（环境工程专业论文）天津市水环境空间信息实时管理决策支持系统研究.pdf

摘要 本文以一个大城市的整个区域为研究边界，从陆地水文与水文地质大量资料 的分析研究入手，根据整个城市河流、水库特征类型和水体的功能区划分，通过 室内外标定、试验、现场测试及数值分析，建立一整套从水质监测、数据传输、 数据处理、数据查询检索、趋势分析、地理信息系统显示、对外发布的水质自动 监测评价系统。该水质自动监测评价系统充分利用环境监测、分析化学、计算机、 通讯等方面的技术内容，可及时反映水质变化的基本情况，为调水和及时处理突 发污染事故提供依据，为水环境管理部门决策提供支持。 关键词：水环境实时监测地理信息系统 a b s t r a c t t h ea r t i c l es t a r t sw i t hd i f f e r e n tw a t e rb o d yf u n c t i o na n dv o l u m eo f h y d r o l o g i c a ld a t u mb a s e do ne n t i r ea r e ao fo n eb i gc i t y t os e tu pac o m p l e t e s e to fw a t e r q u a l i t y s e l f - m o t i o n m o n i t o r i n g a n d e v a l u a t i n gs y s t e m i n c l u d i n gw a t e rq u a l i t ym o n i t o r 、d a t at r a n s m i s s i o n 、d a t ap r o c e s s i n g 、d a t a q u e r y 、t r e n da n a l y s i s 、g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e ma n di s s u eo nn e tb y t e s t 、i n o u td o o r sd e m a r c a t i o na n dv a l u ea n a l y s i si st h e a i mo ft h ea r t i c l e t h e s y s t e m t a k e sf u l l a d v a n t a g e o fe n v i r o n m e n tm o n i t o r 、a n a l y t i c a l c h e m i s t r y 、c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o nt or e f l e c tt h ev a r i a t i o no fw a t e rq u a l i t y t h es y s t e mg i v e sag r e a td e a lo fi n f o r m a t i o nf o rd e c i s i o n m a k i n g0 nw a t e r e n v i r o n m e n tm a n a g e m e n ta n dd i s p o s a lo fw a t e rp o l l u t i o n k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n t m o n i t o ro n1 i n e g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m 日ui z l 水环境监钡0 是水资源监督管理的基础和主要手段之一，是水资源管理的“耳 目”。目前，水环境主管部门急需用现代监测技术建成一套适合自身需要的、完善 的自动水质监测与评价系统。因此，强化水环境监测的规范化、标准化、不断加 快与国际接轨步伐，确保监测水平的先进性，以促进水质监测工作的科学化和现 代化。只有这样，才能使监测结果更加及时、准确、可靠才能更好的为水资源 管理提供高效优质的支撑。 天津市水利局下属天津市水环境监测中心在全市范围内建立了比较完善的地 表水、地下水及大气降水监测网，肩负向水利部、海河流域管理委员会、天津市 环保局及市水利局上报各种水体水质的任务。但是，目前水环境管理监控手段还 有待提高，特别是自动监测系统，还远没有满足实际需求。对天津的水体水质状 况的掌握主要依靠人工定期采样化验分析，但实效性差、手段比较落后，特别是 对突发污染事件和应急调水的水质监测反应速度较慢，很难为各级领导和有关部 门提供及时、准确的水环境监测信息资料。在信息社会的今天，水环境主管部门 急需用现代监测技术建成一套适合自身需要的、完善的自动水质监测与评价系统， 这是本研究的客观需要。 由于实际工作的迫切需要，开发过程中边研究边应用，这也有利于研究的深 入，便于及时发现问题，修正研究的路线和方法。 本文紧密围绕当前水环境工作中的热点和难点问题，具有明显的实践意义和 学术价值，同时对全国水环境自动监测也可以起到示范作用。 作者在系统开发过程中所做的具体工作是根据实际工作要求和特点提出的建 站原则、建站目标、监测项目选定、站点选址、仪器选型、监测断面与河段对照 表编制、数据库表编制、软件需求分析、项目的运行效果测试评价。 