陳堃
(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 安徽 合肥 230000)
生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
陳堃
(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 安徽 合肥 230000)
本文分析生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體需求,介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的建設(shè)方案。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水質(zhì)、水動(dòng)力、氣象等對(duì)象的監(jiān)測(cè),結(jié)合視頻監(jiān)控對(duì)濕地內(nèi)外的水環(huán)境及生態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),積累大量原始數(shù)據(jù),為濕地水生態(tài)修復(fù)的成功應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支撐。
濕地;水生態(tài);系統(tǒng)集成
合肥市巢湖沿岸水環(huán)境治理及生態(tài)修復(fù)工程位于合肥市濱湖新區(qū),濕地面積約211萬(wàn)m2,內(nèi)設(shè)有子湖、水道、蘆葦?shù)?。工程?shí)施并完成后續(xù)植物種植后,有利于保護(hù)耕地資源和減少湖泊淤積及氮磷流失;同時(shí),生態(tài)濕地及水生植物可起到過(guò)濾、吸收及降解水體污染物作用,并可將藍(lán)藻堆積區(qū)推離近岸,有利于水體環(huán)境和濱水環(huán)境改善。
為了確保生態(tài)濕地生態(tài)修復(fù)工程能長(zhǎng)期有效地發(fā)揮作用,需構(gòu)建濕地水環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)濕地內(nèi)外關(guān)鍵位置的水生態(tài)、水文、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握濕地的過(guò)濾、吸收及降解情況,并積累原始數(shù)據(jù),以利后期對(duì)濕地型水生態(tài)修復(fù)模式進(jìn)行研究分析。
2.1水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求
工程濕地上游為城市河道,主要污染源為生活污水及雨水,將給濕地內(nèi)湖帶來(lái)的大量有機(jī)物以及總磷、總氮等富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。為了直觀地體現(xiàn)濕地凈化水質(zhì)的效果,防止?jié)竦貎?nèi)湖突發(fā)性污染及藻類暴發(fā),需對(duì)景觀濕地水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2.2水動(dòng)力監(jiān)測(cè)需求
濕地是具有半水半陸的過(guò)渡性生態(tài)環(huán)境及過(guò)渡性的水文情勢(shì),水動(dòng)力對(duì)浮游生物的數(shù)量、分布的影響十分明顯,水動(dòng)力過(guò)程與理化因子是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)和水華的暴發(fā)的重要因素,因此需要對(duì)流速及流向進(jìn)行分層監(jiān)測(cè),對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)位的湖流水動(dòng)力進(jìn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)。
2.3氣象監(jiān)測(cè)需求
氣候變化將直接影響到濕地面積、水質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能以及生態(tài)脆弱性等。氣候的變化可能導(dǎo)致濕地水位波幅增大,對(duì)濕地生態(tài)造成影響。因此對(duì)濕地的各項(xiàng)氣象指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),可以為濕地資源的有序開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。
2.4視頻監(jiān)控需求
現(xiàn)場(chǎng)圖像也是水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要對(duì)象,它可以反映被監(jiān)測(cè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)的水的污染情況,水的顏色,藍(lán)綠藻,水上漂浮物垃圾等情況,可以用于出現(xiàn)突發(fā)污染事件時(shí)候輔助遠(yuǎn)程指揮現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理。
2.5智能監(jiān)控需求
對(duì)濕地水環(huán)境的研究需要基于水質(zhì)、水動(dòng)力、氣象等數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期積累和分析,工程需要建立一套智能監(jiān)控平臺(tái)對(duì)所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理和存儲(chǔ),以便于對(duì)于濕地水生態(tài)變化情況的研究,為生態(tài)修復(fù)工程提供可靠的技術(shù)支持。
根據(jù)總體需求,生態(tài)濕地水環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建,充分考慮各段濕地的出入口以及內(nèi)湖各點(diǎn)的水生態(tài)及水文指標(biāo)情況,同步對(duì)從水體分層生態(tài)監(jiān)測(cè)、湖泊水文水動(dòng)力監(jiān)測(cè)、氣象環(huán)境等方面進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè),并構(gòu)建完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。此外,在市水務(wù)局建立智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái),對(duì)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行管理,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。
