接收到的视频信息还原，在联网后端监控服务器上显示，同时进行视频录像操作。监控计算机保障6天24小时的录像存储能力，提供录像查询、截图等功能。

2.3 数据采集功能

数据采集控制器是生态观测平台的大脑，具备与远程控制能力和超强的稳定性，是系统可靠运行的关键部件。它具备数据自动补发功能，支持SDI-12设备协议，采用标准化配置，可存储一年以上监测数据。

数据采集控制器通过控制端口连接搭载在系统上的各设备，将水质和气象监测数据、水文参数测量数据及视频信息等通过端口协议采用GPRS或3G等方式实时传输至用户指定服务器，具备远程控制和数据分析功能。

2.4 远程控制和数据分析功能

2.4.1 远程控制功能

在服务器上安装数据接收软件能实现数据自动接收和储存，无需人工操作，数据处理软件包括建立数据库，数据自动入库，远程数据查询及统计，异常数据短信报警，设备移动短信或邮件报警等功能。用户使用PC客户端或手机客户端通过Internet访问后台软件，查看实时监测数据，及时掌握生态数据和现场视频动态。

2.4.2 数据分析功能

数据综合分析包括日、周、月、季、年报表共5个报表，可以选择数据类型如水质、气象数据、营养盐数据等和数据日期，以及当日数据的平均值、最大值、最小值。综合选项中的“历史数据”其实与实时数据类似，只不过它需要选择一个时间段：为了方便查看某一段时间内的数值变化趋势，同时可以导出Excel表格、并且做出曲线，帮助用户通过数据分析总结水质气象等安全状况。

2.4.3 預警功能

当湖泊水质遇到某些异常状况，生态要素测量值会突然升高，超出设定正常值的范围，服务器接收到实时测量值的同时发出预警信号到预留的报警手机号码上，用户收到后可综合分析并及时作出应急响应，对湖体突发性污染作出预警；蓝绿藻暴发前夕，溶解氧、pH和叶绿素三生态要素的在线记录数据都有异常波动，而且是同步增减，当系统检测到溶解氧、pH和叶绿素三要素同步变化较大时，服务器发出蓝绿藻暴发预警信号；当仪器设备因为风浪较大或船只碰撞导致漂移出监控区域后，系统发出仪器设备移动短信预警等。

3 结语

湖泊生态环境监测系统自从2017年12月9日正式投入运行以来，已连续自动监测被测水体的变化情况，客观地记录水质状况并及时发现了水质异常变化。通过在线监测仪器对湖泊生态环境参数进行无人值守实时监控，利用现代信息技术对数据进行采集、传输和报告，及时、准确地掌握湖泊水质状况和动态变化趋势，成功实现了对水质和气象等生态要素的实时监测。通过长期水质监测，总结规律特点，做到提早预警提早治理，严把生态环境质量关。

[参考文献]

[1]国家环境保护总局.水污染物排放总量监测技术规范[Z].国家环境保护总局，2002.

[2]国家环境保护总局.地表水和污水监测技术规范[Z].国家环境保护总局，2002.