（水利工程专业论文）天津市水环境监测管理信息系统的研究.pdf

中文摘要 人类生存环境的退化是毅世纪全球可持续发展所面临的重大问题，保护水 资源，改善水环境己成为当前乃至今后各级政府所面临的一项重要工作。作为 水资源保护有效手段的水环境自动监测技术就显得十分重要。 目前水环境监测信息的来源主要依附于各级水环境监测实验室，而水环境 监测、管理部门间信息的传递、处理和管理目前均为人工方式，信息处理速度 慢，管理水平和工作效率低，所获得水质数据难以及时反映水质情况，无法发 现突发的污染事故，远远满足不了多方位、多信息、高速度、高水平的管理要 求。随着现代高科技突飞猛进的发展，电子技术、通信技术及计算机技术的广 泛应用，为水资源管理现代化提供了强有力支持。 本文的工作旨在研究和探讨建立起天津市水环境自动监测管理信息系统， 结合国外高新传感器技术，把监测数据实时自动采集、存储，利用有线电话、 手机等通讯手段，将数据传输到控制中心，通过计算机技术及多媒体技术对水 环境常规监测数据、自动监测数据及水环境相关信息进行分析评价、预测。 文中重点是研究水质监测信息管理系统的开发，在整理和分析现有资料的 基础上，综合运用计算机、水质监测等多方面技术，将基础信息的管理、图形 显示等融为一体。采用d e l p h i7 作为开发工具，选用m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 为数据库软件，目的是更有效地实现基本信息查询和维护、水环境评价、水质 报表输出等功能，实现地表河流水质监测日常事务处理和专业管理的自动化和 科学化。为改善相应管理部门的管理模式、提高监测信息的准确性和实效性， 为管理决策提供科学依据、为服务公众提供信息保证。 关键词：水环境自动化监测g s mm i s 水质模型 a b s t r a c t h u m a nli v i n ge n v i r o n m e n t d e g r a d a t i o ni sn e wc e n t u r yc o n t i n u i n g d e v e l o p m e n ti nf a c e o fp r o b l e mi nw h o l ew o r l d ，p r o t e c tw a t e rr e s o u r c e ， i m p r o v ew a t e re n v i r o n m e n tb e c o m eav e r yi m p o r t a n c et a s ki ne v e r yl e v e l o fg o v e r n m e n tf r o mn o wt of u t u r e a u t o m a t i cw a t e ri n s p e c t i o nt e c h n o l o g y i sv e r yi m p o r t a n c ea n de f f i c i e n c yi n s t r u m e n tf o rw a t e rr e s o u r c e p r o t e c t i o n c u r r e n t l yw a t e ri n s p e e t i o di n f o r m a t i o ni sa c c o r d i n ge v e r yl e v e lo f w a t e re n v i r o n m e n ti n s p e c t i o nl a b o r a t o r y ，a n dt h ei n f o r m a t i o nt r a n s f e r i nb e t w e e nw a t e re n v i r o n m e n ti n s p e e t i o na n dm a n a g e m e n td e p a r t m e n t s ， t r a n s a c t i o na n dm a n a g e m e n ta r ed o n eb ym a n u a lw o r km e t h o d t h e i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts p e e di ss l o w ，m a n a g e m e n te f f i c i e n c ya n dw o r k e f f i e i e n c ya r el o w ，t h ew a t e rq u a l i t yin f o r m a t i o nd i f f i c u l tt or e f l e c t w a t e rs i t u a t i o no nt i m e ，u n a b l et od i s e o v e rt h ew a t e rp o l l u t i o nc a s e s u d d e n l yh a p p e n ，i ti s c a nn o tf u i f i l l r e q u i r e m e n t so fh i g hl e v e l