3.1系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)
根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo),構(gòu)建系統(tǒng)框架,避免重復(fù)建設(shè),為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)建設(shè)和行維護(hù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)包括:應(yīng)用層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和數(shù)據(jù)采集層,層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖
3.2總體設(shè)計(jì)
3.2.1數(shù)據(jù)采集層
數(shù)據(jù)采集層的主要工作是通過(guò)設(shè)立在濕地內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)和視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)各類信息進(jìn)行采集,主要包括:水質(zhì)信息、水文水動(dòng)力、氣象及視頻信息的采集。
(1)水質(zhì)監(jiān)控:對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)需通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)高頻、不同層位同步觀測(cè)數(shù)據(jù),分析濕地水溫的垂向分層特征,并通過(guò)同步監(jiān)測(cè)不同水溫層的葉綠素、藍(lán)綠藻、pH、溶解氧、電導(dǎo)率等指標(biāo),綜合分析水溫分層對(duì)各指標(biāo)的影響因素。為此,水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式采用在監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝升降裝置,并搭載多參數(shù)水質(zhì)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同水位層面的水質(zhì)監(jiān)測(cè),從而充分了解淺水水體的各種物理、化學(xué)和生物指標(biāo)分層特征。
(2)水文水動(dòng)力監(jiān)測(cè):淺水湖泊中,水動(dòng)力對(duì)浮游生物的數(shù)量、分布的影響十分明顯。由于濕地內(nèi)湖水流緩慢,流速低,流向不確定,用傳統(tǒng)的測(cè)流設(shè)備較難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定在線監(jiān)測(cè)。在本項(xiàng)目中,采用座底式安裝的四波束ADCP,向上發(fā)射波束,可測(cè)量安裝點(diǎn)垂線方向從水底到水面的各流層的流向及流速。
(3)氣象監(jiān)測(cè):在濕地外主湖區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置部署一套氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng),同步監(jiān)測(cè)影響濕地生態(tài)的主要?dú)庀笠蛩兀航涤炅俊L(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、濕度等指標(biāo)。
(4)視頻監(jiān)控:在濕地內(nèi)水資源監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其他重要位置設(shè)立視頻監(jiān)控點(diǎn),對(duì)水面情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將視頻信息傳輸至控制中心進(jìn)行展示和存儲(chǔ)。
3.2.2網(wǎng)絡(luò)傳輸層
網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要負(fù)責(zé)信息的傳輸,由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)組成,可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳回控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)。其中,水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于建立濕地中或是湖區(qū)中,遠(yuǎn)離岸邊無(wú)法采用有線傳輸方式,故采用4G無(wú)線通信方式傳輸數(shù)據(jù)。而設(shè)置在岸邊的視頻監(jiān)控點(diǎn)則通過(guò)光纖通信方式上傳視頻信息至控制中心。
3.2.3數(shù)據(jù)管理層
數(shù)據(jù)管理層負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過(guò)設(shè)置專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)滿足對(duì)不同類型海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理要求。專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)水質(zhì)、水動(dòng)力、氣象等專業(yè)數(shù)據(jù),基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)用以存儲(chǔ)空間和屬性數(shù)據(jù)。通過(guò)整合系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù)資源,保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性,并降低數(shù)據(jù)管理成本。
3.2.4應(yīng)用支持層
