小型水庫水質監測系統的設計

吳旺焱

(北京峽光經濟技術咨詢有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830043)

0 引 言

水庫工程使天然徑流完全改變為人工調控徑流，滿足綜合利用的要求，極大的提高了水資源的利用率，提供了可靠的水源保障，有利于持續、穩定發展，對綠色生態建設也起到積極的推動作用。但是同時水庫改變了徑流，形成大面積靜水，可能會導致水質惡化及水生植物和藻類蔓延，造成大范圍的水污染，因此水庫的水質情況的監測具有十分重要的意義。

目前國內大型水庫的安全管理非常規范，各項監測系統齊全，但是由于小型水庫建設標準低，缺乏有效的管理和維護，小型水庫的水質情況不容樂觀，因此面向小型水庫的水質監測系統具有十分重要的意義，可以及時掌握水庫水質變化情況，為水庫的生態環境保護提供助力。文章以鐵斯巴汗小型水庫為例進行設計。

1 水庫概況

鐵斯巴汗水庫位于托里縣境內鐵斯巴汗河出山口處，距托里縣西南12KM。該水庫規模為小(1)型水庫，水庫總庫容110萬m3，是一座以農業灌溉為主的山區水庫，灌區設計灌溉面積333.33hm2，主要種植作物以小麥、苜蓿為主。目前該水庫的安全監測主要為汛情監測和大壩工程安全監測，監測方式為人工監測。

為貫徹執行《中華人民共和國環境保護法》，防止土壤、地下水和農產品污染，保障人體健康，維護生態平衡，促進經濟發展，特制定了《農田灌溉水質標準》，并且標準中全部技術內容為強制性。主要指標有五日生化需氧量(BOD5)、懸浮物、PH值、水溫、氯化物、硫化物等。鐵斯巴汗水庫作為以農業灌溉為主的山區水庫，水庫水質的監測也具有十分重要的意義，文章擬設計一種水質監測系統作為水庫安全運行管理的補充。鐵斯巴汗水庫作為旱作農田灌溉用水的主要水質指標如表1所示。

表1 灌溉用水水質指標

2 系統設計

系統整體架構由數據采集、數據中心和終端應用組成，共三個模塊，系統架構如圖1所示。

數據采集部分是系統的關鍵基礎，通過在合適的地點部署適當數量的傳感器節點，才能全面客觀的實時采集水質信息，通過網絡傳輸至數據中心。

數據中心是系統的大腦，通過大數據分析與數據挖掘，形成水質監測知識庫。

終端應用是指管理人員可以通過WEB頁面及手機APP查看實時監測情況及歷史數據報表。

圖1 系統架構圖

3 水質監測傳感器

水質檢測的常見指標有溫度、顏色與透明度、電導率、pH值、離子含量、固體含量、化學需氧量(COD)、生物體含量等[1]。通過光敏傳感器、化學傳感器以及生物傳感器等敏感元件，可以實現監測水中有害化學物質、重金屬含量以及微生物種群等各項指標，并將數據傳送至管理中心進行匯總分析。

幾種常用水質監測傳感器：

TOC傳感器：TOC也被稱為總有機碳，它是分析水體樣本中有機物污染情況的重要指標；

PH傳感器：主要通過檢測氫離子來獲取水體的酸堿值，PH值是水體的一個重要指標，在水中pH值的允許范圍一般在6.5-8.5之間。就天然水域而言，其pH值的變化范圍是比較小的；

濁度傳感器：通過測量透過水的光量來測量水中的懸浮固體，可以反映出水體受污染的情況；

溶解氧傳感器：測量氧氣在水中的溶解量。

BOD微生物傳感器：BOD作為一項綜合指標，主要用于對水體受到有機污染物污染的程度進行評價[2]。BOD微生物傳感器可以將固定化氧電極、微生物等進行重組，根據其在水中耗費的溶解氧濃度進行測定，最后可獲得BOD值。

余氯傳感器：對水中余氯濃度進行檢測。

4 功能模塊

4.1 數據采集

水質監測系統的底層是數據采集，將水質傳感器節點分布在水庫監測區域內，動態組成Zigbee傳感器網絡，采集水的溫度、PH值等多種指標參數，將采集的數據通過GPRS網絡傳輸至數據中心[3-4]。

4.2 權限管理

水庫大壩是一項重大的民生工程，其安全管理具有十分重要的意義，大壩的水質等信息也應該在安全保密范圍內進行收集與管理，因此監測系統在數據安全層面要充分考慮人員權限使用問題，監測系統設計的角色主要包括系統管理員、技術員、普通用戶。所有用戶由系統管理員進行添加分配，保證用戶入口安全。

普通用戶只有查看數據展示等權限，接受系統預警信息。

技術員負責處理傳感器節點傳輸的數據，并對傳感器節點進行管理與維護。

4.3 水質監測知識庫

將傳感器節點采集的數據進行合理性檢查及標準化處理，存入系統數據庫，通過與歷史數據的對比，結合實際情況，預測可能發生的水污染情況，為管理人員的決策提供數據支撐。同時將歷史數據與數據分析結果及針對不同污染物、污染源的處理方法等存入水質監測知識庫，將歷史經驗進行共享交流，方便新入職人員盡快熟悉業務工作。

4.4 數據分析

匯總傳感器節點所上傳的水質監測數據，并對數據進行建模分析。根據統計出的歷年水質情況報表、污染物分析報表等，可以預測每年的污染高發期，提前進行干預；對污染物成分進行分析可確定污染物是由什么類型的企業所排放，減少追責摸排范圍；對水質中的藻類生長狀況進行分析，可以提前預防藍藻的爆發等。

4.5 自動預警

影響水庫水質情況的因素是多方面的，河流、雨水、生活廢水、工業排污等，在水庫的水質受到污染時，傳感器節點采集的數據傳輸至數據中心，通過與歷史數據及日常數據對比將會發現數據異常，系統會通過APP手機客戶端、手機短信等方式提醒系統管理人員。

管理人員可通過APP實時查看水質監測數據的分析結果，及時了解水質情況，判斷污染類型，及時通報相關部門，采取相應措施，防止污染擴散。

5 結 語

通過對鐵斯巴汗小型水庫水質監測系統的設計，補充完善了水庫的安全管理工作，農田灌溉用水的水質好壞對土壤等環境具有一定的影響，受到污染的農田灌溉用水可能會通過農作物進而影響到人們的身體健康[5]。該系統能將實時水污染信息通過遠程傳輸系統及時提供給有關部門，方便了環保部門的工作，可以更好的保護好水資源，具有一定的社會經濟效益。