i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t b a s eo nc u r r e n tf a s tg r o w i n gh i g h t e c h ， e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y a r ew i d e l yu s e d ：t h o s ep r o v i d es t r o n gs u p p o r tt ot h ew a t e rr e s o u r c e m a n a g e m e n tt ob e c o m em o d e r n i z a t i o n t h ep u r p o s eo f t h i sa r t i c l ei st oi n v e s t i g a t ea n dd i s c u s sa b o u t e r e a t i o no ft i a n j i na u t o m a t i cw a t e re n v i r o n m e n ti n s p e c t i o ni n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ，i t i s i n t e g r a t e w i t ho v e r s e ah i g h 一1 e v e ls e n s o r t e c h n o o g y ，t h ei n s p e c l i v ei n f o r m a t i o ni sr e a lt i m ea u t o m a t i cc o l l e c t i o n s t o r a g e ，a n du t i1i z et h ew i r et e l e p h o n e ，h a n dp h o n ea n de t ct ot r a n s f e r i n f o r m a t i o nt oc o n t r o lc e n t e r ，t h r o u g ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d d i at e e h n 0 1 0 9 yr o u t i n e l yt oi n s p e c tw a t e re n v i r o n m e n td a t a i c a l l y ，a n da n a l y s i sw a t e re n v i r o n m e n tr e l a t e di n f o r m a t i o nt o e v a l u a t i o na n df o r e c a s ti n f o r m a t i o n m a i np o i n to f t h i sa r t i c l ei sr e s e a r c ht h ew a t e ro u a l i t y i o ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e md e v e l o p m e n t w h i l em a n a g ea n d se x i s t i n ge l e m e n t a r y d a t a ，t h e ya r ei n t e g r a t e dw i t hc o m p u t e r w a t e rq u a l i t yi n s p e c t i o na n de t cm u l t i p l et e c h n o l o g y ，t oi n t e g r a t et h e e l e m e n t a r yd a t aa n dg r a p h i cd i a g r a ma n de t ct ob e c o m eo n e u s i n gd e l p h i 7a ss y s t e md e v e l o p m e n tt o o l ，m i c r o s o f ts q ls e r v e ra sd a t a b a s e ，t h e p u r p o s e sa r em o r ee f f e c t i v et oi m p l e m e n tb a s i ci n f o r m a t i o nq u e r ya n d m a i n t e n a n c e ，w a t e ra n y i r o n m e n te v a l u a t i o n ，w a t e rq u a l i t yr e p o r t e x p o r t a n de t cf u n c t i o n a l i t i e s ，a n di m p l e m e n tt h ee a r t h ss u r f a c er i v e rw a t e r q u a l i t yi n s p e c t i v et r a