本文的主要成果和创新点： ( 1 ) 、引进国外关键传感器并消化吸收其技术、与国内技术及设备有机结合， 并实际应用于示范系统。采用当今最新的微电子技术、计算机技术及遥测遥控技 术，结合我国国情及天津市的实际需要，有针对性地开发出具有自主知识产权的 功能实用完善的数据采集通信控制器，实现地表水、地下水水质监测站的集成和 系统的集成。形成一套灵活方便的实时监测系统。 ( 2 ) 提出、并完成了在一个大型城市范围内按不同水文特征、不同水域功能 内建立自动监测站的原则。摸索出了建站过程中各个环节的规律。这项工作提出 了不同水文背景条件下的适宜建站方式，同时研究成果也为今后水质自动监测站 建站提供了可靠的边界条件。 ( 3 ) 建成由若干监测站组成的具有代表性的监测网络，实现实时在线水质监 测传输、计算机数据管理及统计评价、地理信息系统显示和发布。 ( 4 ) 根据现实工作需要和今后水质监测工作的发展趋势，编制了空间水质 综合数据库表结构，这个成果已经在水利部编制和修订有关规范中被应用。利用 g i s 和空间数据库技术实现了复杂的模型和图形显示、对空间数据的处理与空间信 息的可视化。 1 1 研究工作概述 第一章绪论 本文以一个大城市的整个区域为研究边界，从陆地水文与水文地质大量资 料的分析研究入手，根据整个城市河流、水库特征类型和水体的功能区划，通 过室内外标定、试验、现场测试及数值分析，建立一整套从水质监测、数据传 输、数据处理、数据查询检索、趋势分析、地理信息系统显示、对外发布的水 质自动监测评价系统。该水质自动监测评价系统充分利用环境监测、分析化学、 仪器仪表、计算机、通讯等方面的技术内容，可及时反映水质变化的基本情况， 为调水和及时处理突发污染事故提供依据，为水环境管理部门决策提供支持。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 水环境自动监测系统发展现状 面对我国环境污染和生态破坏的严峻形势，水环境保护工作任务艰巨。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。因此，作为水 环境保护工作基础的环境信息获取和处理得到普遍的重视，水环境保护离不开 信息技术的支持已成为人们的共识。 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。也很难对国家急需的水域流域污染、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。因此，环境信 息获取和处理的技术手段还远不能满足实际需要。 水质在线自动监测系统是一套以在线自动分析仪器为核心，运用现代传感 器技术、自动测量技术，自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析 软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测数据信息处理系统。实施 水质自动监测，可以实现水质的实时连续监测和远程监控，达到及时掌握主要 流域重点断面水体的水质状况、预警预报重大或流域性水质污染事故、解决跨 行政区域的水污染事故纠纷、监督总量控制制度落实情况、排放达标情况等目 的。 1 2 1 1 水质自动监测系统的构成 在水质自动监测系统网络中，中心站通过卫星和电话拨号两种通讯方式实 现对各子站的实时监视、远程控制及数据传输功能，托管站也可以通过电话拨 号方式实现对所托管子站的实时监视、远程控制及数据传输功能，其他经授权 的相关部门可通过电话拨号方式产现对相关子站的实时监视和数据传输或能。 每个子站是一个独立完整的水质自动监测系统，一般由6 个主要子系统构 成，包括：采样系统、预处理系统、监测仪器系统、p l c 控制系统、数据采集、 处理与传输子系统及远程数据管理中心、监测站房或监测小屋。各单元通过水 样输送管路系统、信号传输系统、压缩空气输送管路系统、纯水输送管路系统 实现相互联系。 目前，水质自动监测系统中的子系统及远程数据管理中心、监测站房或监 n d , 屋。目前，水质自动监测系统中的子站的构成方式大致有三种： ( 1 ) 由一台或多台小型的多参数水质自动分析仪( 如：y s l 公司和h y d r o l a b 公司的常规五参数分析仪) 组成的子站( 多台组合可用于测量不同水深的水质) 。 其特点是仪器可直接放于水中测量，系统构成灵活方便。 ( 2 ) 固定式子站：为较传统的系统组成方式。其特点是监测项目的选择范 围宽。 ( 3 ) 流动式子站：一种为固定式子站仪器设各全部装于一辆拖车( 监测小 屋) 上，可根据需要迁移场所，也可认为是半固定式子站。其特点是组成成本 较高。 一个可靠性很高的水质自动监测系统，必须同时具备4 个要素，即( 1 ) 高 质量的系统设备；( 2 ) 完备的系统设计：( 3 ) 严格的施工管理；( 4 ) 负责的 运行管理。 1 2 1 2 水质自动监测的技术关键 ( 1 ) 采水单元 包括水泵、管路、供电及安装结构部分。在设计上必须对各种气候、地形、 水位变化及水中泥沙等提出相应解决措施，能够自动连续地与整个系统同步工 作，向系统提供可靠、有效水样。 ( 2 ) 配水单元 包括水样预处理装置、自动清洗装置及辅助部分。