蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用研究

來源：http://www.attrakmagnet.com/ 作者：余氯檢測儀 時間：2019-07-17

　　摘要:保護水資源,防治水體污染是我國水利科學(xué)所面臨的重要問題之一。現(xiàn)結(jié)合新疆石河子蘑菇湖水庫水質(zhì)污染調(diào)查及影響分析,對在內(nèi)陸平原水庫等地表水體建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)提出了設(shè)計方案,并給出了系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)路線、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、系統(tǒng)總體框架與主要功能、系統(tǒng)集成和建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)需要考慮的問題等關(guān)鍵技術(shù),可以為建設(shè)同類水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)提供參考。

　　關(guān)鍵詞:水質(zhì)污染;水質(zhì)監(jiān)測;系統(tǒng)設(shè)計;數(shù)據(jù)庫設(shè)計;系統(tǒng)集成

　　我國是一個水資源短缺的國家,人均水資源擁有量僅為世界人均水資源擁有量的1/4。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大及用水量的持續(xù)增大,排入江河湖庫的廢污水量也正在不斷增加。水污染的不斷加劇,對我國本已是短缺的水資源來說更是雪上加霜,水危機已經(jīng)嚴重制約了我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。早在20世紀中期,歐美有些國家就開始關(guān)注水環(huán)境的污染,并對此展開了研究。美國國家環(huán)保局在1964年開發(fā)的STORET COGENT是國際上最早的大型水環(huán)境管理信息系統(tǒng)(Water Environmental Management Information System),簡稱WEMIS。同一時期,英國開發(fā)出的水質(zhì)檔案系統(tǒng)(WAPZ),加拿大的國家水?dāng)?shù)據(jù)庫(NAQUADAT)也是較成功的水環(huán)境管理信息系統(tǒng)。到20世紀70年代末,發(fā)達國家?guī)缀醵冀ǔ闪藶樗h(huán)境管理提供支持的水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)。我國在水環(huán)境管理信息化方面的研究起步于20世紀70年代,近40年來已取得了很多成果,尤其是近年來,我國幾大流域機構(gòu)相繼提出并積極實施的“數(shù)字黃河”、“數(shù)字長江”等工程,是中國水利現(xiàn)代化建設(shè)的一個重要組成部分。

　　作為解決水環(huán)境問題的重要技術(shù)手段,水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)是“數(shù)字流域”工程建設(shè)的關(guān)鍵內(nèi)容。然而,由于新疆地處偏遠地區(qū),在水質(zhì)監(jiān)測管理方面還相對滯后并亟待改善。新疆的現(xiàn)有河流同樣存在著一定的水質(zhì)污染隱患,污染比較嚴重的河流有伊犁河伊寧市段、額爾齊斯河干流阿勒泰市下游河段、塔里木河的阿克蘇市段等;同樣,湖泊污染也不例外,博斯騰湖、艾比湖、柴窩堡湖等都被不同程度的污染。最新的一份環(huán)境公報顯示,2008年,新疆境內(nèi)30%的河流水質(zhì)有所下降,工業(yè)和生活污水對流經(jīng)城市的河流段及下游水庫污染嚴重[3-4]。因此,為了對新疆城市周邊各河流和水庫的水質(zhì)情況進行有效查詢,對各種突發(fā)污染事故實時報警并及時處理,選擇一個具有代表性的水庫實施水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)建設(shè)和研究是十分必要的。

　　1 蘑菇湖水庫水質(zhì)污染調(diào)查及影響分析

　　蘑菇湖水庫地處新疆石河子市下游,距石河子市以北26 km,是新疆較早和較大的內(nèi)陸平原水庫之一。其設(shè)計庫容1.8億m3,蓄水面積31.2 km2,蓄水量1.5億m3,多年平均調(diào)節(jié)水量2.2億m3,自1959年建成以來,其主要功能為調(diào)洪、灌溉、養(yǎng)殖。從20世紀60年代中后期開始,石河子市的工業(yè)廢水和生活污水逐年加大排入到蘑菇湖水庫中,致使水庫污染日趨嚴重。目前,水庫水質(zhì)已降為劣Ⅴ類,且水庫處于重富營養(yǎng)狀態(tài),已喪失養(yǎng)殖功能,長期引用蘑菇湖水庫污水灌溉的農(nóng)田,重金屬含量及有機污染物造成土壤污染,已使灌區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡遭到一定程度的破壞[4-5]。