n s a c t i o np r o c e s sw i t hp r o f e s s i o n a la u t o m a t e da n d s c i e n t i f i em a n a g e m e n ti nd a i l yb a s i c t oi m p r o v er e l a t e dm a n a g e m e n t d e p a r t m e n t s m a n a g e m e n t a p p r o a c h e s ， i n c r e a s e t h e i n s p e c t i v e i n f o r m a t i o na c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y ，t op r o v i d es c i e n t i f i ci n f o r m a t i o n f o rm a n a g e m e n td e c i s i o nm a k i n g ，p r o v i d et h ei n f o r m a t i o ng u a r a n t e e s e r v i c et op u b l i c k e yw o r d ： w a t e re n v i r o n m e n ta u t o m a t i ci n s p e c t i o n g s mm i sw a t e rq u a li t ym o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 戤 签字日期：瑚r年j - 月印日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复翎手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 弦职 导师签名 f 裤路 签字日期：- 疗年f 月如日 签字日期：亿一年i 7 月伽日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水是人类赖以生存的资源，随着社会的进步、经济的不断发展，水污染与 水资源短缺f i 趋严重，已成为我国经济社会可持续发展的重要制约因素。我国 各级水环境保护部门已逐渐认识到及时、准确、高效地获取与处理水环境信息 的重要性，认识到在水环境保护工作中应用信息技术的重要性。 促进国民经济持续协调发展，全面贯彻水法要求，加强水资源保护， 需要将水质监测与分析评价工作与信息化紧密结合，以促进生产力水平的提高。 为了更好地管理水质信息，在天津水利系统内实现水质信息的快速交换和信息 共享，提高水质评价的时效性，以便更好地为水资源管理与保护工作提供优质 服务，因此研究开发了天津市水环境监测管理信息系统( 以下简称本系统) 。本 系统运用现代信息技术手段管理水质信息，以推动水利信息化的发展，为进一 步实现水资源信息共享、分析评价和决策支持奠定良好的基础。 1 2 水环境监测概述 环境是指围绕着人类所构成的空间中可以影响人类生存与发展的各种自然 因素与社会因素的总体。人类的大多数活动都直接或问接地与环境发牛着联系， 人类同环境进行着物质和能量的交换。 环境监测是环境科学的一个重要分支学科。“监测”词的含义可理解为监 视、测定、监控。广义上，是在定时期内对污染因子进行重复测定，追踪污 染物种类、浓度的变化；狭义上，是对污染物进行定期测定，判断是否达到环 境标准或评价环境管理和控制环境系统的效果。 环境监测对象主要包括大气、水、土壤、生物体的化学污染物，还有固体 废物和物理环境要素的监测。 水污染监测包括环境水体监测及废水监测两部分，主要监测项目大体司分 为两类：一类是反映水质污染的综合指标，如温度、色度、浊度、p h 值、电导 率、悬浮物、溶解氧( d o ) 、化学需氧量( c o d ) 和生物需氧量( b o d ) 等； 另。类是一些有毒害性的物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞、镍、有机农 药等。废水监测的具体项目和污染源的性质有关，一般同步测定基本水文特征。 水环境监测是水文工作的一个重要组成部分，也是水瓷源管理与保护工作 水环境监测是水文工作的一个重要组成部分，也是水瓷源管理与保护工作 第一章绪论 的基本手段，其核一1 5 , 内容是监测与分析评价水资源的质量状况及其变化规律， 为国家和各级政府开发利用、管理与保护水资源提供科学依据。水环境监测任 务概况起来主要有： 1 、对水环境各项要素进行常规性监测，及时、准确地掌握和评价水环境质 量状况及发展规律。 2 、对重点水域、重点水功能区、主要入河排污口实施监督性监测，及时、 准确地掌握重点水域水环境状况、重点水功能区达标情况、主要入河排污口达 标情况及变化趋势。 3 、开展水环境监测科学技术研究，加大水环境监测的科技含量，完善水质 信息系统建设。 4 、为各级政府水行政主管部门全面开展水资源保护工作提供准确、可靠的 数据和分析评价报告。 