配水单元直接向自动监 测仪器供水，具有在线除泥沙和在线过滤，手动和自动管道反冲洗和除藻装置； 其水质、水压和水量应满足自动监测仪器的需要。 ( 3 ) 分析单元 由一系列水质自动分析和测量仪器组成，包括：水温、p h 、溶解氧( d o ) 、 电导率、浊度、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、总有机碳( t o c ) 、总氮、 总磷、硝酸盐、磷酸盐、氰化物、氟化物、氯化物、酚类、油类、金属离子、 水位计、流量流向计及自动采样器等组成。 ( 4 ) 控制单元 包括：系统控制柜和系统控制软件：数据采集、处理与存储及其应用软件； 有线通讯和卫星通讯设备。 ( 5 ) 子站站房及配套设施 1 2 1 3 在线自动分析仪器的发展 水质自动监测仪器仍在发展之中，欧、美、日本、澳大利亚等国均有一些 专业厂商生产。目前，经较成熟的常规项目有：水温、p h 、溶解氧( d o ) 、电 导率、浊度、氧化还原电位( o r p ) 、流速和水位等。常用的监测项目有：c o d 、 高锰酸盐指数、t o c 、氨氮、总氮、总磷。其他还有：氟化物、氯化物、硝酸 盐、亚硝酸盐、氰化物、硫酸盐、磷酸盐、活性氯、t o d 、b o d 彳u v 、油类、 酚、叶绿素、金属离子( 如六价铬) 等。 目前的自动分析仪一般具有如下功能：自动量程转换，遥控、标准输出接 1 ：3 和数字显示，自动清洗( 在清洗时具有数据锁定功能) 、状态自检和报警功能 ( 如：液体泄漏、管路堵塞、超出量程、仪器内部温度过高、试剂用尺、高 低浓度、断电等) ，干运转和断电保护，。来电自动恢复，c o d 、氨氮、t o c 、总 磷、总氮等仪器具有自动标定校正功能。 1 2 2 水环境地理信息系统的发展 1 2 2 1 水环境地理信息系统的应用现状 随着我国城市化进程的不断加速，城市对水资源的需求急剧增加，水资源 供需矛盾日益尖锐，水资源危机日趋严重。在全国3 0 0 多个大中城市中，有1 8 0 个城市缺水。而不同程度的水环境污染和管理决策失误，又加剧了水环境条件 的不断恶化。面对严峻的水资源危机，水资源科学管理已成为保证人类社会、 经济和环境可持续发展的重要手段。水环境管理所涉及的大量环境信息，除具 有时间性和动态性特点外，还具有空间分布的特点，如城市污染源分布，水功 能区化等。现行的m i s 系统虽然可以完成统计报表处理、属性数据查询等工作， 但无法处理具有空间分布特征的信息，从而不能进行空间数据管理。 g i s 作为介于信息科学、计算机科学、地理学、几何学、测绘遥感学和管理 科学之间的- - f 7 新兴边缘学科，把各种信息同地理位置和有关的视图结合起来 提供给用户，其最大特点在于把社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形 信息有机地结合在一起，并可根据用户需要对这些信息进行分析，把结果提供 给有关领导和部门作为决策的参考和依据。g i s 在环境保护领域得到了越来越 广泛的应用，主要用于环境现状评价、环境质量预测、环境规划等方面。例如 应用在区域环境质量现状评价工作中，对整个区域的环境质量进行全面客观的 评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布情况。 鉴于世界上许多国家应用先进的地理信息系统( g i s ) 技术管理城市水资源 已取得巨大的综合效益，在国内开展这方面的工作已势在必行。“八五”期间， 地质矿产部水资源开放研究实验室研制了我国第一个大中城市水资源管理决策 支持系统郑州市水资源环境管理决策支持系统。其开发与应用的实践表明， 建立以g i s 为核心的城市水资源管理决策支持系统的主要优势在于： ( 1 ) 城市水资源信息统一集中管理，可减少信息流失和重复工作，便于信 息资源共享： ( 2 ) 促进城市水资源管理工作的标准化； ( 3 ) 信息查询快速准确，表现形式图文并茂，可随时为社会提供咨询服务； ( 4 ) 有效地辅助管理人员制定规划； ( 5 ) 及时反映水资源环境的动态变化，这对于改善和提高大中城市水资 源管理工作的效率、质量和科学决策水平都是非常重要的。 城市水资源管理的总体目标，是使用户从资源环境和经济技术上获得最大 效益，并使对水资源环境的危害降到最低限度。而管理目标是基于水资源实际 系统的模型化、最优化技术方法和科学决策来实现的。在这一过程中需要采集、 加工、存储、管理和表达各种与水资源密切相关的多源信息。 以g i s 为核心的城市水资源管理决策支持系统为不同信息源、不同类型的 数据采集加工、管理表达提供了基础平台和综合环境。由于它充分利用了通用 g i s 软件本身的强大功能，又开发有水资源环境专题制图符号库、数学模型库 和技术方法库，因此大大提高了各层次水文地质信息的传输状况和感受程度， 能清晰地表现出以往水资源信息系统电子表格和统计图表上无法看到的水资源 要素的时空分布及其变化，从而显著增强了系统的实用性。此外，它还能全景 式地展示城市水资源的时空分布，将促进城市水资源管理进入高效、科学的新 阶段。 以g i s 为核心的管理决策支持系统( m d s s ) 通常分为专题性的m d s s 和 综合性的m d s s 。