三、水质遥测系统在水环境保护中的应用.doc

中国水力发电工程学会计算机应用（信息化）专委会学术年会论文三、水质遥测系统在水环境保护中的应用孙增义、 王义忠（中国水利水电科学研究院 北京 100038）摘要本文阐述了目前我国水环境的组成，水环境的承载能力，水环境保护规划，水质统一监测，水质遥测系统的组成工作原理及水质遥测系统的发展。本文对水质遥测系统的开发研制具有建设性的作用。关键词：水环境 承载能力 保护规划 水质遥测 卫星通信1目前我国水环境状况11水环境的组成水环境主要由地表水环境和地下水环境两部分组成。地表水环境包括河流、湖泊、水库、海洋、池溏、沼泽、冰川等水体及环境要素；地下水环境包括泉水、浅层地下水、深层地下水等水体及环境要素。水环境是构成环境的其本要素之一，是人类社会赖以生存和发展的最重要场所，也是受人类影响和破坏最严中的地域。水环境的污染和破坏已成为当今的主要环境问题之一。当前面临的水环境问题，主要有洪涝灾害、干旱缺水、河流干凅、水体污染、水土流失、地下水位持续下降等。水环境同其他环境要素如土垟环境、生物环境、大气环境等构成了一个有机的综合体，它们之间相互影响、相互制约。当改变或破坏某一区域的水环境状况时，必然引起其他环境要素发生变更化。因此，在对水环境进行合理开发和利用时，应该加强对水环境的保护。12水环境承载能力水环境承载能力是指在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍保持良好生态系统时，所能够容纳污水及污染物的最大能力。所谓污水是指化学层面的污染，污染物是指物理层面的污染，这些污水和污染物进入水体后，通过水体的自净能力，这个水体还能够被继续使用，仍可保持可持续发展。随着社会经济的发展，对水资源的需求量不断增加，而水污染监测与防治相对滞后，特别是二十世纪80年代经济步入快速增长时期以来，各流域、湖泊水污染日趋严重，河网水质污染和富营养化不断加剧，例如太湖水质自80年代以来下降了1.01.5个等级，湖泊富营养化上升了1.52.0个类型；北京官厅水库，由于严重突破了水环境承载能力，使水库的水污染到不能饮用的程度，水质型缺水矛盾不断加重，已危及到流域内社会、经济的可持续发展和水资源的可持续利用。自动监测、治理、改善水质、保障地区的可持续发展已为世人所共识，也引起了中央和各级地方政府的高度重视。13水环境保护规划20世继70年代初期开始，中国有些地方水的污染已影响生活质量，如苏州的鱼体煤油味很重，松花江的水含甲基汞等。随着工农业的发展，污水排放量增加，水污染的范围扩大和污染程度不断加剧，尤其是近20年来国民经济高速发展，随之而来的水环境水污染问题十分严重，其造成的后果不亚于洪灾和旱灾，已经到了非解决不可的时候了。水环境保护仅限于某些工程的治理是远不够的，比如云南省滇池的治污，几十亿元投下去，效果并不理想。最近有消息报道长江上游的污染，担心三峡工程建成以后，会变成污水池。南水北调，天津拒绝要东线水，这说明目前中国对水污染治理还没拿出一个足以令人信服的理论或者实践。因此，建立制定水环境保护规划是水环境保护的首要步骤。我国80年代以来，对主要江河流域和重点区域编制或修订了水环境保护规划，其中包括利用水质模型等手段，评价水质现状和发展趋势，划定水体功能区。安功能要求制定环境目标。计算水环境容量和与之相应的污染物削减量，提出符合流域或区域实情的综合防治措施。1982年水利部颁发了关于水利工程环境评价的 若干规定。建立了湖南省东江水电工程环境影响评价试点；1986年组织编制了江河流域规划环境影响评价规范 ；1987年国家计委和国务院环境保护委员会颁布了建设项目环境保护设计规划 ，规定了对环境有影响的新建、扩建、改建工程，要进行环境保护设计；1992年水利部和能源部颁发了江河流域规划环境影响评价规范。中国各地普遍加强了环境水利管理研究工作，主要包括：水质管理，水污染源管理，水质预测预报，水质调度，防止水体富营氧化，改善水生物生境的管理等。