蘑菇湖水庫水質(zhì)監測管理系統設計及應用研究

來(lái)源：http://thesierramadre.com/ 作者：余氯檢測儀 時(shí)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(wèn)題之一?，F結合新疆石河子蘑菇湖水庫水質(zhì)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(zhì)監測管理系統提出了設計方案,并給出了系統設計技術(shù)路線(xiàn)、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(zhì)監測管理系統需要考慮的問(wèn)題等關(guān)鍵技術(shù),可以為建設同類(lèi)水質(zhì)監測管理系統提供參考。

　　關(guān)鍵詞:水質(zhì)污染;水質(zhì)監測;系統設計;數據庫設計;系統集成

　　我國是一個(gè)水資源短缺的國家,人均水資源擁有量?jì)H為世界人均水資源擁有量的1/4。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)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(lái)說(shuō)更是雪上加霜,水危機已經(jīng)嚴重制約了我國經(jīng)濟的可持續發(fā)展[1-2]。早在20世紀中期,歐美有些國家就開(kāi)始關(guān)注水環(huán)境的污染,并對此展開(kāi)了研究。美國國家環(huán)保局在1964年開(kāi)發(fā)的STORET COGENT是國際上最早的大型水環(huán)境管理信息系統(Water Environmental Management Information System),簡(jiǎn)稱(chēng)WEMIS。同一時(shí)期,英國開(kāi)發(fā)出的水質(zhì)檔案系統(WAPZ),加拿大的國家水數據庫(NAQUADAT)也是較成功的水環(huán)境管理信息系統。到20世紀70年代末,發(fā)達國家幾乎都建成了為水環(huán)境管理提供支持的水質(zhì)監測管理系統。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(lái)已取得了很多成果,尤其是近年來(lái),我國幾大流域機構相繼提出并積極實(shí)施的“數字黃河”、“數字長(cháng)江”等工程,是中國水利現代化建設的一個(gè)重要組成部分。

　　作為解決水環(huán)境問(wèn)題的重要技術(shù)手段,水質(zhì)監測管理系統是“數字流域”工程建設的關(guān)鍵內容。然而,由于新疆地處偏遠地區,在水質(zhì)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(zhù)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(jìn)行有效查詢(xún),對各種突發(fā)污染事故實(shí)時(shí)報警并及時(shí)處理,選擇一個(gè)具有代表性的水庫實(shí)施水質(zhì)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(zhì)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(lái),其主要功能為調洪、灌溉、養殖。從20世紀60年代中后期開(kāi)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(lèi),且水庫處于重富營(yíng)養狀態(tài),已喪失養殖功能,長(cháng)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(tài)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(jìn)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(jìn)庫水量約為5 000多萬(wàn)m3;沙灣河水,年進(jìn)庫水量約為800萬(wàn)m3;泉水和井水補給,年進(jìn)庫水量約為1 000萬(wàn)m3。其中,廢污水約占水庫入庫水量的25%左右。2002年開(kāi)始,根據蘑菇湖水庫水功能現狀和水污染特點(diǎn),在水庫的進(jìn)出口、主要排污口匯入處、水庫中心區等按《水環(huán)境監測規范》的具體要求布設了8個(gè)水質(zhì)監測斷面,于每年4月、5月、6月進(jìn)行3次全面的采樣分析,選擇能反映水質(zhì)現狀和《水環(huán)境監測規范》中水庫必測的項目進(jìn)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(zhì)狀況綜合水質(zhì)級別為劣Ⅴ類(lèi),有機污染項目和富營(yíng)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(lèi)型為有機和有毒雙重污染,水體處于重富營(yíng)養狀態(tài)。蘑菇湖水庫東壩區斷面、蘑引渠入庫口區斷面水質(zhì)狀況綜合水質(zhì)級別也為劣Ⅴ類(lèi),有機污染項目和富營(yíng)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(lèi)型為有機和有毒雙重污染,水體處于重富營(yíng)養狀態(tài)。上述結果表明:蘑菇湖水庫目前處于嚴重污染狀態(tài),水庫屬于超Ⅴ類(lèi)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(lèi)型為有機和有毒雙重污染,整個(gè)庫區水體處于重富營(yíng)養狀態(tài)。按功能評價(jià),目前蘑菇湖水庫只能勉強用于農業(yè)灌溉,不能用于養殖。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(guò)GB 88978-1996《污水綜合排放標準》中的二級標準。2002年環(huán)境監測部門(mén)對石河子市蘑菇湖水庫監測顯示綜合營(yíng)養狀態(tài)指數為74.7,2005年的綜合營(yíng)養狀態(tài)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(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(guò)調查分析,已經(jīng)確定12家企業(yè)作為主要工業(yè)污染源進(jìn)行重點(diǎn)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(zhì)污染對以下四個(gè)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(jìn)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、調洪能量。蘑菇湖水庫設計最大蓄水量為1.8億m3,如今實(shí)際最大蓄水量?jì)H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(xué)成分復雜,對渠系配套設施,特別是金屬類(lèi)設備腐蝕嚴重。②對農業(yè)的影響。根據環(huán)保資料統計結果,蘑菇湖水質(zhì)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(yè)的影響。根據城市總排污口水質(zhì)監測結果,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,數萬(wàn)噸的需氧量將導致水體溶氧的缺乏,特別是冬季或藻類(lèi)光合作用減弱季節,水體溶氧降至魚(yú)類(lèi)忍耐限度以下,魚(yú)類(lèi)會(huì )窒息而死亡。④對生態(tài)環(huán)境的影響。20世紀60 年代,蘑菇湖消落區植被完好,曾是許多鳥(niǎo)類(lèi)生長(cháng)、棲息和繁殖的良好場(chǎng)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(niǎo)類(lèi)的天堂。

