郝志浪，赵 博，张瑜东，张 剑
（1.中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199；
2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710100）
我国水环境面临着水体污染、水资源短缺和洪涝灾害等多方面压力，水体污染加剧了水资源短缺，水生态环境破坏促使洪涝灾害频发。目前我国七大水系、主要湖泊、近岸海域及部分地区的地下水都受到了不同程度的污染，且具有影响范围广、危害严重、治理难度大等特征。在做好污染治理的同时，如何做好河流水质污染的实时监测，成为当前重点研究的方向[1-2]。蒋幸幸等人[3]重点从网络角度，提出采用LoRa 实现海洋水质数据的采集。庄杰等人[4]侧重于利用SFM600WS 水质分析仪对水质进行监测，并创新地提出水动力水质耦合模型，从而实现对水质污染分布的模拟。赵云峰等人[5]将BP 神经网络应用到水污染分类中，从而为智能算法在水污染方面的应用提供了参考。以上研究成果分别从不同角度阐述了水污染检测技术的应用，但水污染治理流程多、分布广、链条长、关联因素多，很难从一个维度来解决问题。本系统从数据采集、设备管理、在线监测、采样检测、统计分析、溯源管控等方面分析水污染情况，追溯源头，降低河流污染，能够有效地帮助水环境监管部门解决监管问题。
水污染监测系统按照国家、省、市、区（县）水污染防治有关工作部署，以“政府统一领导、系统协调指挥、企业全面负责、部门协同应对”为指导思想，紧紧围绕服务企业涉水隐患排查治理和城镇污水处理厂系统的正常运行，以水量控制水质为基础，以达标排放为原则，以流域生态保护与修复为目标[6-8]，建成纵向包括市/区县、涉水企业、污水处理厂等，横向包括住建、环保、水务、综合执法等部门的资源共享、互联互通的水污染防治监管系统，实现基础信息规范完整、动态信息随时调取、隐患排查自动提醒、执法过程便捷可溯、应急处置快捷可视，全面提升水污染防治智能化、信息化水平，加快推进水生态环境治理建设。
按照“感知、分析、服务、指挥、监督”的信息化建设标准体系，结合数据采集、存储、分析和应用的物联网系统通用架构对系统总体架构进行搭建，如图1所示。
图1 总体架构
数据采集层主要完成设备数据、空间数据、实验室数据、站点企业数据、在线监测数据及用户数据的收集和入库；
数据支撑层由在线监测数据库、设备数据库、站点企业数据库、实验室检测数据库和用户信息数据库组成，将系统用到的各类结构化和非结构化数据分布存储在数据服务器上，为业务支撑层提供数据支持；
业务支撑层为业务运行、管理协同提供统一支撑，包括应用所需的资源共享、信息交换、业务访问、业务集成、流程控制、安全控制和系统管理等多种基础性和公共性的支撑服务；
服务层是对空间数据和业务模块进行服务发布，提供多种空间信息服务和网络服务，包含矢量地图服务、遥感影像服务、三维数据服务、Web 服务、数据流服务等；
应用层是面向各类用户提供水环境基础设施服务的应用系统的集合，包括设备管理系统、在线监测子系统、实验室管理系统、数据综合分析系统和GIS 综合应用系统，向各应用部门提供水环境基础设施数据的查询、统计、分析、综合决策及空间分析等功能。
3.1 设备管理子系统
设备管理子系统利用物联网技术对设备监测数据、工作参数、运行状态进行实时采集和控制，避免通过软件进行污染源自动监控造成的数据作假行为，该方法在减轻环境监测、监察工作量的同时，实现对污染源自动监控设备的有效监管，提高在线监测数据质量[9]。功能主要包括站点管理、实时报警、实时监控、告警处理、诊断分析、远程控制等。
（1）站点管理：按照区域、业务、设备种类三个维度对所属单元的设备进行管理，为系统提供监测站点的数据、设备详情、设备参数、诊断分析等详细信息。
（2）实时报警：根据监测设备的状态、监测设备参数的变化以及业务智能分析报警规则模型，对检测设备上传的数据进行多维度的分析，并设置模型的相关告警参数。当监测指标达到设置阈值时系统会推送不同级别的报警，并能够查询任意时段内的报警信息。
（3）实时监控：通过音视频、智能相机、活体生物识别等信息采集终端对各监测站点的实时状态进行监控。若企业通过修改工作参数改变监测数据值，则参数异常数据以红色显示。用户可根据条件查询监测站点实时监控情况，如设备实时状态、异常时间、处理状态、反馈情况等。
（4）告警处理：系统实时记录各监测站点的报警信息，包括站点名称、报警次数、任务时间、处理类型、最高等级、当前步骤、诊断描述等内容，用户可根据告警类型和对应的处理措施直接进行下一步的处理操作。
（5）诊断分析：对于通过修改设备参数改变监测数据的行为，系统提供诊断分析功能，可完整查看设备参数修改前后监测数据的变化情况。
（6）远程控制：完成对监测设备参数的范围值设定以及监测设备的远程控制，包括开关、参数校正、告警配置和命令下发等。
3.2 在线监测子系统
在线监测子系统负责汇聚各区域所有站点的监测数据，能够对超标数据提供报警功能并可对水质进行分析，同时提供数据共享供其他子系统调用。
（1）数据实时监控：实时显示区域内站点设备的运行状态、监测指标值和当前水质类别，对超标数据突出展示。
（2）两率报表：按时间段对系统设备运行率、数据正确率进行统计汇总形成报表。