1 3 水环境信息管理系统国内外研究概况 现今水利资源的利用主要表现在利用现代科学技术手段管理各种水利建筑 物设施，其水平已达到了相当高的程度，为了更为有效的利用这些水利设施以 及有效的对已有河网水质资料进行合理分析利用，水质监测管理科学化研究工 作的重要性已提到了必要的高度。建立一个科学的管理信息系统势在必行。 1 3 1 水环境监测方面 水质自动监测系统指的是在一个水系或一个区域设置若干个装有连续自动 水质监测仪器的监测子站与计算机控制中心，组成采样和测定的网络。7 0 年代 初，日本及欧美一些国家在一些水系建立了水文和水质连续自动监测系统及污 染源水质连续自动监测系统。我国主要是近十年开始进行这方面工作。 国外在城市污染源及江河流域的水质监测方面起步较早，相关传感器、自 动化仪表、监测系统已十分成熟，水质监测c o d 、b o d 、s s 、酚、浊度、p h 值等 在线监测己十分普遍。现场监测l a b 方式，即由多功能监测仪器及智能测试设 备组成现场实验室，完成实时监测及数据传输、控制采样等功能，通讯方式采 用卫星通讯及无线电台通讯相结合的方式。计算机中心采用专业软件进行数据 分析及实时处理，并对出现的越限报警信号提供相应控制命令，并接通应急处 理中心，采取紧急措施将污染在最短的时间控制住。美国、日本、加拿大等发 达国家早已实现了水利信息化进程，达到了水资源管理和利用的数字化、网络 2 第一章绪论 化和决策科学化。 对水体进行综合治理是解决水资源问题的一个重要方面，而水体治理工作 的重要依据是监测数据，但水质监测涉及到的项目达1 0 0 多项，取样化验分析 计算技术复杂，工作量相当大。由于我国国情与发达国家不同，水质污染物的 主要测报对象也有所区别，对水质的自动监测工作又增加了难度，我国水环境 信息获取和处理的技术手段还远不能满足实际需要。多年来，一直采用人工采 集、分析数据、手工汇总制表为主要工作手段。由于采样间隔时间长，数据分 析汇总慢，传递不及时，难以对当地的环境现状正确、及时地进行整体把握。 国内在水质监测信息化整体应用上十分有限，部分产品已具有相当的技术与应 用基础，但功能不够完善。在线测试仪器较为缺乏，小型化方面远远不够，通 讯手段相对落后，计算机中心未实现联网，应急处理更是无从谈起。 我国环境信息获取和处理的技术水平还比较低，环境监测技术手段基本还 停留在常规阶段，对环境污染和生态还不能实现大面积、全天候、全天时的连 续动态监测。也很难对水域流域情况、水生态环境破坏、水生物多样性状况、 重大环境事故等信息进行科学的分析、处理和评价。 1 3 2 通信方面 近几年来，我国移动通信业呈现出前所未有的快速增长态势，移动电话普 及率快速增长。同时，短信业务异军突起，成为移动市场一大业务亮点。目前 世界上大概有7 5 的手机使用的标准是g s m 。g s m 是g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s 的缩写，意为全球移动通信系统，是世界上主要的蜂窝系统之 一。g s m 是基于窄带t d m a 制式，允许在一个射频同时进行8 组通话。g s m 在上 个世纪8 0 年代兴起于欧洲，1 9 9 1 年投入使用。到1 9 9 7 年底，己经在i 0 0 多个 国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。到了2 0 0 1 年，在全世界的1 6 2 个国 家已经建设了4 0 0 个g s m 通信网络。但g s m 系统的容量是有限的，在网络用户 过载时，就不得不构建更多的网络设施。值得欣慰的是g s m 在其他方面性能优 异，它除了提供标准化的列表和信令系统外，还开放了一些比较智能的业务如 国际漫游等。g s m 手机的方便之处在于它提供了一个智能卡，人们称之为s i m 卡， 并且机卡可以分离，这样用户更换手机并且定制个人信息这方面都十分便利了。 g s m 手机还允许用户接收1 6 0 字长度的短信息。 随时上网的g p r s ：g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的中文含义为 整合封包无线服务，它是利用“分封交换”( p a c k e t - - s w i t c h e d ) 的概念所发 展出的一套无线传输方式，是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数 第一章绪论 据承载业务，我们可以将g p r s 理解为g s m 的一个更高层次。所谓的分封交换就 是将数据分装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有 点像寄包裹，采用分封交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽， 而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式。 g p r s 的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏 览等。与w a p 不同的是，用w a p 上网就如在家中上网，先“拨号连接”，上网 后便不能同时使用该电话线，但g p r s 就较为优越，下载资料和通话是可以同时 进行的。