专题性的v l d s s 是为某一专门目的开发的、目前较为流行的 实用信息系统。该系统通常具有属性数据库和图形图像库。如美国马里兰州哥 马利县的非点污染模拟地理信息系统( n p g i s ，1 9 9 3 ) ，用以支持无控制非点源 污染空间分布区域的监测与管理。按照美国环保局的定义，这种污染主要来自 城市径流、建筑、水文改变、采矿、农业、灌溉回渗、固体废物处理、大气积 垢、河岸侵蚀和家庭污水等。n t ，g i s 的主要功能是，采用模拟模型与g i s 结合 的方式来评估非点状氮、磷、锌、铅、生物耗氧量和沉淀物质的空间分布。n p g i s 的开发和运行表明，这种专门用途的g i s 是实用、容易实现，并可以代替卖方 供给的系统。综合性的m d s s 通常具有多方面的较强功能，可以辅助解决综合 性的复杂问题，具有属性数据库、数学模型( 库) 和图形图像库。荷兰地学应 用研究所( t n o ) 以g i s 为核心，构建了综合性区域水文地质信息系统( r e g i s ， 1 9 9 2 ) 。其基本思路是以g i s 为载体，连接其他数据系统，把某一区域的各种地 质、水文地质成果、数据和背景资料输入g i s 的数据库，构成一个区域水文地 质信息系统，然后发展该系统与水文、地下水模拟模型的接口，方便地调用参 数，及时模拟水质、水量变化状态。荷兰自由大学的a r i eb i e s h u v e l 完成的 r e g i s 与地下水模拟模型的接口程序可以实现利用g i s 的数模转换功能，自动 生成模拟区内有限元网络，并可根据实际需要生成均匀或非均匀的剖分网格； 将g i s 数据库中已有的或是经g i s 空间分析处理生成的参数值，如导水系数、 入渗系数、蒸发系数、面状、线状或点状补给量、排泄量、含水层厚度、不同 含水层的水头值等，自动输入到网格的每一节点，从而使地下水模拟过程中的 数据输入、网格剖分、参数获取等大量繁琐工作由r e g i s 辅助完成。g i s 参与 地下水模拟，不仅大幅度提高了工作质量和速度，而且更重要的是利用g i s 的 强大功能来获取更广泛、准确的空间参数，展示地下水渗流场的时空变化过程。 地下水模拟的结果亦可在g i s 中存储、处理，以便产生更高层次的管理决策支 持信息。 1 2 2 2 水环境地理信息系统建设的技术实践 随着g i s 技术的发展，环境地理信息系统的建设水平也在不断发展。最初 的g i s 应用主要制作环境专题地图，如水质功能区划图等。后来，g i s 应用逐 渐为环境管理服务。利用g i s 的空间分析功能建立大气、水污染扩散模型。这 些应用都是建立在桌面g i s 系统上。桌面g i s 系统的优势在于减少用户开发的 工作量，缺点是限制专业开发人员的自由发挥。随着软件技术的发展，新的g i s 技术不断推出。当前g i s 发展的3 个重要方向是g i s 组件技术、空间数据库管 理系统、i n t e r n e t i n t r a n e t g i s 。 ( 1 ) g i s 组件技术 组件是一段可重复使用的程序代码和数据，它由一个或多个对象组成。组 件技术是一种新型的软件开发技术。组件是迄今为止最成功的软件重用手段。 组件是具有某种特定功能的软件模块，采用组件开发软件系统就像搭积木一样 容易，它几乎可以完成任何任务。g i s 软件厂商已由原来向用户提供系统转为 提供控件o c x 或a c t i v ex ；用户则可根据控件自选组装成一个系统，还可以根 据需要自行开发部分控件，与g i s 软件商所提供的控件一起使用。用户还可以 6 很容易地使用v b 、v c 或d e l p h i 等开发工具开发自己的应用系统。从多年的实 践中认识到，环境地理信息系统的建设不应该建立在某个桌面g i s 平台上，而 用专业开发工具和g i s 组件技术开发。 ( 2 ) 空间数据库管理系统 在空间数据库管理方面，c ll e n t s e r v e r 体系结构仍是g i s 软件追求的目 标。属性数据使用支持c s 体系结构的大型关系数据库管理系统已经不成问 题。以前的g i s 应用，空间数据采用文件方式管理。由于空间数据量非常大， 一个大的应用系统需要的空间数据是海量数据，用文件方式管理这些数据会影 响系统的效率。人们希望采用r d b m 或面向对象的数据库管理系统，于是空间数 据库管理系统数据出现。目前有：( i ) g i s 软件厂商自行开发的面向对象数 据库管理系统，( i i ) 在关系数据库管理系统基础上开发的空间数据管理模块， ( i i i ) 直接在r d b m s 之上扩展空间数据管理功能三种模式。环境地理信息系统 的建设涉及大量的空间数据，为了提高系统的效率，系统的空问数据应采用空 间数据库来管理。 ( 3 ) i n t e r n e t i n t r a n e t g i s 随着i n t e r n e t i n t r a n e t 的普及，c i s 在w e b 上的发布成为可能，于是各 g i s 软件商纷纷推出自己的基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的产品。随着人们生活水 平的提高，公众开始更加关心他们生活环境的状况，迫切需要环境管理部门向 他们提供环境信息服务。