摘要：国的水资源长期以来就存在总量紧缺、时空分布不均衡、水体污染日益加重等问题，经济的迅速膨胀和粗放型增长不但加重了水资源的负荷，也加剧了水环境的污染问题，水污染己然成为制约我国经济社会发展的重要因素之一。因此，对水质进行实时监测与评价预警意义重大。本文针对某企业的水环境在线监测与评价预警系统的研发问题，进行了以下方面的分析。
关键词：在线监测；评价预警；模式架构
一、我国水环境现状
我国水污染状况触目惊心。总体看，水环境恶化趋势尚未得到根本扭转，水污染形势仍然严峻。江、河、湖泊水污染负荷早已超过其水环境容量。污水排放量仍在增长，七大江河水质继续在恶化，Ⅴ类和劣于Ⅴ类水所占比例仍很高。水污染严重河流，依次为：海河、辽河、淮河、黄河、松花江、长江、珠江。其中海河劣于Ⅴ类水质河段高达56.7%，辽河达37%，黄河达36.1%。长江干流超过Ⅲ类水的断面已达38%，比8年前上升了20.5%。除西藏、青海外，75%的湖泊富营养化问题突出。现在工业水污染仍旧突出，仍是江河水污染的主要来源。近年来水污染事故频繁，平均每年达1000起左右。不少老企业无钱治理，高污染的乡镇企业仍大量存在，企业违法排污现象普遍。有61.5%的城市没有建成污水处理厂，相当多的城市没有建立污水处理收费制度，污水收采管网建设滞后，污水处理收费普遍过低。因此除特大城市外，许多城镇污水没有得到有效地处理。城乡居民饮用水安全问题严重。地表饮用水源地不合格的约占25%，其中淮河、辽河、海河、黄河、西北诸河近一半水质不合格。华北平原地下水水源地，有35%不合格。
这不仅仅是因为众所周知的城市集中了大量的工业生产企业，工业废水排放量巨大；而且，随着城市规模的不断扩大以及人口的进一步增长，生活污水排放量与日俱增。中国环境监测总站今年一至四月对全国地表水水质监测结果表明，流经上述限批城市的水质多数为重度污染。如长江安徽段的巢湖全湖平均为V类（Ⅴ类水已不能和人体接触，劣Ⅴ类水更是丧失基本生态功能）；黄河支流渭河的渭南市、淮河支流沙颍河的周口市的国控断面今年前四个月的监测结果全部为劣Ⅴ类。国家环保总局近日对海河和淮河流域干流和支流六十七个断面水质抽样监测结果显示，全部为劣Ⅴ类。两年前的松花江事件标志着中国进入了水污染事故高发期；今年入夏以来太湖、滇池、巢湖的蓝藻接连暴发，标志着中国进入了水污染密集爆发阶段。
二、水环境在线监测系统现状
在中国，水质监测与管理系统的研究起步比较晚，始于20世纪80年代，但国家和社会各界给予很大的关注和支持。80年代前，一直在使用包括手动收集、分析数据以及手动汇总制表等基本工作手段进行水质数据监测与管理。由于取样时间长、分析慢、传递延长，难以满足当前水环境监测实时性与准确性的需求。近年来，国内加大了对水环境监测的研究力度，国内已有多家企业和科研结构进行了相关内容的研宄。对水质在线监测系统的研究，国内外都有了较多的研究工作。
开发出基于Lab view的水质监测虚拟仪器，通过系统设置了采样点数、采样频率等，可以同时对氟离子、氯离子、溶解氧、生化需氧量或化学需氧量进行监测。郭小青等［叫提出一种基于CAN总线的水质参数在线监测系统。该水质参数在线监测以PC机为主机，以具有CAN总线控制功能的80C592单片机及外围电路和各类参数监测仪表为分机，以CAN总线通信接口适配卡连接构成系统，该系统能够实时监测pH值、氧化还原电位、浊度、电导率、溶解氧、余氯等水质参数。经过多年的发展，中国在水资源水环境监测技术方面取得了长足的进步，也有着不错的成果。环境管理信息系统、水量水质在线监测系统等在一些省、市已经得到了应用，为环境管理部门提供了新的技术手段。
三、水环境评价预警研究现状
随着人工智能算法的发展，人工神经网络在水环境的水质评价预测方面的应用进展迅速。人工神经网络（ANN）是目前国际上的前沿交叉学科，是借助人脑神经系统存储和处理信息的某些特征而抽象出来的一种数学模型。目前应用最多、研究比较成熟的是多层前馈网络反传算法模型（BP模型）。BP模型是一种较特殊的非线性映射方法，它通过一元函数的多次复合来逼近多元函数。在国外，ALapedes和ILFarber最早将神经网络应用于预测分析。随着神经网络的发展，Holger R.Maier和Graeme C Dan基于BP人工神经网络对澳大利亚南部Murray河上某段的水质参数矿化度进行了预测，取得了一定成效。
目前有关水环境质量评价的方法众多，一般可以分为确定性与不确定性两大类。确定性方法包括传统的单因子指数法、综合指数法（Ｆ值评分法、内梅罗指数法、Ross水质指数法等），因其计算简单、便于操作，为人们所广泛采用。从己有的研究成果来看，模糊数学方法被广泛运用在各种环境质量评价中，在地下水质量评价中的作用也显得尤为突出。其优点是以模糊数学为基础，考虑到水体环境本身存在的大量不确定性因素以及级别划分标准具有的模糊性，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，使评价结果更接近客观实际。William Silver率先将模糊数学理论应用到海水环境评价中。在国内，于1984年率先应用模糊数学方法对地下水水质综合评价进行了尝试之后，将模糊综合评判法应用于各地的地下水水质评价中，均获得了可靠的、能够反映客观实际的评价结果。在综合水质评价中应用较多的模糊数学方法包括模糊综合评价法問、模糊聚类法、模糊识别法等。目前，模糊综合评判法已成为水质综合评价的一种常见方法，并被认为是定量研究水质的一种有效方法。