从技术上来说，声音的传送( 即通话) 继续使用g s m ，而数据的传送便 可使用g p r s ，这样的话，就把移动电话的应用提升到了一个更高的层次。而且 发展g p r s 技术也十分“经济”，因为只需沿用现有的g s m 网络来发展即可。 g s m 网络作为国家投资建设的一个公共移动通信网，网络覆盖面积大、技术 先进、各种服务齐全，为水文、水质遥测数据传输提供了一个的信道。 1 3 3 水环境管理信息系统方面 随着计算机应用技术的发展，水环境管理信息系统走过了从文本数据处理 与显示、关系数据库辅助数据处理与图表显示、输入输出模块化处理与空间图 形显示到g i s 集成系统处理与动态模拟显示四个阶段。 ( 1 ) 文本数据处理与显示 早期的信息管理系统程序建立在d o s 操作系统平台上，虽然操作比较简单， 但是其输入输出的表达却很单一，仅以字符方式显示。特别是输入部分要用 a s c i l 码文件编辑器编写，缺少相应提示，容易出错。 ( 2 ) 关系数据库辅助数据处理与图表显示 当w i n d o w s 操作平台出现后，有关专家开始借助于e x c e l 、a c c e s s 等软件 进行模型参数的预处理，通过关系数据库的求和、求平均值、排序、多项式、 多表交叉等运算功能，实现了从实测数据中提取水动力和水质参数，对于显示 结果采用曲线、点值线等统计图表的方式反映某一时段的河网水动力和水质某 一参数的状态。 ( 3 ) 输入输出模块化处理与空间图形显示 1 9 9 0 年以来，桌面g i s ( 地理信息系统) 在土地、交通、规划和环境等部 门的管理中的应用开始普及起来。有关专家尝试将水动力和水质模型的结果与 河网的河段地图图形进行联接，从而使水位、水量、污染物浓度变化等结果在 屏幕上以可变尺度和内容的专题地图形式表现出来。 4 第一章绪论 ( 4 ) g i s 集成系统处理与动态模拟显示 近几年来，面向对象的可视化编程语言使友好的用户界面设计变得很容易。 控件技术的出现，使得g i s 与面向对象的可视化编程语言的集成开发流行起来。 目前国际上一些水环境研发机构正运用g i s 集成技术致力于能进行水环境空间 动态模拟系统的研究。 西方发达国家的一些研究机构近年来致力于水环境模型的研究及其软件的 开发，出现了荷兰d e l f th y d o l i c s 、丹麦d h i ( d a n i s hh y d r o l i c si n s t i r u e ) 和美国陆军工兵团等著名的水力研究所，各自推出了一系列国际上通用的商业 模型分析系统，其中具有代表意义的产品为d h i 公司开发的m i k el l 。 m i k e1 1 为一完整的模型分析系统，可模拟一维河川、渠道、灌溉系统、 降雨径流及污染物对流扩散现象。该模型虽为一维模式，但对于单一或是复杂 的河川与渠道系统，模拟能力极佳。m i k e11 包括流体水力学模块、对流扩散模 块、水质模块以及泥沙输运模块四个基本模块，同时还提供了降雨径流、水文 过程线、洪水预报、重金属与水质、湿地、拟定量状态、溃坝分析等附加模块。 m i k e1 1 还将g i s 系统与河流数值模拟技术结合起来，推出了与a r c v i e w 完全集 成的m i k e1 1g i s ，为模型的前处理与后处理提供了良好的平台。作为国际上著 名的软件，m i k e1 l 目前已成为英国及其他欧洲国家水动力与水质模型的工业标 准，美国的一些联邦机构也纷纷应用m i k e1 1 开展河流洪水与水质方面的模拟 分析研究工作。 除上述商业模型软件外，一些国家的政府部门及科研机构还免费向全世界 用户提供一些共享模型软件，可直接从互联网上下载。在这类软件中，以美国 国家环保局( u s e p a ) 环境研究实验室开发的水质模型软件w a s p 最为著名。w a s p 的全称为t h ew a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u f a t i o i lp r o g r a m ，即水质模拟程序， 它由美国国家环保局环境研究实验室开发，并将源程序向全世界公开。w a s p 系 统由两个独立的程序组成：水动力模型程序d y n h y d 和水质模型程序w a s p 。两个 程序之间的连接方式为：水动力模型向水质模型传递满足计算要求的具有规定 格式的水动力数据文件( h y d ) ，水动力数据文件包含的内容中有概化的河网 结构、各河段体积、相邻河段间的流量等。而水质模型程序w a s p 又由两个模块 组成：模拟有毒物质污染的t o x i 和模拟常规水质的e u t r o 。w a s p 是按照开放性 的软件工程思想来开发的。利用w a s p 提供的所有程序源代码，用户可对w a s p 进行二次开发。w a s p 允许用户对各种常量、变量进行确定，对许多反应动力过 程进行拼接，所有这些都是在一个大的模型框架内而无须编写或重写大量的程 序代码。 第一章绪论 直接引进国外软件不能满足我国水环境分析任务，原因其一为目前国际化 软件均为英文版，难以完全汉化；其二我国水环境有其特殊性，不能照搬国外 的模型。