蘑菇湖水库水质监测管理系统设计及应用研究

来源:http://www.shuizhifenxi.com/ 作者:余氯检测仪 时间:2019-07-17

  摘要:保护水资源,防治水体污染是我国水利科学所面临的重要问题之一。现结合新疆石河子蘑菇湖水库水质污染调查及影响分析,对在内陆平原水库等地表水体建设水质监测管理系统提出了设计方案,并给出了系统设计技术路线、数据库设计、系统总体框架与主要功能、系统集成和建设水质监测管理系统需要考虑的问题等关键技术,可以为建设同类水质监测管理系统提供参考。

  关键词:水质污染;水质监测;系统设计;数据库设计;系统集成

  我国是一个水资源短缺的国家,人均水资源拥有量仅为世界人均水资源拥有量的1/4。随着社会经济的发展和城市规模的不断扩大及用水量的持续增大,排入江河湖库的废污水量也正在不断增加。水污染的不断加剧,对我国本已是短缺的水资源来说更是雪上加霜,水危机已经严重制约了我国经济的可持续发展[1-2]。早在20世纪中期,欧美有些国家就开始关注水环境的污染,并对此展开了研究。美国国家环保局在1964年开发的STORET COGENT是国际上最早的大型水环境管理信息系统(Water Environmental Management Information System),简称WEMIS。同一时期,英国开发出的水质档案系统(WAPZ),加拿大的国家水数据库(NAQUADAT)也是较成功的水环境管理信息系统。到20世纪70年代末,发达国家几乎都建成了为水环境管理提供支持的水质监测管理系统。我国在水环境管理信息化方面的研究起步于20世纪70年代,近40年来已取得了很多成果,尤其是近年来,我国几大流域机构相继提出并积极实施的“数字黄河”、“数字长江”等工程,是中国水利现代化建设的一个重要组成部分。

  作为解决水环境问题的重要技术手段,水质监测管理系统是“数字流域”工程建设的关键内容。然而,由于新疆地处偏远地区,在水质监测管理方面还相对滞后并亟待改善。新疆的现有河流同样存在着一定的水质污染隐患,污染比较严重的河流有伊犁河伊宁市段、额尔齐斯河干流阿勒泰市下游河段、塔里木河的阿克苏市段等;同样,湖泊污染也不例外,博斯腾湖、艾比湖、柴窝堡湖等都被不同程度的污染。最新的一份环境公报显示,2008年,新疆境内30%的河流水质有所下降,工业和生活污水对流经城市的河流段及下游水库污染严重[3-4]。因此,为了对新疆城市周边各河流和水库的水质情况进行有效查询,对各种突发污染事故实时报警并及时处理,选择一个具有代表性的水库实施水质监测管理系统建设和研究是十分必要的。

  1 蘑菇湖水库水质污染调查及影响分析

  蘑菇湖水库地处新疆石河子市下游,距石河子市以北26 km,是新疆较早和较大的内陆平原水库之一。其设计库容1.8亿m3,蓄水面积31.2 km2,蓄水量1.5亿m3,多年平均调节水量2.2亿m3,自1959年建成以来,其主要功能为调洪、灌溉、养殖。从20世纪60年代中后期开始,石河子市的工业废水和生活污水逐年加大排入到蘑菇湖水库中,致使水库污染日趋严重。目前,水库水质已降为劣Ⅴ类,且水库处于重富营养状态,已丧失养殖功能,长期引用蘑菇湖水库污水灌溉的农田,重金属含量及有机污染物造成土壤污染,已使灌区土壤生态系统平衡遭到一定程度的破坏[4-5]。