（3）水质分析：按照时间段、区域、水质类别、项目类别、项目状况，统计分析地表水的水质情况，包括但不限于断面个数、污染程度、主要污染物、综合污染指数、目标水质等分析。
（4）均值统计：按照时间段、流域统计水质监测数据的日均值、污染状况、使用状况等指标。
（5）超标快报：系统将超标情况的信息以超标快报（日报、周报）的形式反映给用户，同时能显示超标项目的超标倍数、最低目标和实测水质等信息。
3.3 实验室管理子系统
实验室管理子系统对采集的水质样本（地表水、污染源）进行定量检测分析。系统集样品管理、仪器管理、试剂管理、任务管理、实验记录管理等诸多功能为一体，组成一套完整的实验室综合管理和质量监控管理系统。
（1）样品管理：样品检测全流程的过程管理，包括样品登记、接收、分配以及检测结果录入、复核、审查等检测过程。
（2）仪器管理：完成实验室各类仪器的信息化管理，可对其进行校验、定期维护、预防性保养等服务。
（3）试剂管理：试剂作为质控样品用于达到实验分析过程中的质控目的，系统可对试剂进行管理，包括试剂的溯源、流转和三废处理等。
（4）任务管理：根据检测业务和指标配置任务通知书，并对任务执行过程进行实时管控，包括任务来源、任务性质、检测内容、质控要求、采样器皿选择、现场采样、样品交接、结果审核/复核及退检确认等。
（5）实验记录管理：完成实验原始记录的复核功能，在复核实际记录过程的同时可完成样品复核的操作，并依据检测项目自动生成原始记录表。
3.4 数据综合分析子系统
数据综合分析子系统是以企业废水排放量、废水企业能耗、废水企业落后产能等各类数据为基础，结合物联网设备在线检测数据和实验室测试报告，从多个维度统计分析污染源状况，进一步提升污染源监控管理和自动监测水平。功能主要包括污染源总览、超标分析、达标分析、站点运行情况分析等。
（1）污染源总览：按照日、月、年三个时间维度，统计展现污染源企业总体情况，包括企业总数、废水企业数量、污水厂数量、企业分布、各区域企业数量排名、年排放总量等。
（2）超标分析：按区域、行业、站点类别、控制级别等指标对一段时间内站点数据超标情况进行统计分析。
（3）达标分析：按行业、区域、站点对一段时间的达标排放情况进行对比、排名。
（4）站点运行情况分析：按区域、行业、站点类别、控制级别等对一段时间的站点运行情况（正常、超标、异常、停产等情况的数量、比例）进行统计分析。
（5）废水减排分析：对纳入减排计划的企业按区域、行业、企业进行统计、排名、任务完成情况分析。
（6）废水企业落后产能分析：结合产业发展实际和环境质量管理要求，统计分析钢铁、水泥、电解铝、平板玻璃等行业落后产能运维情况。
3.5 GIS 应用子系统
GIS 综合应用子系统是以GIS 系统为中心，实现废水站点、污水厂、污水企业的汇集管理，并提供可视化的辅助决策建议，同时将GIS 系统、水污染模型、企业站点等进行数据整合、分析，完成水污染情况的快速溯源和统筹管理，提高综合业务管理水平[10]。功能主要包括地表水断面分析、水污染快速溯源、地表水统计、废水概况、废水统计等。
（1）地表水断面分析：以列表的形式显示所辖区域内所有的河流断面、站点名称、类别及鱼类稳定生长情况，并在地图上根据河流断面水质类别自动标注河流断面位置，能够按照所属区域、所属河流、断面名称等条件进行具体定点定位查询。
（2）水污染快速溯源：当监测到所辖区域内排污超标或环境恶化等问题时，可快速定位和追查源头，并通过调查性监测、重点性监测、溯源性监测等业务流程上报结果。
（3）地表水统计：按照统计区域和河流断面查询某一时间段内某一流域相对应的具体河流断面的水质类别情况。
（4）废水分析：按照站点、行政区域、行业类别、控制级别等条件查询全区域废水污染源的概况和关联信息，同时可在地图上显示每个站点和子区域废水污染源数量以及主要污染物的排放量、百分比等具体情况。
（5）污水厂统计：根据污水厂的控制级别、污染物等条件查询某一时间段的污水处理厂运行情况，可按照个数或者排放量进行统计显示。
（6）排污企业详情：根据行政区域、排污类型、企业名称、控制级别、行业类别的图例符号等条件可查询相关的污染源企业信息，同时能够定位空间位置。
水污染监测系统在物联全面感知、数据充分整合、功能模块紧密协同、分子系统异构集成、业务流程可流转溯源的理念下实现了水污染监测的全流程管理。首先，从数据更新和互联共享方面，考虑到生态环境部门作为水环境数据管理的主要部门，同时也要和其他行政管理部门进行数据共享和交换，提升数据利用价值的同时也能融合其他权属单位的数据信息，实现及时、准确、完整地收集关联基础设施数据[11]，保证数据库的准确性和完整性的同时也满足了政务办公“一个平台，一张网”的规划。其次，从水污染监测业务方面，设备管理子系统能够实时多点监测目标水域的水质，实现提前预警和水污染事件的跟踪，确保相关部门能够及时明确污染源、污染程度以及污染过程，为国家保护水资源过程提供保障；
GIS 综合应用子系统可完成监管区域内各类企业的污水排放情况和落后产能的经济效益情况，为管理者决策提供有效数据。最后，从“智慧环保”和“数字政务”等国家政策方面，数据综合分析子系统能够提供一个可视化的数据统计分析平台，可为“智慧环保”建设提供重要的补充，为城市的优化设计、安全管理和科学发展提供辅助决策支持，系统具有很好的推广应用前景。