同时为了进一步提高公众的环境意识，我国的主要城 市都通过报纸、电视、广播等媒体向公众发布环境信息，但是这些发布形式存 在着更新不及时与公布信息有限等缺点。随着i n t e r n e t 步入家庭，利用互联网 发布环境信息己逐渐成为环境管理部门项重要工作。环境地理信息系统的建 设一定具有网上发布和查询功能，以便及时在i n t e r n e t 上发布公众t e 较关注的 环境问题。 1 2 2 3 水环境地理信息系统应用前景 环境地理信息系统建设是一项复杂的系统工程，时间长，投入大。实施环 境地理信息系统建设应分阶段、分部门进行，应坚持近期、中期和远期目标， 有计划、有步骤进行。从近期目标来看，城市地理信息系统、环境地理信息开 发和r s 、g p s 、g i s 应用的建设尤为重要，是近期环境信息系统建设的一个重要 部分。 ( 1 )水资源一环境管理决策支持系统 随着我国社会经济的迅速发展， 境的科学管理已成为保证人类社会、 水资源一环境问题也日趋突出。水资源一环 经济和环境可持续发展的重要领域之一。 以地理信息系统( g i s ) 为核心的水资源一环境管理决策支持系统( w m d s s ) ， 是该领域信息收集、存储、加工、管理和应用的系统。它应包括水资源一环境的 规划、预测、评价、管理、决策、立法和监督等诸多方面的信息。由于水资源一 环境信息涉及社会、自然、经济、技术等较多因素，因此，其数据量庞大、种 类繁多。水资源一坏境管理决策信息系统主要以手工收集、处理，即使应用计算 机技术，也多基于数据库建立信息系统。由于传统的数据库结构缺乏空间性特 征，不能实现空间信息的管理和空间分析功能。而水资源一环境问题却多是复杂、 现实的空间问题，以g i s 为核心的水资源一环境管理决策支持系统，是面向水资 源一环境空间信息操作的计算机系统，它通过空间信息的可视化处理，使大量抽 象、枯燥的数据变得生动、直观和易于理解，并加速了水资源一环境领域的信息 化进程。 w m d s s 的特点 w m d s s 是多源信息、多目标、多功能的空间信息系统，它是以g i s 为核心 的删d s s ，该系统有以下特点： a 、过多种方式( 图形图像、空间分析查询、属性数据库、数学模型、统 计模型、色彩等) 提取、加工和表达出水资源环境信息。 b 、可编制彩色数字化水文地质系列图像( 平面图、剖面图、立体图及综合 地层柱状图等) 。 c 、对水资源管理所需数据进行前处理和后处理。 d 、查询子系统支持各模块阳j 的网络式交互查询。在任一查询模块中可方便 地浏览查询其他模块的图形图像及其属性数据库。 e 、具有用户水资源一环境专题数学模库和空间分析模型。 f 、开放式设计，便于系统更新和移植：可处理遥感数据。 g 、系统具有较完善的人机交互界面，便于应用和推广。 在w m d s s 中应充分地体现支持管理决策的基本思想。系统不以代替管理决 策为目的，而是以管理决策者为中心，面向信息操作，充分发挥管理决策者的 实践经验和专业知识在管理决策中的重要作用。 w m d s s 的总体构成 w m d s s 的总体构成应充分兼顾城市水资源一环境管理工作的实际需要和选 用的g i s 工具本身的功能结构特点。在水资源一环境管理工作中，经常需要查询、 加工、表达某一地区的水资源一环境信息，如面向该区域的空间数据库、统计图 表和用户模型的信息操作。因此，在w m d s s 的总体构成中，充分体现了信息采 集、信息加工、信息查询和信息可视化表达等方面的功能特点。 、w m d s s 的优势 g i s 在信息采集、信息储存、信息处理和信息可视化表达这些关键环节上， 深刻地影响和改变着当前的地下水开发利用与规划管理，这在以下3 个方面尤 为突出。 a 、增强了空间区域的综合能力。地下水g i s 已成为体现地下水资源区域性、 空间性与动态性特点的技术保证之一，在g i s 信息稠密的背景下，使水资源研 究的高度综合与深入分析的协调统一成为可能。 b 、 强化了动态分析功能。地下水g i s 已具备分析地下水系统演变过程和 描述其未来变化趋势的能力。 c 、 提高了可视化技术在水文地质领域中的地位和作用。生动直观的图形 图像不仅是研究成果的主要表现形式，而且也是重要的研究手段和研究成果实 用化的有效途径。 目前存在问题 a 、可信度g i s 的误差问题。现流行的g i s 工具都未涉及有关误差和不 确定因素的影响，由于各种误差( 量测误差、操作误差、数据陈旧误差、新旧 数据匹配误差和样本密度及分布等) 介入的不可避免性，将导致g i s 表达的最 终结果受到歪曲或曲解。如g i s 能够提供大量精美的图件，这对各行各业的用 户都具有吸引力。但是，对于不同行业的用户来说，却没有统一的技术标准， 因此图件的质量问题经常被其精美的表达形式所掩盖。 b 、忠实性g i s 的数据转换问题。应用流行的各种商业软件采集的图形 数据，以d l g 、d x f 等通用数据转换格式为接口向各类g i s 的空间数据库输送时 某些信息将会丢失。可以认为数据是g i s 的血液，如果输入g i s 的数据是“垃 圾”，输出的结果也将是“垃圾”。这不会因昂贵的设备和高级的技术人才而 改变。 c 、有效性g i s 的信息量对应用的限制。当g i s 应用系统的信息量过小 时，其空间分析功能( 位置描述与分析、空间分布分析、空间形态分析和空间 关系分析) 将受到制约。