　　2 蘑菇湖水庫水質(zhì)監測管理系統設計

　　系統設計的前提是可行的技術(shù)路線(xiàn)設計,包括:前期基礎資料的收集、系統開(kāi)發(fā)環(huán)境的確定、水質(zhì)管理相關(guān)理論的研究、水質(zhì)管理系統功能模塊設計、水質(zhì)管理系統數據庫的設計、系統開(kāi)發(fā)是否滿(mǎn)足需求、工程實(shí)際應用等[6-8],具體流程如圖1所示。

　　圖1 蘑菇湖水庫水質(zhì)監測管理系統技術(shù)路線(xiàn)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(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(huì )經(jīng)濟和生態(tài)的影響等內容[9-11]。系統開(kāi)發(fā)環(huán)境的確定包括:開(kāi)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;開(kāi)發(fā)工具軟件使用BORLAND公司的Delphi 7.0,數據庫服務(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(xún)國內外有關(guān)水質(zhì)管理、水質(zhì)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(zhì)監測的實(shí)際情況進(jìn)行研究,從而設計出適用于蘑菇湖水庫水質(zhì)監測管理系統的技術(shù)路線(xiàn)。

　　技術(shù)路線(xiàn)設計完成后,即可進(jìn)行蘑菇湖水庫水質(zhì)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(yè)標準并結合本地實(shí)際需求情況,設計蘑菇湖水庫水質(zhì)監測管理系統主要由5個(gè)子系統組成。①數據庫管理子系統。內容包括:進(jìn)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(zhì)監測管理子系統。內容包括:基本信息查詢(xún),可以對排污口、測站、監測斷面、監測儀器等基本信息進(jìn)行查詢(xún)。監測數據查詢(xún),能夠對歷史、實(shí)時(shí)監測數據進(jìn)行按時(shí)間、測站、斷面等參數進(jìn)行查詢(xún)。監測數據處理,可以對歷史、實(shí)時(shí)數據進(jìn)行同期數據比較和數據趨勢分析;同時(shí)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(diǎn)顯示,測站監測數據基本信息顯示,可實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示,能夠實(shí)時(shí)添加新排污口。污染事故實(shí)時(shí)顯示,地圖中設置各個(gè)監測斷面監測數據指標,超過(guò)相應指標,能夠實(shí)時(shí)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(lèi)型、監測報表、統計報表、業(yè)務(wù)報表等,可以調用數據庫中數據自動(dòng)生成報表中數據,也可以手工輸入數據;同時(shí),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(zhì)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(zhì)量的好壞將對系統的效率、功能的擴展產(chǎn)生很大的影響。合理的數據庫結構有利于應用程序的實(shí)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(hù)需求研制數據庫結構的過(guò)程,具體的說(shuō),是指對于一個(gè)給定的應用環(huán)境,構造最優(yōu)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(mǎn)足用戶(hù)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(shí)施、數據庫的運行和維護等幾個(gè)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(hù)標識、存取控制、定義視圖、使用存儲過(guò)程等四種安全措施來(lái)保證數據庫安全。依據數據庫設計規范和國家水利行業(yè)標準SL325-2005《水質(zhì)數據庫表結構與標識符規定》,蘑菇湖水庫水質(zhì)監測管理系統數據庫目錄見(jiàn)表2。

　　3 蘑菇湖水庫水質(zhì)監測管理系統應用需要考慮的問(wèn)題

　　考慮到水質(zhì)監測數據傳輸方式可靠性和先進(jìn)性及數據傳輸成本的問(wèn)題,整個(gè)系統采用基于GPRS的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)[13-16]。這樣,中心控制站人員就可以通過(guò)GPRS以無(wú)線(xiàn)的方式或通過(guò)Internet 接入GPRS 網(wǎng)絡(luò ),數據庫服務(wù)器接收從各水質(zhì)監測站發(fā)來(lái)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(zhì)監測站的監視控制以及水質(zhì)信息的存儲、動(dòng)態(tài)監測、信息查詢(xún)、數據統計等功能。不同地理位置的系統訪(fǎng)問(wèn)人員也可以通過(guò)GPRS提供的無(wú)線(xiàn)接入Internet的方法,訪(fǎng)問(wèn)中心控制室應用程序,查詢(xún)水質(zhì)實(shí)時(shí)監測數據或者歷史監測數據并打印各類(lèi)報表。

　　水質(zhì)監測站點(diǎn)位的選擇應考慮是否具有代表性,是否真實(shí)地反映所監測水體的質(zhì)量狀況等問(wèn)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(wú)湍流、無(wú)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(jìn)行比較測試,當二者水質(zhì)存在較大差別時(shí),應考慮變更監測站的位置。③調查清楚監測點(diǎn)的水流狀況、常年水位和氣溫等因素,以便供取水設計時(shí)使用。④為了確定符合監測現場(chǎng)要求的水質(zhì)自動(dòng)監測儀量程,應提前確定各個(gè)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(zhì)自動(dòng)監測儀供應商進(jìn)行現場(chǎng)培訓。

　　4 結語(yǔ)

　　對于在河流、平原水庫等地表水進(jìn)行水質(zhì)自動(dòng)監測在新疆才剛剛起步,隨著(zhù)對本系統不斷的開(kāi)發(fā)升級,還會(huì )存在不少問(wèn)題需要解決。本項研究是新疆生產(chǎn)建設兵團科學(xué)技術(shù)局組織的“水質(zhì)信息管理關(guān)鍵技術(shù)研究及系統集成”項目的前期試點(diǎn)工作,目前正處于測試階段,但由于對水質(zhì)管理過(guò)程中復雜業(yè)務(wù)的了解不能做到面面俱到,對數據及其處理過(guò)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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