　　蘑菇湖水庫補給源主要有4條途徑:分別是瑪納斯河水,年進庫水量約為1.5億m3;石河子市工業(yè)廢水及生活污水,年進庫水量約為5 000多萬m3;沙灣河水,年進庫水量約為800萬m3;泉水和井水補給,年進庫水量約為1 000萬m3。其中,廢污水約占水庫入庫水量的25%左右。2002年開始,根據(jù)蘑菇湖水庫水功能現(xiàn)狀和水污染特點,在水庫的進出口、主要排污口匯入處、水庫中心區(qū)等按《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》的具體要求布設(shè)了8個水質(zhì)監(jiān)測斷面,于每年4月、5月、6月進行3次全面的采樣分析,選擇能反映水質(zhì)現(xiàn)狀和《水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》中水庫必測的項目進行檢測分析。結(jié)果是蘑菇湖水庫出水口斷面、西壩區(qū)斷面、西壩附壩區(qū)斷面、庫心Ⅰ區(qū)斷面、庫心Ⅱ區(qū)斷面、沙灣河入庫口庫內(nèi)區(qū)斷面水質(zhì)狀況綜合水質(zhì)級別為劣Ⅴ類,有機污染項目和富營養(yǎng)化指標超標率近100%,有毒污染項目中,FN 有檢出,硫化物檢出率100% 、超標率100%,污染類型為有機和有毒雙重污染,水體處于重富營養(yǎng)狀態(tài)。蘑菇湖水庫東壩區(qū)斷面、蘑引渠入庫口區(qū)斷面水質(zhì)狀況綜合水質(zhì)級別也為劣Ⅴ類,有機污染項目和富營養(yǎng)化指標超標率在100%以上,有毒污染項目中,FN 有檢出且超標,硫化物檢出率100%、超標率100%,污染類型為有機和有毒雙重污染,水體處于重富營養(yǎng)狀態(tài)。上述結(jié)果表明:蘑菇湖水庫目前處于嚴重污染狀態(tài),水庫屬于超Ⅴ類水域。主要污染物為CODMn、COD、BOD5 、SS、NH3-N、FN、TN、TP 、硫化物、大腸菌群等。水庫污染類型為有機和有毒雙重污染,整個庫區(qū)水體處于重富營養(yǎng)狀態(tài)。按功能評價,目前蘑菇湖水庫只能勉強用于農(nóng)業(yè)灌溉,不能用于養(yǎng)殖。石河子市排污總干渠污水未經(jīng)處理直接由蘑引渠排入水庫,廢水中有機污染指標、懸浮物及硫化物已超過GB 88978-1996《污水綜合排放標準》中的二級標準。2002年環(huán)境監(jiān)測部門對石河子市蘑菇湖水庫監(jiān)測顯示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為74.7,2005年的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為78.3,2008年上半年已升至80.9。石河子市向蘑菇湖水庫排放廢水的工業(yè)企業(yè)有100余家,主要行業(yè)有化工、造紙、紡織、印染、釀酒、食品加工、制糖等企業(yè)。通過調(diào)查分析,已經(jīng)確定12家企業(yè)作為主要工業(yè)污染源進行重點監(jiān)測,其年用水總量和年廢水排放總量如表1所示。

　　蘑菇湖水庫水質(zhì)污染對以下四個方面有影響。① 對水利的影響。目前瑪納斯河水懸浮物平均457. 5 mgPL, 最大值達到1 142 mgPL, 污水懸浮物達到862 mgPL。連年大量的水體懸浮物進入蘑菇湖及其引、排水渠道, 其中大部分不可分解物質(zhì)的沉積將對水庫及其配套渠道造成淤積, 影響了

