黄河流域生态环境监测系统的开发研究

2021-07-27米西峰郭天一靳继红

电子元器件与信息技术 2021年5期

米西峰，郭天一，靳继红

（焦作师范高等专科学校，河南焦作 454000）

0 引言

黄河是中华民族的“母亲河”。黄河流域在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位[1]。自古以来，就有“黄河宁，天下平”的说法。新中国成立以来，我国在黄河治理上取得了显著成效，但是受历史因素以及自然条件的限制，再加上人类的过度开发和不合理利用等原因，近年来，黄河流域的生态环境十分脆弱，呈现普遍恶化的趋势。

党的十八大以来，我国非常重视生态文明建设。党的十九届五中全会在《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中将推动黄河流域生态保护和高质量发展上升到国家重大战略的高度。

本文在分析了目前黄河流域生态环境现状的基础上，针对黄河流域的重点区域，利用物联网、大数据、云计算等现代信息技术设计一个环境监测系统。该系统可实时全面全天候地采集监测区域的环境参数，再利用大数据技术对这些参数进行分析，从而对黄河流域生态环境保护提供一定的技术支持及数据依据。

1 黄河流域生态环境存在的问题

目前，黄河流域生态环境存在的问题主要体现在以下三方面：

1.1 生态环境脆弱

黄河流域因受其所处区域的地势地貌、自然气候等客观因素的影响，生态环境较为脆弱。黄河干流自西向东流经我国青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东九个省区，地域面积广阔，上游、中游、下游各区域的生态环境各不相同。黄河上游局部地区生态系统退化，水源涵养功能降低；中游水土流失严重，汾河等支流污染问题突出；下游生态流量偏低，一些地方河口湿度萎缩[1]。

1.2 水资源过度开发

黄河流域大部分地区位于我国中西部地区，气候干旱，多年平均水资源量为525亿m3，以占全国2%的水资源量承担了15%的耕地和12%人口的供水任务[2]。黄河流域水资源总量有限且人均占有量偏低。水资源利用较为粗放，农业用水效率不高，水资源开发利用率高达80%，远超一般流域40%的生态警戒线[1]。沿黄地区人民对水资源的不合理开发利用，也加剧了黄河流域的水资源问题。

1.3 水环境污染

黄河流域内部分区域水环境污染问题较为严重。2018年7-12月份黄河流域全域75个重要省界水质断面中，7个断面每月均不达标，占总断面数的9.3%，32个断面存在部分月份水质不达标，占比42.7%[3]。另外，黄河流域面临沿岸工业、城镇生活和农业生产三方面带来的污染。黄河流域沿岸的工业生产中存在将部分污水排入黄河的现象；沿岸人民生活中的一部分废水也被排入黄河内；在沿岸的农业生产中，存在过量使用农药及化肥的问题。这些现象的叠加更加剧了黄河流域的水环境污染程度。

2 黄河流域生态环境问题的解决对策

黄河流域地理空间跨度大，气候和地理特征差异显著，上下游、干支流、左右岸的水资源、水环境、水生态差异较大，不同的地区、不同的发展阶段存在不同的水问题[4]。习近平总书记“在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话”中提出，黄河流域上游要提升水源涵养能力，中游要抓好水土保持和污染治理，下游要促进河流生态系统健康，提高生物多样性[1]。因此，黄河流域在生态保护方面要充分考虑上中下游之间的差距，做到因地制宜。

2018年，水利部部长鄂竟平明确提出了“把工作重心切实转变到监管上来，在监管上强手段，在治理上补短板”的水土保持工作总要求[5]。黄河中下游地区的水生态损害问题是黄河流域较为突出的生态问题之一，对其生态机制进行有效监测是一项至关重要的研究[6]。我国在水质、水况、用水等方面的监测和采集数据方面有很大的空白，数据质量也难以得到很好的保证[7]，因此，利用现代信息技术加强对生态环境参数的采集和监测是保障黄河流域治理顺利推进的一个基本前提。通过对黄河流域生态现状进行有效监测，尤其是对关键生境和敏感环境参数进行动态、实时、全方面监测，能够了解黄河流域水土流失、环境污染等信息，为后续的生态环境保护、植被物种选择、高质量发展等提供理论、技术及数据支持。

