蘑菇湖水庫水質監測管理系統設計及應用研究

來源：http://www.ssgtcabling.net/ 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所面臨的重要問題之一?，F結合新疆石河子蘑菇湖水庫水質污染調查及影響分析,對在內陸平原水庫等地表水體建設水質監測管理系統提出了設計方案,并給出了系統設計技術路線、數據庫設計、系統總體框架與主要功能、系統集成和建設水質監測管理系統需要考慮的問題等關鍵技術,可以為建設同類水質監測管理系統提供參考。

　　關鍵詞:水質污染;水質監測;系統設計;數據庫設計;系統集成

　　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。隨著社會經濟的發展和城市規模的不斷擴大及用水量的持續增大,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,水危機已經嚴重制約了我國經濟的可持續發展[1-2]。早在20世紀中期,歐美有些國家就開始關注水環境的污染,并對此展開了研究。美國國家環保局在1964年開發的STORET COGENT是國際上最早的大型水環境管理信息系統(Water Environmental Management Information System),簡稱WEMIS。同一時期,英國開發出的水質檔案系統(WAPZ),加拿大的國家水數據庫(NAQUADAT)也是較成功的水環境管理信息系統。到20世紀70年代末,發達國家幾乎都建成了為水環境管理提供支持的水質監測管理系統。我國在水環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,我國幾大流域機構相繼提出并積極實施的“數字黃河”、“數字長江”等工程,是中國水利現代化建設的一個重要組成部分。

　　作為解決水環境問題的重要技術手段,水質監測管理系統是“數字流域”工程建設的關鍵內容。然而,由于新疆地處偏遠地區,在水質監測管理方面還相對滯后并亟待改善。新疆的現有河流同樣存在著一定的水質污染隱患,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。最新的一份環境公報顯示,2008年,新疆境內30%的河流水質有所下降,工業和生活污水對流經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情況進行有效查詢,對各種突發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監測管理系統建設和研究是十分必要的。

　　1 蘑菇湖水庫水質污染調查及影響分析

　　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陸平原水庫之一。其設計庫容1.8億m3,蓄水面積31.2 km2,蓄水量1.5億m3,多年平均調節水量2.2億m3,自1959年建成以來,其主要功能為調洪、灌溉、養殖。從20世紀60年代中后期開始,石河子市的工業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,水庫水質已降為劣Ⅴ類,且水庫處于重富營養狀態,已喪失養殖功能,長期引用蘑菇湖水庫污水灌溉的農田,重金屬含量及有機污染物造成土壤污染,已使灌區土壤生態系統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,根據蘑菇湖水庫水功能現狀和水污染特點,在水庫的進出口、主要排污口匯入處、水庫中心區等按《水環境監測規范》的具體要求布設了8個水質監測斷面,于每年4月、5月、6月進行3次全面的采樣分析,選擇能反映水質現狀和《水環境監測規范》中水庫必測的項目進行檢測分析。結果是蘑菇湖水庫出水口斷面、西壩區斷面、西壩附壩區斷面、庫心Ⅰ區斷面、庫心Ⅱ區斷面、沙灣河入庫口庫內區斷面水質狀況綜合水質級別為劣Ⅴ類,有機污染項目和富營養化指標超標率近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,水體處于重富營養狀態。蘑菇湖水庫東壩區斷面、蘑引渠入庫口區斷面水質狀況綜合水質級別也為劣Ⅴ類,有機污染項目和富營養化指標超標率在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,水體處于重富營養狀態。上述結果表明:蘑菇湖水庫目前處于嚴重污染狀態,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,整個庫區水體處于重富營養狀態。按功能評價,目前蘑菇湖水庫只能勉強用于農業灌溉,不能用于養殖。石河子市排污總干渠污水未經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年環境監測部門對石河子市蘑菇湖水庫監測顯示綜合營養狀態指數為74.7,2005年的綜合營養狀態指數為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企業有100余家,主要行業有化工、造紙、紡織、印染、釀酒、食品加工、制糖等企業。通過調查分析,已經確定12家企業作為主要工業污染源進行重點監測,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、調洪能量。蘑菇湖水庫設計最大蓄水量為1.8億m3,如今實際最大蓄水量僅有1.15億m3, 庫區中黑色腐泥最深處達到1.5 m,而且污水中化學成分復雜,對渠系配套設施,特別是金屬類設備腐蝕嚴重。②對農業的影響。根據環保資料統計結果,蘑菇湖水質現狀,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對漁業的影響。根據城市總排污口水質監測結果,2007年污染物的化學需氧量66 531.33 t,生化需氧量16 413.86 t,數萬噸的需氧量將導致水體溶氧的缺乏,特別是冬季或藻類光合作用減弱季節,水體溶氧降至魚類忍耐限度以下,魚類會窒息而死亡。④對生態環境的影響。20世紀60 年代,蘑菇湖消落區植被完好,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 蘑菇湖水庫水質監測管理系統設計

　　系統設計的前提是可行的技術路線設計,包括:前期基礎資料的收集、系統開發環境的確定、水質管理相關理論的研究、水質管理系統功能模塊設計、水質管理系統數據庫的設計、系統開發是否滿足需求、工程實際應用等[6-8],具體流程如圖1所示。