水环境分析模型系统的本土化开发是促进我国水环境科学进步的一个 重要途径。由于我国的城市化水平很低，经济发展水平也不高，大部分城市水 环境治理才m i n i 开始，还有漫长的路要走。在水环境治理工作中，全面、深入 地完善水环境分析模型系统的各种功能，力争开发出适用于我国大多数沿海城 市水环境分析的通用功能模块，以便为我国水环境治理提供有力的决策支持工 具。 1 3 4 水环境模型系统方面 1 、水质模型的概述 所谓模型就是对实际的抽象，并且常常t e 实际要简单。系统是由相互作用 和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。模型的研究方 式，就是用模型来代替实际的系统进行研究。这种替代可以是简单的，也可以 是复杂的，这就要看研究的系统所需要的目标或处理的情形而定。通过模型可 以体现系统的特性和功能。 模型可以从它的形态来分为以及几类： ( 1 ) 实体模型。按一定比例将实体缩小( 或放大) ，例如为了研究广州水 道在通过广州市工业污水排放区后造成广州至虎门段水道污染的情况，珠江水 利委员会水科所建立了广州水道实体模型，在模型中进行各种要求的试验及观 测，选择最佳污染控制与治理方案。实体模型的造价往往是十分昂贵的。 ( 2 ) 模拟模型。例如可利用电流来模拟水力学中的闸底渗流，这叫电模拟。 ( 3 ) 数学模型。以数学符号和形式来表示系统的状况及运行。用变量表示 状态，用方程表示约束条件，用函数表示系统目标，从而建立起一套数学模型。 由于实体模型太昂贵的缘故，目前运用最多的是数学模型。而建立数学模 型对系统进行研究是系统论的基础。 河流水质模型就是用数学模型的方法来描述污染物质在排入天然河流后所 产生的稀释、扩散、自净的规律的方法。与其它形式模型相比较，数学模型不 需要过多的专用设备和工具，可以节省大量的实验费用。特别是计算机的大量 应用，更为数学模拟开辟了广阔前景，这是其它模型方法所不可比拟的。 利用计算机使用数学模型来对河流水质进行预测和控制是十分有效的。在 受研究者控制的环境中，研究者可以研究各种组份在各种条件下的状态和演变 6 第一章绪论 规律；可以考察河流系统对各因素或参数的灵敏度和系统的稳定性，特别是在 一些临界状态( 或危险状态) 下：可以在深度和广度上取得有意义的数据和资 料；可以根据各种需要和可能作出多方案的模拟和比较，让决策者有更多的选 择。所以，应用水质模型方法是河流污染控制与治理的必然，并且作为个有 力工具。被广泛应用于河流环境规划、管理、环境影响评价以及环境质量预测 中。 2 、水质模型研究的发展 从1 9 2 5 年s t r e e t e r p h l e p s 算起，水质模型有7 0 多年的研究历史。国际 上从水质模型研究发展的时间上看，大致可以分为以下三个阶段： 第一阶段( 1 9 2 5 年至1 9 8 0 年) ： 这一阶段模型研究对象仅是水体水质本身，被称为“自由体”阶段。在这 一阶段模型的内部规律只包括水体自身的各水质组份的相互作用，其它如污染 源、底泥、边界等的作用和影响都是外部输入，如图1 1 所示。 第一个河流溶解氧( d 0 ) 模型( s t r e e t e r p h l e p s 模型，1 9 2 5 年) 提供了 水中有机物氧化作用与同时发生的复氧过程的关系式。这种模型框架保存了很 长时间，直到1 9 5 8 年，0 c o n n e r 和d o b b i n s 对复氧系数进行了深入的理论分 析，取代了仅仅利用观测得到复氧系数的方法为止。他们还将河流溶解氧模型 扩展到河口，并且开发了时变的模型。在水质模型发展第一阶段的末期，模型 受到了另一个巨大的挑战。由于过剩营养输入而产生的水体富营养化问题。为 应付这个问题，模型增加了相互作用的状态变量( 水质组份) ，从而模型复杂了。 更有甚者，一些模型包括了营养物和水生植物、水生动物之间的非线形相互作 用。 图1 1 第一阶段水质模型“自由体”阶段 仅仅是水体 这一阶段的模型发展开始于点源，但随着对面源控制的要求和将以前外部 7 第一章绪论 过程如底泥作用内在化的要求增加，应用这类模型的时代便结束了。 第二阶段( 1 9 8 0 年至1 9 9 5 年) ： 从1 9 8 0 年至1 9 9 5 年可以作为水质模型快速发展的第二阶段，这一阶段模 型发展如下：( 1 ) 在状态变量( 水质组份) 数量上的增长；( 2 ) 在多维模型系 统中纳入了水动力模型；( 3 ) 将底泥作用纳入了模型内部；( 4 ) 与流域模型进 行连接以使面污染源能被连入初始输入。 在这一阶段，由于能对流域内面源进行控制，从而使管理决策更完善；由 于将底泥的影响作为模型的内部相互作用的过程处理，从而在不同的输入条件 下底泥通量能随之改变；由于水质模型的约束更多了，预测的主观性大大减少 了( 见图1 2 ) 。 图1 2 第二阶段水质模型包括底泥、水动力模型，并与流域模型连接 第三阶段( 1 9 9 5 年至今) ： 随着发达国家对面污染源控制的增强，面源污染减少了。而大气中污染物 质沉降的输入，如有机化合物、金属( 如汞) 和氮化舍物等对河流水质的影响 日趋重要。虽然营养物和有毒化学物由于沉降直接进入水体表面已经被包含在 模型框架内，但是大气的沉降负荷，不仅直接落在水体表面，也落在流域内， 再通过流域转移到水体，这已成为日益重要的污染负荷要素。