另一方面，虽然人们已分别在时态数据库和空间数据 库方面取得了很大进展，但是在地下水资源方面“时态”+ “空间”“时空”， 两者很难以简单的结合方式去描述水资源复杂的演变过程。 城市水资源环境管理决策是一项涉及多学科的综合性工作，其管理决策支 持系统的总体目标、结构、功能和内容设计，应由具有相关领域知识背景人员 共同完成。其中应包括管理决策支持系统使用者的参与，这对于增强系统的实 用性和信息资源更新具有实际意义。建立多功能、多目标、多层次的城市水资 源管理决策支持系统是一项复杂的系统工程，而系统本身应是一个不断完善、 易于更新的开放系统。这不仅表现在信息和信息源的动态更新与扩大上，更重 要的是其结构的不断完善、功能的不断开发，数据、用户模型的不断补充。因 为一劳永逸的管理决策支持系统是不可能存在的。 尽管近年来g i s 广泛用于水资源领域的应用研究与工程实践，并产生了良 好的综合效益。但是作为一种具有信息时代鲜明特征的高新技术工具，g i s 在 用户化的研究方面，还有很长的路要走。g i s 进入水资源领域所带来的影响和 促进作用，将是深远和巨大的。 ( 2 ) 基于地图的数据挖掘 随着科技的发展，决策所需的数据量也不断增长。超大型数据库是一个巨 大的资源，要在这样大的数据库中寻找隐藏在其中的有用信息无异于大海捞针。 随着数据和数据库的急剧增长，仅仅靠数据库管理系统的查询机制和统计分析 方法已经远远不能满足现实需要了，它迫切要求系统能自动和智能地将处理的 数据转化为有用的信息和知识。数据采集就是为了迎合这种要求而产生并迅速 发展起来的，它是用于开发信息资源的一种新的数据处理技术。 在较浅的层次上，可利用现有数据库管理系统的查询检索及报表功能， 与多维分析、统计分析方法相结合，进行联机分析处理( o l a p ) ，从而得出可 供决策参考的统计分析数据。在深层次上，则应从数据库中发现前所未知的、 隐含的知识。与大型数据库的o l a p 相比，基于地图的o l a p 技术可把地图数据 也作为一个数据源放入数据仓库，与其他数据一起分离出有用的信息进行分析， 分析结果用地图、专题图、统计图等界面显示。数据分析已成为制定行之有效 的决策所必不可少的手段。经过2 0 多年的发展，我国环境管理积累了大量的数 据并建立了各种数据库。应用数据挖掘( d a t am i n i n g ) 功能从这些数据库中挖 掘出有用的信息，进而为我国的环境决策提供重要依据。 ( 3 )3 s ( g i s ，r s ，g p s ) 在环境中应用 3 s 是未来发展的趋势。g p s 主要用于实时、快速地提供目标的空间位置：r s 用于实时、快速地提供大面积地表物体及其环境的几何与物理信息和各种变化； g i s 则是对多种来源时空数据的综合处理分析和应用的平台。3 s 技术将在大范 围内对改善和控制生态环境发挥巨大的作用。 g i s 是3 s ( g i s 、r s 、g p s ) 技术的核心。3 s 技术与常规地面勘察技术相结 合主要用来解决区域性的空间问题。如荷兰n o o r db r a b a n t 省采用g i s 与r s 结 合的方式设计建立地下水水质监测网( 1 9 9 0 ) ，南非共和国水利和林业部( d w a f ) 应用g i s 、g p s 进行地下测量控制和野外地下水钻孔定位( 1 9 9 4 ) ，北京大学遥 感与地理信息系统研究所将3 s 技术用于区域水资源研究( 1 9 9 6 ) 等。3 s 技术 与常规技术相结合，可以及时提供以下信息： 系 各种人类活动对水资源环境的影响 有关政策法规运行的有效性 不同深度的地下水水质与土壤类型、土地利用和水文地质状况之间的关 各地下水流系统中的化学组分在时空上的变化等。 1 3 技术路线 为了达到研究目标，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：人工实验室监测与自动监 测的关系，采用了下述的研究路线。 任何监测站的分布都不是孤立存在的，因此课题的空间范畴至少应该包括 宏观区域条件，同时，研究的目的是为了解决水质监测方面的问题，还必须将 水质监测数据转化为评价成果，解决比较具体的问题。因此，自动监测的研究 可以看成一个关键性的中心环节，需要向上下扩充。 在有关理论指导下，坚持以室内外实测为基础的量化研究，通过研究找出 可以指导工作实践的规律性。因此，强调： 自动监测仪器及通讯传输设备的可靠性。 探索复杂条件下的数据库结构和数值统计分析方法。 对规律的总结和系统的验证。 用有关专业领域理论上的最新进展指导整个研究工作，主要是自动监测仪 器的新进展、通讯传输技术的新进展。 利用空间数据库与g s 系统作为工具对水环境信息的存储、开发与研究。 把水环境信息从现场监测、数据传输、分析评价到成果体现作为一个系统工程 来研究。 噩虱告耧葚踊谋皤割啦唾姆释酶蔷赞k 基秘肇躜冀r 第二章地表水地下水水质自动监测系统优化设计 2 1 自动水质监测站网的布设及监测项目的选择 满足水资源管理与保护的基本要求，以掌握水质的时空变化和动态变化为主要目的， 与水功能区化的成果紧密联系，为水资源管理与保护提供科学依据。 满足掌握水体纳污总量，以满足水质保护监督管理的基本信息需要。 本着统一、高效的原则，实现按流域和各行政区站网相结合。 