　　渠系的引配水量和水庫的蓄水、調(diào)洪能量。蘑菇湖水庫設(shè)計最大蓄水量為1.8億m3,如今實際最大蓄水量僅有1.15億m3, 庫區(qū)中黑色腐泥最深處達到1.5 m,而且污水中化學(xué)成分復(fù)雜,對渠系配套設(shè)施,特別是金屬類設(shè)備腐蝕嚴重。②對農(nóng)業(yè)的影響。根據(jù)環(huán)保資料統(tǒng)計結(jié)果,蘑菇湖水質(zhì)現(xiàn)狀,含量較高的pH均值為8.1,最高達到9.1,總礦化度0.5~0.8 g/L,已接近灌溉用水標準的臨界值。③對漁業(yè)的影響。根據(jù)城市總排污口水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果,2007年污染物的化學(xué)需氧量66 531.33 t,生化需氧量16 413.86 t,數(shù)萬噸的需氧量將導(dǎo)致水體溶氧的缺乏,特別是冬季或藻類光合作用減弱季節(jié),水體溶氧降至魚類忍耐限度以下,魚類會窒息而死亡。④對生態(tài)環(huán)境的影響。20世紀60 年代,蘑菇湖消落區(qū)植被完好,曾是許多鳥類生長、棲息和繁殖的良好場所。如今水草已滅絕,消落區(qū)植被僅殘存稀少的草原植物,這里已不再是鳥類的天堂。

　　2 蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)設(shè)計的前提是可行的技術(shù)路線設(shè)計,包括:前期基礎(chǔ)資料的收集、系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的確定、水質(zhì)管理相關(guān)理論的研究、水質(zhì)管理系統(tǒng)功能模塊設(shè)計、水質(zhì)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、系統(tǒng)開發(fā)是否滿足需求、工程實際應(yīng)用等[6-8],具體流程如圖1所示。

　　圖1 蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)技術(shù)路線設(shè)計圖

　　前期基礎(chǔ)資料的收集主要包括:蘑菇湖水庫主要污染源和污染物的確定、蘑菇湖水庫水環(huán)境容量和納污能力的初步計算、蘑菇湖水庫水質(zhì)污染對社會經(jīng)濟和生態(tài)的影響等內(nèi)容[9-11]。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的確定包括:開發(fā)平臺可以使用WINDOWS 2000、WINDOWS NT、WINDOWS 2003、WINDOWS XP等任一種目前流行的操作系統(tǒng);開發(fā)工具軟件使用BORLAND公司的Delphi 7.0,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用MICROSOFT公司的SQL Server2005,報表制作軟件使用北京用友華表軟件公司的Cell等。水質(zhì)管理相關(guān)理論的研究主要是指:查詢國內(nèi)外有關(guān)水質(zhì)管理、水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計的文獻和國家規(guī)范并結(jié)合蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測的實際情況進行研究,從而設(shè)計出適用于蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)的技術(shù)路線。

　　技術(shù)路線設(shè)計完成后,即可進行蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)總體框架與主要功能的設(shè)計[12]。根據(jù)國家行業(yè)標準并結(jié)合本地實際需求情況,設(shè)計蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)主要由5個子系統(tǒng)組成。①數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)。內(nèi)容包括:進行數(shù)據(jù)庫的需求分析,設(shè)計數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu),建立連接及庫索引。②水質(zhì)監(jiān)測管理子系統(tǒng)。內(nèi)容包括:基本信息查詢,可以對排污口、測站、監(jiān)測斷面、監(jiān)測儀器等基本信息進行查詢。監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢,能夠?qū)v史、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行按時間、測站、斷面等參數(shù)進行查詢。監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,可以對歷史、實時數(shù)據(jù)進行同期數(shù)據(jù)比較和數(shù)據(jù)趨勢分析;同時可以將歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至指定格式。③電子地圖管理子系統(tǒng)。內(nèi)容包括:監(jiān)測范圍內(nèi)地圖顯示,河流、水庫、行政區(qū)劃分等基本信息顯示。測站顯示,地圖上測站分布點顯示,測站監(jiān)測數(shù)據(jù)基本信息顯示,可實時添加新測站。排污口顯示,地圖上排污口分布顯示,排污口水文、監(jiān)測信息實時顯示,能夠?qū)崟r添加新排污口。污染事故實時顯示,地圖中設(shè)置各個監(jiān)測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)指標,超過相應(yīng)指標,能夠?qū)崟r預(yù)警,顯示污染事故基本信息。④報表管理子系統(tǒng)。內(nèi)容包括:報表類型、監(jiān)測報表、統(tǒng)計報表、業(yè)務(wù)報表等,可以調(diào)用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)自動生成報表中數(shù)據(jù),也可以手工輸入數(shù)據(jù);同時,還包括報表打印、保存、修改等。⑤幫助子系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)各功能的使用方法和注意事項。