四、系统总体方案设计
4.1系统设计的原则
为取得良好的经济效益与社会效益，在建立水环境在线监测与评价预警系统时应该遵循以下几个基本原则：
1）实用性原则：系统应具有良好的人机交亙界面，功能强大的同时也要易于使用，操作便捷，实用性强。
2）易操作原则：系统最终的运行是由管理人员和无技术基础的用户共同执行的。监测项目较多，工作量比较大，因此系统的操作应尽量简单、易于掌握。
3）安全可靠原则：水环境监控系统是一个实时的、针对地表水质管理的应用系统，要求系统能够长时间可靠稳定地运行。系统需采用严格的安全保密措施，针对不同的用户赋予不同的权限，对数据具有安全保护能力。
4）容错性原则：系统应具有较强的抗干扰性，对各类用户有可能发生的误操作应有相应的操作提示或自动消除误操作结果的能力。
5）标准化原则：系统的分析评价、代码编写、系统集成、系统测试等开发流程均应该采用标准化方法。有国家、行业标准或规范的，都应严格执行。没有标准或规范的，采用通用做法。
4.2系统的功能设计
4.2.1系统总体结构
水环境在线监测与评价预警系统的设计和实现是一个长期而复杂的过程，每个步骤都需要严格遵循系统设计原则，最终才能满足系统需求。系统开发技术路线主要分为以下三大部分：
（1）数据、资料、知识准备阶段系统设计开发之前，需要了解系统业务并查阅相关资料，对水环境监测评价以及预警的整个业务流程有全面的认识，从数据需求、功能需求和用户需求等方面全面考虑才能设计开发出符合要求的系统。
（2）功能、结构、模型、数据库设计阶段依据对用户需求的分析，模拟出系统原型，再根据查阅的相关水环境生态质量评价标准和各种评价方法，建立系统的评价功能模型和预测功能模型，设计系统功能模块，组织开发系统结构和水环境综合数据库。并根据实际需求的变化不断调整开发设计方向，最终构建起符合需求的平台系统。
（3）系统开发实现阶段充分利用Web Service技术实现系统的集成与共享，并结合百度地图API实现系统的基础GIS应用服务功能，建立基于Web的水环境在线监测与评价预警系统，进而实现对目标水体水质的动态监测，以及对水体健康状况的评价预警等功能。系统的总体结构如图1所示。水环境在线监测与评价预警系统的总体结构包括监测层、传输层和监测中心三部分，监测层是由布设在水体中的各个监测节点组成，各个监测节点根据监测污染物种类、污染物浓度、监测精度、数据传输格式、数据传输步长等选用不同的水质传感器；传输层主要是由环境监测数据采集器组成，它实现数据采集和GPRS无线传输功能，环境数据采集器的设计通过串口应可连接多个水质监测传感器，监测层传输的数据通过环境监测采集器接收，并在其内置GPRS透传模块的作用下，通过GPRS网络传输方式传输到软件平台。监测中心主要由水环境在线监测与评价预警系统平台和水质数据库组成，无线传输的数据存储到水环境数据库之后，水环境在线监测与评价预警系统平台可以读取水环境数据库中的数据并进行进一步操作。系统平台主要完成水质数据的预处理、在线监测模块和评价预警模块等系统功能模块的设计和实现。本论文重点研宄监测中心部分的工作，监测层和传输层的工作由其他人负责完成。
图1水环境在线监测与评价预警系统结构图
4.2.2水环境在线监测模块设计
实时监测得到的水质监测数据并非都能直接用于系统平台的使用，合格的数据不仅是指数据具有实时性、准确性和完整性，还应该从系统的运行效率来考虑，尽量避免数据的冗余。因此在线监测模块需要对数据进行异常检测与校正，并对冗余的数据进行融合处理，最后通过Web平台进行数据的可视化显示。
4.2.3水环境评价预警模块设计
水质评价和预警是以在线监测数据为基础实现的更高要求的水质数据应用，需要对水质数据进行有目的的统计、计算和分析。水质评价过程需要首先依据水体的性质及评价目的选取必要的评价指标，再依据水域功能确定所要参照的水质评价标准，之后运用合理的评价方法进行评价得出最终的评价结果，系统平台依据评价结果进行相应的警报提醒显示。水质预警则是以水质预测为前提的，首先依据水质评价标准确定各监测指标不同警报程度的上限和下限，然后依据预测的要求选用合适的预测模型进行预测计算得出预测结果，对比瞥报程度限值确定预测指标是否超标、所属的警报程度，系统平台依据预测结果进行相应的瞥报提醒显示。
结束语
我国水污染问题日益严重，已成为制约我国经济社会发展的重要因素之一。全面的、实用的水环境质量在线监测与评价预警系统是监控水质健康的主要手段，既可以为水环境的长期动态监控和评价预警提供技术支持，同时也可以为定位、定量和定性地了解水环境质量情况，为科学化、规范化的水环境管理提供依据。因此，水环境在线监测与评价预警系统意义重大。
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论文作者:夏健宇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
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