以现有站网为基础，纳入水功能区划所要求的站点，优化调整为统一的监测网络体 系。 水量与水质并重。水质保护与水量密切相关，监测规划应考虑水量问题，做到量质 结合，即与水文站网、地下水水位观测井网、雨量观测站网相结合。 站网应不断进行优化调整，力求做到多用途多功能，具有较强的代表性，满足水质 管理、排污口管理、取水许可管理及重要供水水源地管理等多层次需要。 1 、中心站的选择： 对中心站的选址，主要考虑设站地址应便于与分站进行交通和通讯联络以及行 政管理。但对分中心来说，既有建站数量问题，又有管理范围问题，这两个问题主 要是由监测范围和该范围内的水污染情况所决定的，同时也要考虑经济等物质条件 的可能性。监测范围可以是一个水系，一条河流，管理范围可以是一个管理处、一 个局。 通过调查并结合实际情况，中心站设在天津市水文水资源勘测管理中心内，便 于自动监测系统的运行、维护及管理。分中心设在水库管理处及区县水利局。 2 、监测站点的选择： 根据水资源管理需要及海河流域水环境治理规划中对省界问污染物进行总量控 制的要求，及时掌握入境水、出境水、境内水的水质、水量变化情况，在已有人工 水质观测资料基础上进行综合分析，科学合理地选择能代表天津市地表水、地下水水 质总体状况的站点建立地表水、地下水水质自动化监测站，并使之成为系统。 水行政主管部门目前除掌握所设站点的水环境监测资料外，对一些特殊情况的 水环境信息缺乏监测的手段，特别是对关系到人民生活的饮用水源缺乏常年的实时 监测数据，对于随机、突发性的水污染事故，缺乏有效的应变能力。 目前天津水环境监测中心仅能定期进行常规水质监测，对于关系人民生活的饮 用水源缺乏常年的实时水质监测数据。因此有必要尽快建立重要供水水源地的水质 自动监测站，根据监测项目配备全套的自动检测设备、数据处理设备和数据信息传 输设备。 为此，建立重要供水水源地的水质自动监测站，根据监测项目配备全套的自动 检测设备、数据处理设备和数据传输设备。 所设置的自动监测站按照监测用途可分为4 个类别： 水资源质量自动监测站 重点对供水水源地及大型河道的水质状况进行监测，包括引滦沿线、海河、等。 属于此类的自动监测站共设置5 个，全部为标准型自动监测站。目前已经实施。分 别设置在引滦沿线的黎河下游、果河桥、于桥水库中心、于桥水库坝上、尔王庄水 库中心5 个监测断面上。 市区景观河道自动监测站 为配合市政府提出的“建设国际化大都市”、“打造名河”的城市发展战略步骤， 对流经市区的河道如海河、漳河、卫津河、复兴河、北运河、月牙河等进行水质自 动监测，向上级主管部门提供实时水质信息，为改善天滓市生态环境创造条件。 污水处理厂排放口连续自动监测站 根据天津市水污染防治规划和天津市碧海行动计划实施方案，天津市将 逐步增强污水处理的能力，在目前已建的两处污水处理厂的基础上，至2 0 1 5 年，全 市将新建3 5 座污水处理厂。按分质供水的原则，经处理后合格的再生水，将可用于 农业灌溉、林业、园林业，深处理后合格的再生水，可用于渔业、城市河湖环境等 方面。将在污水处理厂的出水口设置自动监测站，对出水水质进行监测，以保障再 生水达到水质标准。地下水自动监测井 在地下水污染污染的地区，如静海县、塘沽区、武清区设置自动水质监测井， 对主要污染项目，包括氟化物、氨氮、亚硝等进行实时自动监测，以掌握地下水水 质状况，了解地下水变化动态，预测水质变化趋势。 3 、监测项目选择 自动水质监测系统是在自动水质监测仪器与计算机相结合的基础上建立的。各 监测点的监测项目，根据水源的主要用途和监测的主要任务而定。 许多项目目前还缺乏自动化的监测仪器，因此实际监测项目有限，有些项目只 1 6 能辅以人工监测。自动水质监测系统选用水温、电导率、混浊度、氧化还原电位、 氨氮、硝酸盐氮、氟化物、总磷、总氮、d o 、c o d 、p h 作为主要监测项目。 2 2 自动水质监测系统结构分析 1 、自动水质监测系统组成 自动水质监测系统，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的。 监测自动化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、设备状态等参数，并自动记录同时向中心站传输。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。 2 、监铡站组成及功能 监测站由取样系统、样品前处理、传感器、分析仪、数据采集通信系统组成。 由于河流中含有泥沙、漂浮物等杂质，为了保证连续工作，采用双路采水系统。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，研制高性能、低 成本的数据采集通信控制器。其功能是通过监测仪器对水体进行实时监测；提供数 字输入，输出接口及电流电压信号接口：提供监测参数及设备状态数据自记。 3 、中心站组成及功能 水质监测中心站由计算机系统、通信设备及相关软件构成。计算机是中心站的 核心，打印机、通讯接口、显示器、绘图仪等设备与计算机连接成一个整体。计算 机可通过通讯线路接收和发布各种指令，并根据中心的指令，利用数据处理软件对 监测数据进行分析处理，发布监测报告。 