从管理的发展要 求看，增加这个过程需要建立大气污染模型，即，对一个给定的大气流域( 控 制区) ，能将动态或静止的大气沉降连接到一个给定的水流域。所以，在模型发 展的第三阶段，增加了大气污染模型，能够象对沉降到水体中的大气污染负荷 直接进行评估一样，对来自流域的负荷进行评估。在美国，将边界条件连接到 水体外部负荷的工作目前还处在研究中，对大多数海岸系统这一工作还未完成， 第一章绪论 这样的连接要求对模型研究领域进行了很大的扩展。( 见图1 3 ) 。 图1 3 第三阶段水质模型与大气模型连接后， 所有污染源都纳入了模型( 除开放边界外) 1 4 天津市建设水环境监测系统的重要性 与大气模 域污染源 天津市总面积为1 1 9 1 9 7 0 平方公里，其中水域面积3 1 5 8 9 1 平方公里，占总 面积的2 6 4 9 。天津市由于受地形、气候等因素影响，降水分布不均，自北向 南递减。多年平均降雨量，北部山区8 0 0 毫米。市区及周围近郊5 0 0 毫米左右。 天津水资源缺乏，人均在4 0 0 立方米以下，不到全国人均的1 ，6 ，加之时空分布 不均，可利用量更少。我市地下水可采量也很少，主要靠引滦和引黄来解决水 源，但如遇枯水年，市区仍面临严重缺水的威胁。 从现有水资源条件分析，天津市水资源由下述四部分组成： 1 、地表水。地表水资源由下列几部分构成： ( 1 ) 当地地表水资源：即天然降水形成的地表径流量，多年平均值为9 8 6 亿 立方米。 ( 2 ) 上游入境水量：绝大部分为平原和山区水库的弃水，多年平均值为18 4 亿立方米。 ( 3 ) 引滦水量：引滦水量到达我市的实收水量为7 5 0 一4 1 3 亿立方米。 2 、地下水。地下水资源量为8 1 7 亿立方米，可开采量为7 0 2 亿立方米。 3 、海水。近年来在发电行业用海水做冷却水，可替代一定数量的淡水，据 有关部门统计，年用量已达1 7 亿立方米以上。 4 、再生水：已建有两座污水处理厂，年处理污水能力为2 4 亿立方米。 9 第一章绪论 经过多年的探索和实践，天津市水环境监测工作的方针和目标如下： l 、提供及时可靠的水质信息。 探索适合在易发生污染事故的河段以及突发性污染事故中的应急监测方 式。即根据各河段具体情况确定主要的和敏感的水量水质指标，分河段逐站按 不同的水情、污情确定不同的监测频率。采取定点监测和干支流、上下游跟踪 监测相结合，河流水量水质同步监测和入河排污口水量水质同步监测相结合， 现场测定和实验室测定相结合的方式，及时掌握水量水质变化情况，并利用水 情通讯手段快速传递信息。对大量高浓度废污水的排入、积蓄和下泄可能造成 水质恶化或突发性污染事故提出警报，为当地政府及有关单位制定或采取应急 措施提供及时准确的信息。 2 、加强水量与水质相结合的监测分析评价工作。 随着水资源管理保护的加强和深化，对水质监测工作提出了更高的要求， 特别是要提高水量水质相结合的监测、分析评价水平：即要和水环境承载能力 及污水排放指标相联系；与水域使用功能区划、水域纳污能力、排放总量控制 指标相联系；与动态的水量状况相联系。因此，必须实行统一规划、统一组织 实施，将水质监测、水量监测和分析评价有机地联系起来。 3 、提供水量水质相结合的实时信息服务。 树立大水隋观念，防汛、抗旱、防污一起抓，水情、水质、水资源各部门 协同作战，上下游密切配合，把汛情、旱情、水量、水质有机结合，为防汛、 抗旱、防污和水资源优化配置提供水量水质结合的分析成果。对水情、旱情、 土壤墒情，水量的补给和消耗、产水量计算，工程拦蓄水量的所有水量、水质 状况及未来旱情发展及污染趋势等进行综合分析。把水情、旱情、水量、水质 结合起来，作出现状和预测的综合分析。 上述情况说明，天津市的水资源量非常短缺，而且对有些水资源量( 如雨、 洪) 的利用又十分困难。在这种形势下，必须建立节水型社会，用现代化先进 技术对水资源进行科学保护管理及优化调度配置，就显得更为重要。因此，对 水环境实施监测管理信息系统的研究和建设，不仅非常重要，而且具有广阔的 应用前景。 天滓市水利信息化处于刚刚起步阶段，为了适应现代科学管理的需求，为 管理人员提供迅速、准确、详细的水质、水情资料、历史事实、文档，为决策 人员制定预案提供信息支持，有必要结合天津水质监测的特点，利用现代计算 机信息管理、数据库等技术来组织和处理这些庞大而复杂的信息，建立技术先 进、实用性强的水质监测管理信息系统。 1 0 第一章绪论 跟踪国际、国内科技发展动向，使水质监测的基础设施、仪器设备、应急 监测能力跟上发展形势的要求。水质信息的快速传输，是有效的管理与保护水 资源的重要保障，应充分利用现有的水情网，制定突发性污染事故的报告制度， 建立快速有效的水质信息系统，统一数据库结构。规范数据库管理，实现水质 信息快速传输，充分发挥水质信息在水资源管理保护中的作用。 1 5 本文的主要工作 目前水环境监测信息的主要来源依附于各级水环境监测实验室，而水环境 监测、管理部门间信息的传递、处理和管理丑前大多数采用人工方式，信息处 理速度慢，管理水平和工作效率低，所获得水质数据难以及时反映水质情况， 无法发现突发的污染事故，远远满足不了多方位、多信息、高速度、高水平的 管理要求，加强水环境自动监测已显得十分必要。 