  蘑菇湖水库补给源主要有4条途径:分别是玛纳斯河水,年进库水量约为1.5亿m3;石河子市工业废水及生活污水,年进库水量约为5 000多万m3;沙湾河水,年进库水量约为800万m3;泉水和井水补给,年进库水量约为1 000万m3。其中,废污水约占水库入库水量的25%左右。2002年开始,根据蘑菇湖水库水功能现状和水污染特点,在水库的进出口、主要排污口汇入处、水库中心区等按《水环境监测规范》的具体要求布设了8个水质监测断面,于每年4月、5月、6月进行3次全面的采样分析,选择能反映水质现状和《水环境监测规范》中水库必测的项目进行检测分析。结果是蘑菇湖水库出水口断面、西坝区断面、西坝附坝区断面、库心Ⅰ区断面、库心Ⅱ区断面、沙湾河入库口库内区断面水质状况综合水质级别为劣Ⅴ类,有机污染项目和富营养化指标超标率近100%,有毒污染项目中,FN 有检出,硫化物检出率100% 、超标率100%,污染类型为有机和有毒双重污染,水体处于重富营养状态。蘑菇湖水库东坝区断面、蘑引渠入库口区断面水质状况综合水质级别也为劣Ⅴ类,有机污染项目和富营养化指标超标率在100%以上,有毒污染项目中,FN 有检出且超标,硫化物检出率100%、超标率100%,污染类型为有机和有毒双重污染,水体处于重富营养状态。上述结果表明:蘑菇湖水库目前处于严重污染状态,水库属于超Ⅴ类水域。主要污染物为CODMn、COD、BOD5 、SS、NH3-N、FN、TN、TP 、硫化物、大肠菌群等。水库污染类型为有机和有毒双重污染,整个库区水体处于重富营养状态。按功能评价,目前蘑菇湖水库只能勉强用于农业灌溉,不能用于养殖。石河子市排污总干渠污水未经处理直接由蘑引渠排入水库,废水中有机污染指标、悬浮物及硫化物已超过GB 88978-1996《污水综合排放标准》中的二级标准。2002年环境监测部门对石河子市蘑菇湖水库监测显示综合营养状态指数为74.7,2005年的综合营养状态指数为78.3,2008年上半年已升至80.9。石河子市向蘑菇湖水库排放废水的工业企业有100余家,主要行业有化工、造纸、纺织、印染、酿酒、食品加工、制糖等企业。通过调查分析,已经确定12家企业作为主要工业污染源进行重点监测,其年用水总量和年废水排放总量如表1所示。

  蘑菇湖水库水质污染对以下四个方面有影响。① 对水利的影响。目前玛纳斯河水悬浮物平均457. 5 mgPL, 最大值达到1 142 mgPL, 污水悬浮物达到862 mgPL。连年大量的水体悬浮物进入蘑菇湖及其引、排水渠道, 其中大部分不可分解物质的沉积将对水库及其配套渠道造成淤积, 影响了

  渠系的引配水量和水库的蓄水、调洪能量。蘑菇湖水库设计最大蓄水量为1.8亿m3,如今实际最大蓄水量仅有1.15亿m3, 库区中黑色腐泥最深处达到1.5 m,而且污水中化学成分复杂,对渠系配套设施,特别是金属类设备腐蚀严重。②对农业的影响。根据环保资料统计结果,蘑菇湖水质现状,含量较高的pH均值为8.1,最高达到9.1,总矿化度0.5~0.8 g/L,已接近灌溉用水标准的临界值。③对渔业的影响。根据城市总排污口水质监测结果,2007年污染物的化学需氧量66 531.33 t,生化需氧量16 413.86 t,数万吨的需氧量将导致水体溶氧的缺乏,特别是冬季或藻类光合作用减弱季节,水体溶氧降至鱼类忍耐限度以下,鱼类会窒息而死亡。④对生态环境的影响。20世纪60 年代,蘑菇湖消落区植被完好,曾是许多鸟类生长、栖息和繁殖的良好场所。如今水草已灭绝,消落区植被仅残存稀少的草原植物,这里已不再是鸟类的天堂。

  2 蘑菇湖水库水质监测管理系统设计

  系统设计的前提是可行的技术路线设计,包括:前期基础资料的收集、系统开发环境的确定、水质管理相关理论的研究、水质管理系统功能模块设计、水质管理系统数据库的设计、系统开发是否满足需求、工程实际应用等[6-8],具体流程如图1所示。

  图1 蘑菇湖水库水质监测管理系统技术路线设计图

  前期基础资料的收集主要包括:蘑菇湖水库主要污染源和污染物的确定、蘑菇湖水库水环境容量和纳污能力的初步计算、蘑菇湖水库水质污染对社会经济和生态的影响等内容[9-11]。系统开发环境的确定包括:开发平台可以使用WINDOWS 2000、WINDOWS NT、WINDOWS 2003、WINDOWS XP等任一种目前流行的操作系统;开发工具软件使用BORLAND公司的Delphi 7.0,数据库服务器使用MICROSOFT公司的SQL Server2005,报表制作软件使用北京用友华表软件公司的Cell等。水质管理相关理论的研究主要是指:查询国内外有关水质管理、水质监测管理系统设计的文献和国家规范并结合蘑菇湖水库水质监测的实际情况进行研究,从而设计出适用于蘑菇湖水库水质监测管理系统的技术路线。