2 3 自动水质监测仪器设备优选 2 3 1 采样泵及过滤设备 现在世界上使用较多的采样泵主要有以下几种，潜水泵、离心泵、双隔膜气动 泵、定量泵，这几种方式的水泵，可根据监测站的地形条件和现场要求进行选择。 安装方式可采用固定式或浮动式，固定式安装方便，但采水深度会随水位的涨落而 改变，因此在水位变化大的水域中使用时，不能保持恒定的采水深度。浮动式是将 水泵安装在浮舟上，可随水位涨落保持恒定不变的采水深度。 自动水质监测站使用的过滤设备主要有膜过滤设备、钢心过滤设备、滤纸过滤 设备几种，我们认为膜过滤器容易损坏、堵塞，运行成本高，钢心过滤器不易损坏， 可经常清洗防止堵塞，运行成本低。 2 3 2 监测仪器 1 、一般监测项目传感器 地表水、地下水水质监测要求的项目很多，某些项目监测较简单，如水位、水 温、电导率、p h 、浑浊度等，国内产品和国外产品在监测方法和精度上基本一样。 国内知名厂商的这类传感器可满足监测的需要，可通过试验后，择优用于地表水、 地下水水质监测系统。 2 、综合监测仪器 通过深入了解分析国外各厂家的设备特点和工作原理，我们认为选择可靠性、 设备适应性强、价格及运行维护费用相对低廉的设备从国外引进。利用自己研究开 发力量，构成综合参数采集系统，可大大减少全套系统引进的费用。 3 、多参数探头水质监测仪 多参数探头式水质监测仪，是一种把测量、数据采集、传输系统、处理控制系 统完美的组合在一起高技术产品，目前世界上英国、美国、澳大利亚等国家都有生 产，在此我们只对美国h y d r o l a b 和y s i 这两家专门生产多参数探头式水质监测仪的 厂家产品进行分析比较。认为h y d r o l a b 的多参数探头更适合天津的情况。 2 4 建站方式及通讯方式的分析比较 l 、建站方式比较 根据我们对自动水质监测系统建站经验和对国内外案例的调查，知道水质自动 监测站建站安装的方式很多，是整个系统在建设过程中的重要组成部分，此部分工 作的设计主要根据监测站的类型和站址的地形条件而定，建站类型不同，占地面积、 建站时间、所需金费都有所不同，根据实际情况我们选择了：岸边式活动房型、岸 边式固定房型、岸边直桶式、流动车式、河上浮船式这几种类型。 2 、取水方式比较 自动监测站取水方式的选择也比较重要，其方式的选择也影响到数据的代表性 和运行成本的高低。取水口头部的设计方式比较多，主要是根据现场河道的情况来 进行选择。一般可采用岸边式、桥墩式、栈桥式、岸边浮式等。 3 、通讯方式优选 水质自动监测数据的传输是水质自动测报中的重要环节，如何使各监测站点的 水质信息以最合理的通信组网方式传输到中心站，是我们要解决的问题。其设计目 的是在于选择最为经济、可靠的数据传输信道，构成水质数据传输网络。+ 鉴于水质自动监测系统有的处于城区部分，有的处于边远地区、交通不便，监 测站点分布面广，环境条件差别较大，因此对有线和无线通信方式的选择余地较大。 在我市目前有线通讯发展水平已较高的情况下，做到尽量利用现有的公用网进行水 质数据通信，只在公用网达不到的地方使用g s m 或卫星，这在质量上和经济上都 是可取的。 2 5 自动水质监测系统质量保证 1 、质量管理程序的制定 任何一个无人值守连续自动监铡系统都必须建立一套质量保证程序，其目的主 要是为了提供满足监测目的的合乎质量要求的数据；将各种干扰影响导致数据的损 失降至最低限度。对于一个无人值守连续自动监测系统正常运行过程中的质量保证 工作，制定完善的质量管理文件，包括仪器的校准、管路的清洗等工作，定期对监测 站进行质量维护。 2 、自动水质监测数据与实验室数据比对 对固定站数据分析和多参数探头站定期进行数据比对。c o d 偏差值小于5 、 总磷偏差值小于4 、硝酸盐氮偏差值小于4 、氟化物偏差值小于3 。偏差值都 不超过5 ，由此可见固定式水质自动监测站数据稳定，一致性好，准确性高。多参 数探头站我们选择了p h 、电导率、浑浊度、溶解氧，这些项目的准确度较好，与实 验室测定值偏差小，但氨氮和硝酸盐氮在低浓度时偏差较大，不适合监测河水，数 据只能作为参考。 3 、运行维护 根据已建自动监测站的类型和各站的水质情况，每个站制定了不同的运行维护 1 9 管理制度。 固定站定期维护包括站房内部清洁，空调机出风量及冷气效果检查，滤纸过滤 器进、排水管与表面污垢检查及清洁：水样管路的流量检查及清洁，排水管路的通 畅检查及清洁，比色槽及水样杯检查及清洁，试剂及缓冲液的输送检查，温度、p h 、 d o 、电导率电极的有机物污染检查及清洁，浊度计管壁内部的有机物污染检查及清 洁。 为了保证多参数探头站持续可靠地运行，我们制定了完善定期的维护计划。对 设备和传感器做定期的检查，比较校准前后的结果。并监测传感器的反应时间，以 确定现场所需的适当的维护时间。为了控制并使维护标准化，根据各站的水质清洁 程度，为各站制定了填报表格、登录、定期备份、质检等管理制度。 2 6 本章小结 水质自动监测是一个复杂的大系统，其中包含了环境监测技术、分析化学、仪 器仪表、通讯技术等方面内容，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。为了达到研究目标，通过对天津水体分布规律 和水环境现状的分析，考虑了不同水体水质对自然环境和社会环境的影响程度；人 工实验室监测与自动监测的关系，在建站位置、方式和监测项目和仪器选定上有新 的探索，在通讯方式上也进行了多种探索，使各监测站点的水质信息以