14水质统一监测进行水质水量统一监测评价，并发布公报。其内容应具有下面几个特点：应该和水环境的承载能力、污水排放指标相联系；应该和水域使用功能区划、水域纳污能力、排放总量控制指标相联系。；应该和动态的水量状况相联系，应该是发展变化的，表达了一个过表程的水质公报。在进行水质水量统一监测时，要做到行政区划的断面监测和实时监测。断面监测是指区划断面，如小浪底水库发生污染，通过区划断面监测会显示的清清楚楚。通过区划断面监测和实时监测，可以为实施水资源实时调度和应付水污染事故创造条件。2水质遥测系统水质遥测系统是无人职守地、全自动地测量水质的化学和物理参数。它的主体是以微型计算机为核心，以无线电台为传送手段的智能化的数据采集站。在数据采集站所接传感器中任一参数发生变化时，主动向中心站发送，中心站接收到的各个传感器参数反映了它们的连续变化过程。在重要事件发生时，能够自动启动分析程序，并向中央控制室（中心站）发出告警信号，同时在每个重要时期连续地监测和记录水质参数的变化，不断地提供某区段的水质趋势。另外，本系统的水质数据传输的比特数可缩至最短，只需发送同步字、站号、特征码及数据信息。时标信息可在中心站加注，也不必发送更多的冗余位以提高传输的可靠性，一旦传输受到干扰造成数据丢失或错码时，由于前后数据的相关性，在中心站工业控制计算机中很容易插补或修改。因此，本系统即适合有交流电的城市也适合于偏远无交流电源供电的湖泊、江河等地段。本系统的数据传输采用超短波和卫星通信方式。水质遥测系统由监测站及中心站组成。2。1监测站监测站主要完成水质数据的收集、存储，定时发送水质的当前值。（1） 监测站的组成监测站由水质传感器（或水质监测仪）检测电路、单片机、调制器、无线电台、控制器及太阳能电源组成，见图1所示。卫星平台人工置数水质传感器水质监测仪显示器单片机控制器控制器蓄电池太阳能发电板调制电台检测电路时钟图1 监测站结构图 人工置数将水质的某些参数的量值人为地置入控制电路中。 水质传感器将水质变化的模拟量转换为数字量即完成A/D转换输出。 水质监测仪可提供多路采样输入，在不同的位置进行连续监测。仪器内置的分析部件可在测试不同的参数时选择相对应的传感器。所有的分析部件都可根据分析试样的需要加以优化，该监测仪可全天候、连续地监测水质参量的变化并取得符合实验室标准的测量结果即自动地在现场采样和分析。 检测电路当检测到水质参数有变化时，检测电路产生启动信号，使监测站进入工作状态。 控制器控制器主要控制电台电源和工作电源的接通和断开。 单片机单片机除含有CPU外还有读/写数据存储器，定时/计算器，优先权中断结构，异步接收/发送器的串行I/O接口，振荡器和时钟电路，实现了测站智能化。 无线电台及太阳能电源无线电台为230MHz频段单工台。太阳能电源为硅太阳能发电板给蓄电池浮充。水质监测仪也可采用标准市电供电。（2） 监测站工作原理监测站平时工作在低功耗守候状态，当水质参数变化时或水质检测仪定时将数据送至检测电路时，检测电路起动单片机读入数据，经调制转换和信道编码，将数据变成调制信号后串行输出至电台，电台将数据发出后控制部分关闭电台，监测站重新进入低功耗守候状态。监测站在有水质变化时发送实时信息，无水质变化时发送定时信息。22中心站中心站主要完成水质数据的接收、处理、打印并以图表和曲线的形式显示。（1）中心站的组成中心站由信息接收平台及工控机组成见图2。信息接收平台将由卫星或超短波接收的信息经解调后送入工控机。工控机它是中心站的接收处理机，其软件完成自检、初始化、收数据、帧处理、时段处理和通信等功能。因工控机为值班机故赋予收数中断以最高优先级，对同一任务按实时性要求的不同由相应的子程序来完成，这就保证了即使连续来报也能及时处理。