  技术路线设计完成后,即可进行蘑菇湖水库水质监测管理系统总体框架与主要功能的设计[12]。根据国家行业标准并结合本地实际需求情况,设计蘑菇湖水库水质监测管理系统主要由5个子系统组成。①数据库管理子系统。内容包括:进行数据库的需求分析,设计数据库的结构,建立连接及库索引。②水质监测管理子系统。内容包括:基本信息查询,可以对排污口、测站、监测断面、监测仪器等基本信息进行查询。监测数据查询,能够对历史、实时监测数据进行按时间、测站、断面等参数进行查询。监测数据处理,可以对历史、实时数据进行同期数据比较和数据趋势分析;同时可以将历史数据转存至指定格式。③电子地图管理子系统。内容包括:监测范围内地图显示,河流、水库、行政区划分等基本信息显示。测站显示,地图上测站分布点显示,测站监测数据基本信息显示,可实时添加新测站。排污口显示,地图上排污口分布显示,排污口水文、监测信息实时显示,能够实时添加新排污口。污染事故实时显示,地图中设置各个监测断面监测数据指标,超过相应指标,能够实时预警,显示污染事故基本信息。④报表管理子系统。内容包括:报表类型、监测报表、统计报表、业务报表等,可以调用数据库中数据自动生成报表中数据,也可以手工输入数据;同时,还包括报表打印、保存、修改等。⑤帮助子系统。介绍系统各功能的使用方法和注意事项。

  其中,水质监测数据库是本系统的核心,系统数据库管理子系统设计质量的好坏将对系统的效率、功能的扩展产生很大的影响。合理的数据库结构有利于应用程序的实现,也有利于提高数据存储的效率和保证数据的完整一致。数据库设计是指根据用户需求研制数据库结构的过程,具体的说,是指对于一个给定的应用环境,构造最优的数据库模式,建立数据库及其应用系统,使之能有效的存储数据,满足用户的信息要求和处理要求。按照规范设计方法,数据库设计一般分为需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库的运行和维护等几个步骤。数据库设计还应考虑数据库的安全,本系统采用了用户标识、存取控制、定义视图、使用存储过程等四种安全措施来保证数据库安全。依据数据库设计规范和国家水利行业标准SL325-2005《水质数据库表结构与标识符规定》,蘑菇湖水库水质监测管理系统数据库目录见表2。

  3 蘑菇湖水库水质监测管理系统应用需要考虑的问题

  考虑到水质监测数据传输方式可靠性和先进性及数据传输成本的问题,整个系统采用基于GPRS的无线传输技术[13-16]。这样,中心控制站人员就可以通过GPRS以无线的方式或通过Internet 接入GPRS 网络,数据库服务器接收从各水质监测站发来的数据,并保存在数据库中,供系统软件分析计算并完成对水质监测站的监视控制以及水质信息的存储、动态监测、信息查询、数据统计等功能。不同地理位置的系统访问人员也可以通过GPRS提供的无线接入Internet的方法,访问中心控制室应用程序,查询水质实时监测数据或者历史监测数据并打印各类报表。

  水质监测站点位的选择应考虑是否具有代表性,是否真实地反映所监测水体的质量状况等问题[17-20],具体应考虑以下几方面。①如果监测站设在河流上,应确定在水体均匀、流速相对稳定、无湍流、无沉积的平直河段,距上游支流汇合处或排污口有一定的距离。②对断面水质和取水口水质进行比较测试,当二者水质存在较大差别时,应考虑变更监测站的位置。③调查清楚监测点的水流状况、常年水位和气温等因素,以便供取水设计时使用。④为了确定符合监测现场要求的水质自动监测仪量程,应提前确定各个监测站监测因子的大致浓度范围,仪器安装调试完成后,还应要求水质自动监测仪供应商进行现场培训。

  4 结语

  对于在河流、平原水库等地表水进行水质自动监测在新疆才刚刚起步,随着对本系统不断的开发升级,还会存在不少问题需要解决。本项研究是新疆生产建设兵团科学技术局组织的“水质信息管理关键技术研究及系统集成”项目的前期试点工作,目前正处于测试阶段,但由于对水质管理过程中复杂业务的了解不能做到面面俱到,对数据及其处理过程理解不够深入,因此本系统还有待于后期的不断维护,从而使本项研究的成果更好地应用于新疆的各型水库。

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