水华预测预警系统

研发案例

1. 北海水质监测、评价与水华预测预警系统

1.1项目背景

北海作为北京城内的最大水域之一，湖面约38公顷，湖岸线长3749米，平均水深1.5米，最深处达2.5米，属于北京重点河湖水系和重要景观，为城市的可持续发展提供基础保障。然而从2001年开始，北京市包括北海在内的长河水系连年发生不同程度的水华，使鱼类成批死亡，水体呈现腥臭味，严重影响了河湖的观赏功能，给首都的生态环境和声誉带来了不良影响。

国家“十一五”计划纲要明确提出了环境综合治理和水体污染预测控制是建设社会主义和谐社会的一项重要议程，市政府十分重视北京河湖水系的水华防预和治理。北京金控自动化技术有限公司与北京工商大学智能控制与测控网络实验室联合开发了一套水质远程监测、评价与水华预测预警系统，实现对北海水质进行及时、有效地远程监测和水华预测预警，从而为提前治理北海水华提供决策支持。

1.2系统结构

水质监测与水华预警系统按照物理功能分类主要由三个部分组成，即：水质信息采集终端、GPRS网络及监控中心系统。

水质信息采集终端负责采集水质信息数据并将采集到的水质信息数据送上GPRS网络，GPRS 网络负责将水质信息数据通过Internet上传至监测中心，监测中心由监测中心服务器、数据库服务器和监测中心终端操作计算机构成，在相应的软件系统支持下完成对上传数据进行接收、处理及显示的功能。系统功能结构图见网站链接。

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1.3功能介绍

水质信息采集

水质信息采集设备置有水质传感器和变送器。采集的量有PH值、电导率、溶解氧、总磷、总氮、叶绿素浓度等。传感器输出的模拟电平信号接入无线采集终端的ADC单元，采用单片机进行模拟量采集。由单片机完成时间和水质信息数据打包，打包后的数据可由单片机外设接口将采集到的水质信息数据通过串口通信方式发送给后端的GPRS模块。

GPRS远程传输

考虑到水质检测传感器的布点灵活、传输数据量不大、测量数据可根据用户设置的时间间隔进行传输等特点，选择GPRS无线网络技术用于水质信息的实时传输。GPRS无线数据传输具有设备成本低、数据传输安全可靠、使用灵活方便等特点，非常适合远程数据传输上的应用。

对于水质信息实时监测系统来说，GPRS能够利用电信运营商的网络进行灵活的布点，而其流量计费的方式和较高的数据传输速度都符合水质信息的传输特点。并且利用GPRS无线网络技术还可将不同水域的水质信息汇集到监测中心进行处理，从而实现一个监测中心同时对多个水域进行水质监测与水华预测。

水华上位系统

在水质监测与水华预警系统中，水质信息数据通过GPRS网络由监测中心服务器接收后，数据实时存储于数据库服务器中，终端操作计算机通过实时获取数据库中的水质信息数据，进行水质评价和水华预测预警处理。

1.4应用效果

北海水质监测、评价与水华预测预警系统搭建了灵活的人机操作界面，操作方便快捷，可以直观地显示、查询、统计和分析监测水质数据，并结合水环境的现状进行实时预测，以提供决策支持。该项目的研制与开发为水环境的进一步治理提供有效的理论依据和实际应用系统，其推广应用可减少水环境治理周期、减低能源消耗、提高治理效果，为社会带来可观的经济效益。

2. 太湖水质移动监控以及水华预测系统

2.1项目背景

太湖位于长江三角洲的南部，正常水位3公尺时湖面积2,250平方公里，平均水深1.94公尺，蓄水27.2亿立方公尺，属于大型碟状浅水湖泊。近年来，太湖地区人口和经济迅速发展，太湖长期沉积的富营养底泥与人类活动排放入湖的营养物相叠加，导致湖泊营养化日益严重。然而太湖环境保护和治理措施相对滞后，自上世纪90年代初以来，太湖几乎年年都暴发不同程度的蓝藻水华，尤其是2007年，太湖出现了大面积蓝藻水华，造成了重大的经济损失和严重的社会影响。

“十五”期间环太湖地区各级政府虽然在点源、面源控制开展了大量工作，但是由于流域的人类活动和经济的快速发展，从太湖西北部进入太湖的污染物总量仍然逐年升高，太湖水质尚未得到根本改善。针对太湖水质情况，北京金控自动化技术有限公司开发了一套水质移动监测以及水华预测的系统，搭建在太湖水质监测船只上，实时监控水质参数信息，评价水体富营养化，对水华发生进行预测，提前预报水华的爆发，有效地监控全湖的水质情况。

2.2项目概述

水质移动监测以及水华预测系统主要包括三个方面：现场水质数据采集、3G无线信道传输、上位监测中心，其总体框架见网页链接。

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•现场水质数据采集

本系统是以防治太湖水华爆发为目的搭建的，因此水质检测项目涵盖了总磷(TP)、总氮(TN)、pH、溶解氧（DO）、叶绿素a(Chla)、透明度(SD)、水温、水色、地理位置等水华预警中的监测指标。对于不同的监测项目，传感器类型各不相同，监测方式各异，根据其特点将传感器布置到优化设计的方位，以使监测更加有效可靠。各类仪表和传感器通过电缆连接到数据采集处理终端，经过分析和处理获得标准规格的数据。

•3G无线信道传输

3G网络采用宽带射频信道，支持高速率业务，采用自适应天线及软件无线电技术，可以进行发信波束赋形，自适应地调整功率，减小系统自干扰，提高接收灵敏度，增大系统容量，其软件无线电技术应用在基站及终端产品中，对提高系统灵活性、降低成本具有至关重要的作用。现场水质信息终端仪表通过3G无线信道传输，解决了仪表安放位置和布线的限制问题，能够将大量的现场信息高速传输到上位检测中心，具有高度的先进性和环境适应性。

•上位监测中心

通过3G无线网络传输上来的现场水质信息数据，按照时间以传感器仪表的编号名称依次存储到SQL数据库里。系统结合GPS定位，以GIS地理信息技术为主体，对船只的实时状态和跟踪状态进行显示。通过历史路径查询可以将船只所走的路线按天的形式在GIS图上显示，双击即可获得该移动点处水质信息的情况，对不同移动点的数据信息以折线图的形式比较显示。除了实时状态查询和历史数据查询外，系统还能实现水体的富营养化评价和水华预测，对太湖水华进行及时预警。

2.3项目运行界面展示

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2.4应用效果

该系统能快速、准确的完成太湖水质检测数据的采集和无线传输，使检测人员能够实时查看船体行驶航线以及相应航路上的水质信息，还能够查询历史数据，进行后期的处理。提供美观友好的监控画面，方便有关领导检查和监视；对水体进行富营养化评价，预测发现异常即自动报警。该系统集流动监测、水上预测和快速预警等功能于一体，扩宽了太湖水域水质监测的范围，能够在船只巡逻的过程中实现水质的监控，观测水体富营养化的变化状态，具有相当完善的水华监控预警体系，自动化程度达到国内一流水平。