　　圖1 蘑菇湖水庫水質監測管理系統技術路線設計圖

　　前期基礎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、蘑菇湖水庫水環境容量和納污能力的初步計算、蘑菇湖水庫水質污染對社會經濟和生態的影響等內容[9-11]。系統開發環境的確定包括:開發平臺可以使用WINDOWS 2000、WINDOWS NT、WINDOWS 2003、WINDOWS XP等任一種目前流行的操作系統;開發工具軟件使用BORLAND公司的Delphi 7.0,數據庫服務器使用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。水質管理相關理論的研究主要是指:查詢國內外有關水質管理、水質監測管理系統設計的文獻和國家規范并結合蘑菇湖水庫水質監測的實際情況進行研究,從而設計出適用于蘑菇湖水庫水質監測管理系統的技術路線。

　　技術路線設計完成后,即可進行蘑菇湖水庫水質監測管理系統總體框架與主要功能的設計[12]。根據國家行業標準并結合本地實際需求情況,設計蘑菇湖水庫水質監測管理系統主要由5個子系統組成。①數據庫管理子系統。內容包括:進行數據庫的需求分析,設計數據庫的結構,建立連接及庫索引。②水質監測管理子系統。內容包括:基本信息查詢,可以對排污口、測站、監測斷面、監測儀器等基本信息進行查詢。監測數據查詢,能夠對歷史、實時監測數據進行按時間、測站、斷面等參數進行查詢。監測數據處理,可以對歷史、實時數據進行同期數據比較和數據趨勢分析;同時可以將歷史數據轉存至指定格式。③電子地圖管理子系統。內容包括:監測范圍內地圖顯示,河流、水庫、行政區劃分等基本信息顯示。測站顯示,地圖上測站分布點顯示,測站監測數據基本信息顯示,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、監測信息實時顯示,能夠實時添加新排污口。污染事故實時顯示,地圖中設置各個監測斷面監測數據指標,超過相應指標,能夠實時預警,顯示污染事故基本信息。④報表管理子系統。內容包括:報表類型、監測報表、統計報表、業務報表等,可以調用數據庫中數據自動生成報表中數據,也可以手工輸入數據;同時,還包括報表打印、保存、修改等。⑤幫助子系統。介紹系統各功能的使用方法和注意事項。

　　其中,水質監測數據庫是本系統的核心,系統數據庫管理子系統設計質量的好壞將對系統的效率、功能的擴展產生很大的影響。合理的數據庫結構有利于應用程序的實現,也有利于提高數據存儲的效率和保證數據的完整一致。數據庫設計是指根據用戶需求研制數據庫結構的過程,具體的說,是指對于一個給定的應用環境,構造最優的數據庫模式,建立數據庫及其應用系統,使之能有效的存儲數據,滿足用戶的信息要求和處理要求。按照規范設計方法,數據庫設計一般分為需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計、數據庫實施、數據庫的運行和維護等幾個步驟。數據庫設計還應考慮數據庫的安全,本系統采用了用戶標識、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據庫安全。依據數據庫設計規范和國家水利行業標準SL325-2005《水質數據庫表結構與標識符規定》,蘑菇湖水庫水質監測管理系統數據庫目錄見表2。

　　3 蘑菇湖水庫水質監測管理系統應用需要考慮的問題

　　考慮到水質監測數據傳輸方式可靠性和先進性及數據傳輸成本的問題,整個系統采用基于GPRS的無線傳輸技術[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 網絡,數據庫服務器接收從各水質監測站發來的數據,并保存在數據庫中,供系統軟件分析計算并完成對水質監測站的監視控制以及水質信息的存儲、動態監測、信息查詢、數據統計等功能。不同地理位置的系統訪問人員也可以通過GPRS提供的無線接入Internet的方法,訪問中心控制室應用程序,查詢水質實時監測數據或者歷史監測數據并打印各類報表。

　　水質監測站點位的選擇應考慮是否具有代表性,是否真實地反映所監測水體的質量狀況等問題[17-20],具體應考慮以下幾方面。①如果監測站設在河流上,應確定在水體均勻、流速相對穩定、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對斷面水質和取水口水質進行比較測試,當二者水質存在較大差別時,應考慮變更監測站的位置。③調查清楚監測點的水流狀況、常年水位和氣溫等因素,以便供取水設計時使用。④為了確定符合監測現場要求的水質自動監測儀量程,應提前確定各個監測站監測因子的大致濃度范圍,儀器安裝調試完成后,還應要求水質自動監測儀供應商進行現場培訓。

　　4 結語

　　對于在河流、平原水庫等地表水進行水質自動監測在新疆才剛剛起步,隨著對本系統不斷的開發升級,還會存在不少問題需要解決。本項研究是新疆生產建設兵團科學技術局組織的“水質信息管理關鍵技術研究及系統集成”項目的前期試點工作,目前正處于測試階段,但由于對水質管理過程中復雜業務的了解不能做到面面俱到,對數據及其處理過程理解不夠深入,因此本系統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用于新疆的各型水庫。

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