随着现代高科技突飞猛进的发展，利用电子技术、通信技术及计算机技术， 建立地表水、地下水水质自动化监测系统，可实时快速地反映水质变化、在防 止突发污染事故、领导及时了解情况、提供科学决策依据等方面起到重要作用， 也为向社会公布水质公报创造条件。 本课题研究内容是，结合国外高新传感器技术，把监测数据实时自动采集、 存储，利用有线电话、手机等通讯手段把数据传输到控制中心，通过计算机技 术及多媒体技术对水环境常规监测数据、自动监测数据及水环境相关信息进行 分析评价和预测。 水环境监测管理信息系统模块组成框图( 见图1 4 ) 。 图1 4 水环境监测管理信息系统模块组成框图 第一章绪论 l 、“水质自动监测系统”这一章节，主要论述了水质自动监测采用的方式； 自动监测设备的选用；通过遥测站建设，能定时自动监测各种水质和水情参数， 并自动发送到中心站，同时在站记录存储。当测站监测水质出现突发性污染事 故，或水质超规定类别标准，系统应立即发出告警信息；通过建设中心站，收 集各遥测站数据，处理入库：分中- t l , 通过网络下载所属遥测站数据。 2 、“监测数据通信系统”这一章节，主要比较了当前各种通信技术，分析 出g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 移动通信全球系统) 移动 公网通信技术的优缺点。随着g s m 移动通信的迅猛发展，g s m 短信息服务作为 g s m 网络的一种基本业务，已经得到众多系统开发商的高度重视，特别是g s m 移 动终端的推出，使得二次开发更方便、更迅速，以g s m 网络作为数据传输网络 的应用前景变得极其乐观，它在水文、水质信息传输领域上得到广泛应用。 3 、“水环境信息管理系统”这一章节是本文的重点，它以海河下游引黄水 质监测管理信息系统( h h w q m i s ) 的开发为背景，整理和分析监测资料，综合运 用计算机、水质监测等多方面技术，对水质基础信息进行管理，实现信息查询、 维护、水质报表输出等，为水环境评价和管理决策服务，实现水质监测日常事 务处理和专业化管理的自动化、科学化。采用市场流行的d e l p h i 7 作为开发工 具，选用w i n d o w s 操作系统和s q ls e v e r2 0 0 0 数据库操作系统软件，进行水质 数据的查询、存储、输出以及为决策分析服务。 4 、“水环境分析模型系统”这一章节，对水质数学模型进行了综述，对一 些常用的水质模型软件进行了分析，并介绍了一种模型计算方法。根据河流实 际的水文、水力特性及沿程排污规律分析，可以选择动态或静态水质模型分析 纳污后的河水水质变化规律。开发水质模型时，模型的适用范围、条件要特别 注意。一个好的水质模型不会比实际系统更真实。因此，必须根据变化着的实 际情况，对已建立起来的水质模型不断进行检验和修正，使其尽可能接近实际 系统。 j 、“结论和展望”这一章是全文的总结，包括本文研究所得出的一些主要 结论和进一步研究将面l i 缶的与需要解决的问题，以及本人的一些体会、想法和 建议。 水环境监测管理信息系统的总体设计框图( 见图1 5 ) 。 函尝拳魁捻凄螺垛咂妲鼎她器髻螺蕾长n【匝 镏勰柑】趺 第二章水质自动监测系统 第二章水质自动监测系统 水质自动监测是一个复杂的系统，其中包含了环境监测技术、分析化学、 仪器仪表等多方面内容。能否将其建成高质量、高效率的系统，将直接影响水 环境监测的质量及其作用的发挥。为了达到研究目的，通过对天津水体分布规 律和水环境现状的分析，考虑到不同水体水质对自然环境和社会环境的影响程 度，在建站方式、监测项目和仪器选择上做了调查和研究工作。 2 1 水质自动监测系统组成 水质自动监测系统，是由一个中心站、若干个分中心、监测站点和数据传 输、数据处理几部分组成。 监测自动系统集数据自动采集和系统控制为一体。各监测站可根据设定独 立工作，按要求自动采集水质参数和设备状态，自动记录并向中心站传输。根 据各站的通信条件，对比选择合适的通信方式( 如公众电话、g s m 、卫星通信等) ， 建立水质监测数据通信系统。重要站点可选用一种以上的通信方式保证数据的 可靠传输。 2 1 1 监测站 监测站由传感器、分析仪、数据采集通信控制器及通信设备组成( 见图2 1 ) 。 传感器、分析仪和通信设备采用国内或国外成品，根据我国的特点，采用高性 能、低成本的数据采集通信控制器。 数据采集通信控制器主要完成如下功能： l 、供数字输入输出接口及电流电压信号接口，采集水位、水温、p h 值、 电导、溶解氧等传感器参数和设备状态参数( 如供电状态、设备故障等) ： 2 、供电流或电压接口或通过r s 2 3 2 4 8 5 接口接入水质分析仪，完成通信 协议转换； 3 、监测参数及设备状态数据自记； 4 、提供通信线路接口以构成水质监测在线系统。 1 4 第二章水质自动监测系统 图2 1 监测站组成示意框图 测站系统应着重考虑几个方面：水质传感器的选择和水质的采样；水质自 动监测控制终端r t u 的可靠性和功耗；数据传输编码：电源和保护；标准化和 易维修。 水质自动监测控制终端r t u ，是由一块工业控制器p c 模块和i o 扩展接口、 电源控制板以及g s m 通信模块组