　　其中,水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的核心,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的好壞將對系統(tǒng)的效率、功能的擴展產(chǎn)生很大的影響。合理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)有利于應(yīng)用程序的實現(xiàn),也有利于提高數(shù)據(jù)存儲的效率和保證數(shù)據(jù)的完整一致。數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指根據(jù)用戶需求研制數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的過程,具體的說,是指對于一個給定的應(yīng)用環(huán)境,構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式,建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng),使之能有效的存儲數(shù)據(jù),滿足用戶的信息要求和處理要求。按照規(guī)范設(shè)計方法,數(shù)據(jù)庫設(shè)計一般分為需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫實施、數(shù)據(jù)庫的運行和維護等幾個步驟。數(shù)據(jù)庫設(shè)計還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)庫的安全,本系統(tǒng)采用了用戶標識、存取控制、定義視圖、使用存儲過程等四種安全措施來保證數(shù)據(jù)庫安全。依據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計規(guī)范和國家水利行業(yè)標準SL325-2005《水質(zhì)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標識符規(guī)定》,蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫目錄見表2。

　　3 蘑菇湖水庫水質(zhì)監(jiān)測管理系統(tǒng)應(yīng)用需要考慮的問題

　　考慮到水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式可靠性和先進性及數(shù)據(jù)傳輸成本的問題,整個系統(tǒng)采用基于GPRS的無線傳輸技術(shù)[13-16]。這樣,中心控制站人員就可以通過GPRS以無線的方式或通過Internet 接入GPRS 網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接收從各水質(zhì)監(jiān)測站發(fā)來的數(shù)據(jù),并保存在數(shù)據(jù)庫中,供系統(tǒng)軟件分析計算并完成對水質(zhì)監(jiān)測站的監(jiān)視控制以及水質(zhì)信息的存儲、動態(tài)監(jiān)測、信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。不同地理位置的系統(tǒng)訪問人員也可以通過GPRS提供的無線接入Internet的方法,訪問中心控制室應(yīng)用程序,查詢水質(zhì)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)或者歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)并打印各類報表。

　　水質(zhì)監(jiān)測站點位的選擇應(yīng)考慮是否具有代表性,是否真實地反映所監(jiān)測水體的質(zhì)量狀況等問題[17-20],具體應(yīng)考慮以下幾方面。①如果監(jiān)測站設(shè)在河流上,應(yīng)確定在水體均勻、流速相對穩(wěn)定、無湍流、無沉積的平直河段,距上游支流匯合處或排污口有一定的距離。②對斷面水質(zhì)和取水口水質(zhì)進行比較測試,當(dāng)二者水質(zhì)存在較大差別時,應(yīng)考慮變更監(jiān)測站的位置。③調(diào)查清楚監(jiān)測點的水流狀況、常年水位和氣溫等因素,以便供取水設(shè)計時使用。④為了確定符合監(jiān)測現(xiàn)場要求的水質(zhì)自動監(jiān)測儀量程,應(yīng)提前確定各個監(jiān)測站監(jiān)測因子的大致濃度范圍,儀器安裝調(diào)試完成后,還應(yīng)要求水質(zhì)自動監(jiān)測儀供應(yīng)商進行現(xiàn)場培訓(xùn)。

　　4 結(jié)語

　　對于在河流、平原水庫等地表水進行水質(zhì)自動監(jiān)測在新疆才剛剛起步,隨著對本系統(tǒng)不斷的開發(fā)升級,還會存在不少問題需要解決。本項研究是新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團科學(xué)技術(shù)局組織的“水質(zhì)信息管理關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)集成”項目的前期試點工作,目前正處于測試階段,但由于對水質(zhì)管理過程中復(fù)雜業(yè)務(wù)的了解不能做到面面俱到,對數(shù)據(jù)及其處理過程理解不夠深入,因此本系統(tǒng)還有待于后期的不斷維護,從而使本項研究的成果更好地應(yīng)用于新疆的各型水庫。

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