RAM时钟显示器工控机信息接收平台打印机图2 中心站结构图（2）中心站工作原理中心站随时接收由各站点发来的水质数据，进行合理性检验，若合理则用新数据代替该站的前一次合理数据，否则作为可疑数据待下一次再接到该站的数据后再作取舍，并对相应监测站工作状态标志置位，将收到的数据用ASCII字符的形式显示并打印。操作人员把收到数据的时间及合理性判别的结果存入指定文件，按用户指定的时段间隔整理、存储、打印时段水质值，对缺测监测站的数据作出标记。系统正常运行时，工控机将整理出的数据存入文件。中心站工控机可随时将文件通过局域网或公用数据交换网传送至管理机构，也可通过卫星或超短波将数据传输至管理机构，并协助管理人员提出水环境保护的决策方案。（3）中心站应用软件中心站应用软件有9个子系统1 实时数据采集及处理子系统2 监测及报警子系统3 系统及监测站管理子系统4 数据库字处理子系统5 报表管理子系统6 图形界面子系统7 Web浏览子系统8 数据远传子系统9 卫星站遥控子系统水质遥测系统结构见图3所示。3水质遥测系统的发展31国外情况在工业发达的国家如美国、澳大利亚等国家的水质监测已成系统。美国二十世五十年代就实现了水质自动监测并研制出水质监测仪，如美国哈希（HACH）公司可提供便携式及实验室在线分析仪。澳大利亚的格林斯潘（Greenspan）公司所生产的水质监测装置可全天候地适合多种水质参数的监测。但他们的大多数监测是在近距离就地监测，只有很少部分系统实现了水质遥测。随着全球性地表水的污染，欧美等发达国家正大力开发建设地表水、污水水质自动监测站和移动站，为改变水环境迈出了一大步。32国内情况水质参数遥测在国内尚未成系统，即使在工业经济较发达的地区，水质监测采用先进的测验设备也少有应用，就更谈不上水质遥测了。水质遥测系统在国内处于规划研制开发阶段。随着社会经济的发展，对水资源的需求量不断增加，而水污染监测与防治相对滞后，各流域、湖泊水污染日趋严重，河网水质污染和富营养化不断加剧，水质型缺水矛盾不断加重，已危及流域内社会、经济的可持续发展和水资源的可持续利用。自动监测、治理、改善水质，保障地区的水环境已为世人所共识，也引起了中央和各级地方政府的高度重视。因此，水质遥测系统在水环境保护中必将得到迅速发展。4结束语水质遥测系统的建成，将强化原水库、河流的水质监测力度。“水质遥测系统”对从天上降雨、地面成水、地下入渗，直到用水实行统一监测，这样，有利于加速水资源统一管理的进程，发挥水质及水环境监督作用，促进环境改善，同时也改善了投资环境，加速了社会发展。5考文献1 水质参数遥测系统研制报告2001年8月自动化所2 汪恕诚 水环境承载能力分析与调控2001年11月6日中国水利报第2版（汪部长10月30日讲话内容）3孙增义、吴跃、田秋生、王义忠 水质参数遥测系统 水问题论坛第33期2002年1月15日作者简介： 孙增义教授级高级工程师、主任。 王义忠教授级高级工程师、中国水利部项目技术谘询专家、中国通信学会高级会员、北京通信学会专委会委员。Apply Water Quality Automatic Monitoring System to water Environmet ProtectionAbstract This paper introduces ,today composition of water environmet,carrying capacity of water environmet,standardization of water environmet protection,water quatity monitoring,composition of water quality automatic monitoring system and working principle and evolution of water quatity automatic monitoring system.There fore,this paper wii has constructive action from now on researc