针对黄河流域生态环境现状及存在的问题，不少学者在生态环境监测方面进行了研究并提出了相应的对策。

王新星等在文献[5]中提出，在水土保持方面利用卫星遥感和无人机遥感技术加强监管。武创举在文献[6]中提出利用无人机、遥感影像信息及土地整理数据等，建立黄河流域局部地区的生态监测三维模型。连煜在文献[8]中提出，需要构建黄河流域生态环境监测与预警系统。刘建伟在文献[9]提出，在刁口河建立生态监测系统观测矿化度与PH两大指标。王军在文献[10]中提出，利用新一代信息技术构建空天地一体化生态保护系统。殷宝库等在文献[11]中提出，利用遥感技术（Remote Sensing）、全球定位系统GPS（Global Position System）和地理信息系统GIS（Geographic Information System）（简称“3S”技术）、自动化的地面观测、实地调查和巡测，建立水土保持信息采集系统；利用计算机建立信息传输网络；利用海量数据存储技术，建立信息存储系统。

现有文献对于黄河流域生态环境的监测研究，一方面大多集中在理论层面；另一方面多数采用的是3S技术，而3S技术采集的多是图像信息，而且不能够达到实时、全天候、动态监测的效果。本文针对黄河中下游地区，利用物联网、大数据、Zigbee（紫蜂）、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）等现代信息技术构建一套生态环境监测与预警系统，目的在于实时采集监测区域中的环境参数，并建立对应的数据库系统，再辅以专家系统，以期对监测区域中的生态环境变化趋势进行预测，并有针对性地进行环境治理。

3 基于物联网构建生态环境监测系统

物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网目前已广泛应用于绿色农业、工业生产、智能电网、智慧物流、智能家居、智慧医疗、智能交通等领域。物联网的体系架构从下到上依次是感知层、网络层和应用层，其中，感知层实现对物体的识别和信息的采集，网络层主要利用各种接入及传输设备将感知层采集到的信息进行传输，应用层对从网络层接收到的信息进行处理和分析，并为用户提供各种各样的应用。

因此，用物联网技术构建生态环境监测与预警系统时，可以从感知层、网络层和应用层三个层面进行设计。主要设计思路及方法如下：

（1）设计感知层。感知层的主要作用是采集生态环境参数。考虑到所需监测的生态环境参数包括水的温度、PH值、溶解氧浓度、电导率、流量、水位等等，可以在监测区域中布置相应的传感器或者监测仪（如：水温传感器、PH值传感器等）用于采集水环境参数，利用Zigbee技术构建无线传感器网络，将采集到的数据汇总至采集中心的协调器节点。

（2）设计网络层。网络层的主要作用是利用无线传输技术将采集中心协调器节点处汇总的数据信息传输至应用层的主控计算机上。

（3）设计应用层。需要在监测区域的主控中心布置一台计算机，在计算机上基于Visual Studio 2017平台使用C#语言编写控制软件，控制软件对接收到的数据信息进行分析、处理、存储以及显示，而且控制中心还可以根据实时参数与所设置阈值的对比，发出警示信息。

本文所设计的基于物联网技术的生态环境监测与预警系统的整体架构如图1所示。

从图1中可以看到，该系统可以分为三个子系统，分别是：环境参数采集系统、无线传输和环境信息应用系统。

在环境参数采集系统中，根据监测区域的面积大小可以部署多个WSN监测区域。在每个WSN监测区域中，利用Zigbee技术遵循的IEEE 802.15.4协议组建无线传感器网络，其中，传感器节点负责采集各种水生态环境参数，并且通过路由节点传送给协调器节点，协调器节点负责汇总各种采集信息。

无线传输的作用在于接收采集信息，并利用现有的无线传输技术（如：Wi-Fi、4G、5G等）将这些信息传送到数据处理系统的主控计算机上。

环境信息应用系统包括两个子系统：数据处理系统和应用系统。数据处理系统对接收到的采集信息进行分析处理，并存储于信息存储数据库中，这些信息也可用于其他实际应用方面（比如，水源污染治理）；同时，通过专家系统可以指导后续的环境保护和物种选择等。

4 结论

在推进黄河流域生态保护和高质量发展的背景下，本文在流域环境监测方面进行了研究。利用物联网、大数据等技术建立生态环境监测与预警系统。该系统可实时、全天候地采集监测区域的环境参数，并利用无线网络传输至主控中心，在主控中心利用计算机软件对接收的环境信息进行分析、处理和存储等，也可以在环境参数异常时向管理员发出警示信息。