應(yīng)用支持層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)到應(yīng)用的轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)的實(shí)施在統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)體系下開(kāi)展,應(yīng)用統(tǒng)一的基礎(chǔ)支撐系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登陸、風(fēng)格一致的人機(jī)界面,在統(tǒng)一業(yè)務(wù)流程平臺(tái)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)的整合,避免異構(gòu)型系統(tǒng)帶來(lái)接口、互聯(lián)的額外工作。
3.2.5應(yīng)用層
應(yīng)用層主要包含的是智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè),平臺(tái)基于GIS技術(shù),集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、應(yīng)用分析、等為一體,實(shí)現(xiàn)濕地水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控、信息查詢、分析和發(fā)布等功能,形成一個(gè)高度集成的水環(huán)境信息管理平臺(tái)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 功能結(jié)構(gòu)圖
(1)監(jiān)測(cè)信息在線展示。監(jiān)測(cè)信息在線展示是本工程系統(tǒng)在管理平臺(tái)上自動(dòng)顯示各類信息(水質(zhì)、水文、氣象、設(shè)備狀態(tài)),結(jié)合GIS地圖、表格和動(dòng)態(tài)滾動(dòng)信息框的形式來(lái)展示監(jiān)測(cè)點(diǎn)水環(huán)境的狀態(tài),在地圖上的對(duì)應(yīng)位置顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)站的定時(shí)監(jiān)測(cè)信息或招測(cè)信息。
(2)歷史信息查詢。歷史信息查詢是對(duì)系統(tǒng)中的各種信息的直接查詢。
(3)遠(yuǎn)程控制和設(shè)置功能。在前端監(jiān)控設(shè)備條件允許且用戶能夠提供相應(yīng)硬件接口的情況下,系統(tǒng)平臺(tái)能適應(yīng)已有的儀器的通訊規(guī)約,進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與設(shè)置,如校時(shí)、立即檢測(cè)、自動(dòng)采樣頻率、標(biāo)定、調(diào)整參數(shù)等。
(4)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)在GIS地圖上集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻圖像,利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的遠(yuǎn)程控制,對(duì)監(jiān)控過(guò)程中出現(xiàn)的嫌疑目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、報(bào)警并保存相關(guān)信息,及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染事故。
(5)數(shù)據(jù)審核處理。按照水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的邏輯性審核,剔除無(wú)效數(shù)據(jù)或修訂存在問(wèn)題的數(shù)據(jù),然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)的核定庫(kù)中。
(6)數(shù)據(jù)分析和分布顯示。按指定的時(shí)段(年度、月度、周度、日)進(jìn)行列表和圖形方式分析,列表分析將以表格方式給出上述數(shù)據(jù),而圖形方式通過(guò)直方柱狀圖、曲線析線圖、餅圖等直觀地展現(xiàn)數(shù)據(jù)。
(7)超標(biāo)報(bào)警。自動(dòng)判斷相應(yīng)監(jiān)控因子是否超標(biāo),超標(biāo)時(shí)閃爍報(bào)警,并發(fā)送超標(biāo)警報(bào)信息。警報(bào)信息內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱、位置、監(jiān)測(cè)時(shí)間、超標(biāo)因子、超標(biāo)濃度等。
(8)日?qǐng)?bào)發(fā)布。為滿足預(yù)警監(jiān)測(cè)要求,系統(tǒng)提供日?qǐng)?bào)生成功能,自動(dòng)匯總統(tǒng)計(jì)當(dāng)日所需的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果,形成日?qǐng)?bào)并發(fā)布。
(9)報(bào)表輸出。提供特定監(jiān)測(cè)點(diǎn)、區(qū)域在特定時(shí)間段內(nèi)(年、季度、月)的各種常用報(bào)表(按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定),并可查詢各種常用的類監(jiān)控報(bào)表(按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定)。并提供報(bào)表打印輸出功能,能夠?qū)⒔缑嫔巷@示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表格,所見(jiàn)即所得地打印出需要的報(bào)表。
(10)系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理功能包含用戶權(quán)限管理、日志管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等功能。
在本文所研究確立的系統(tǒng)總體框架的基礎(chǔ)上,已經(jīng)完成初步設(shè)計(jì),目前正在開(kāi)展實(shí)施工作,計(jì)劃2016年系統(tǒng)投入使用。系統(tǒng)的建成有利于濕地型水生態(tài)修復(fù)模式的研究分析,最終可以在整個(gè)巢湖流域乃至全國(guó)范圍內(nèi)的湖泊生態(tài)修復(fù)中進(jìn)行成功應(yīng)用。
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X84
A
1673-0038(2015)36-0321-02
2015-8-22
陳堃(1981-),男,工程師,碩士,主要從事水利水電工作。