郑 雪 ，王 晶 ，李晓菊

（1.秦皇岛莫镭特环境科技有限公司，河北 秦皇岛 066004；2.河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛 066004；3.燕山大学经济管理学院，河北 秦皇岛 066004）

水库在水资源利用方面发挥着十分重要的作用，如防洪、蓄水灌溉、供水、发电、养殖、航运等，水质实时监测与预警报警系统应运而生，如何建立一套较为科学合理的水质监测预警系统成为水库水质管理的重点。

我国水质监测预警技术起步较晚，水质监测、分析以及预测预警方面还处于探索阶段[1]，经过近30 a的发展，目前水质监测技术已取得较大的进步，尤其是在硬件设备和网络组建方面，已经完全实现数据的实时自动监测和传输。在不断发展的同时，我们距离一些发达国家仍有不小的差距，水质监测系统的构建未能跟上时代的脚步，相关工作人员在建立水质模型时面对的也是一个数据多、信息少的情况，大规模的水质自动监测系统还未应用于实践中。

构建一个较为完善的水库水质监测预警系统，能够连续、实时、全天候地对水质进行监测，从而节省大量人力和时间，并且能及时预警和防范水环境风险，系统了解水资源污染情况，较为准确地预测预警水质变化，是地表水环境质量监测的未来发展趋势和方向[2-4]。

1 水质监测预警系统需求分析

系统需求分析是系统设计过程中关键的一步，通过对水库水质监测预警工作的现状分析和水质异常事件的信息需求和数据需求的调查研究，以及对系统设计常规性需求的分析，得到系统设计最基本的需求信息，主要包括功能性需求和非功能性需求分析两部分。

（1）功能性需求。在水质监测系统设计前，分析水质监测预警系统的主要需求，通过调查研究，水质监测部分主要是对水质信息数据进行收集及整理；水质预测部分主要是对已经采集水质信息数据进行储存，并通过数据库对水质信息数据进行分析，判别水质数据是否存在异常。

（2）非功能性需求。水质监测预警系统中除了有上述所必需的功能性需求外，还需要实现各种非功能性需求，如安全性需求、使用性需求、时间需求、负载能力需求、系统可维护需求。这些非功能性需求除了可以满足整个系统向用户提供正常的功能外，还能使用户能够流畅地运用该系统，保证系统的安全运行。

2 系统总体设计

水质监测预警系统的目标是提供一个集基础数据管理和水质监测预警于一体的辅助决策工具。为了实现系统目标以及对系统数据库中数据进行有效管理，给用户带来更加清楚直观的使用体验，水质监测预警系统中软件架构主要包括表示层、业务处理层、应用交互层、数据层4个层面，具体架构如图1所示。

图1 系统软件架构

（1）表示层。在水质监测预警系统中，表示层是指用户在使用该系统进行查询时呈现出来的界面，主要通过一定的方式在系统主页展示出系统中其他各应用层得出的结果，达到整个系统可视化的目的。在表示层，用户可对水质数据、模拟预测结果、预警信息进行查询，工作人员可对用户、系统及数据进行管理。

（2）业务处理层。业务处理指对系统中主要功能进行业务处理，用于业务的实现。这一层中包含了业务完成所需的一些模型、计算，同时该层可以与数据层相连，以便于访问数据进行分析预测。其主要包括数据查询组件、数据分析预测组件、数据管理组件及用户管理组件。

（3）应用交互层。在水质监测预警系统中，一方面需要工作人员对数据进行输入及管理，另一方面可支持用户对数据进行查询，所以应用交互层主要是方便系统与工作人员和用户相联系。

（4）数据层。数据层主要是指系统中的数据库本身，用于存储数据。该层包括各类数据、表格、视图，为整个水质监测预警系统提供数据基础。本系统中主要包括水质的基础数据和实时监测的数据。

3 子系统设计

3.1 系统管理模块设计

（1）用户管理。用户管理部分不需要对每日登录网页浏览新闻公告、水文情况的用户进行管理，只需要对系统中的工作人员包括监测站工作人员、水质分析预测工作人员、相关项目管理人员进行信息记录与管理，系统中需要记录每个工作人员的用户名、密码、手机号码等信息。

（2）信息管理。信息管理部分主要包括水质信息的发布和查询。

3.2 数据采集管理与监测模块设计

（1）数据采集管理模块是对水质监测点有效水质数据的汇总和传输[5]。建立数据库，对水质数据进行汇总、存储。

（2）水质监测模块严格按照我国《饮用水标准》（GB5749-2006）和《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）对各种水质指标进行监测。

3.3 水质分析预测模块设计

水质分析预测模块是在水质监测的基础上的一个更高要求的水质数据应用，需要对目前已知的水质数据进行有目的、有条理的统计、计算以及分析。首先需要接收从数据采集与监测系统采集并筛选汇总后得到的水质数据，运用一定的水质评价方法或者使用目前已经构建好并已得到较好评价和广泛应用的水质分析模型，得出水质变化的规律或非线性关系；其次，利用分析到的规律或者非线性关系，得到未来一段时间内水质变化的情况，为后期的预警预报提供参考数据。

3.4 水质预警模块设计

水质预警是以水质预测为基础的。开启预警功能后，预警系统首先依据水环境质量标准为预警系统设置会发出预警信息的水质范围，将预测系统中预测到的未来水质情况与发出预警的上、下限进行比较，如果在此范围内则继续读取下一时刻的水质数据，继续进行比较；如果超过此范围，则系统自动记录可能发生水质污染情况的时间、地点以及污染严重情况，将异常数据进行记录，并发出预警提示，方便工作人员及时上报并作出相应应急措施。

3.5 数据库设计

本文涉及的数据库主要包含六大部分，分别为基础数据库、在线监测数据库、分析预测数据库、历史数据库、空间数据库、多媒体数据库。

（1）基础数据库中包括基础水文信息、社会经济信息、系统的业务管理、水质监测标准信息以及各项规章制度。

（2）在线监测数据库中包括监测点信息、监测点设备信息、水质监测数据以及降雨信息。

（3）分析预测数据库中包括水质分析模型信息、水质分析规律或非线性关系、水质预测模型信息以及水质预测信息。

（4）历史数据库中包括以往产生水质污染的事件的数据信息以及应对措施。

（5）空间数据库中包括水库所在地周围的地质情况、其他水利工程情况。

（6）多媒体数据库中包括图形、图片数据库和音频、视频数据库。

4 结语

本文主要设计了水库水质监测预警系统，对系统设计中水质监测、预警预测的相应技术做了了解与分析，运用了管理信息系统设计、数据库设计等技术手段，设计了系统总体架构及其数据采集与水质监测、水质分析预测、水质预警等子系统。随着水环境保护重要性的日益增长，及时准确的水质监测预警技术将成为保护水环境的重要手段。在实际应用过程中，水库水质监测预警系统会不断向更快速、更专业、更低成本的方向发展，同时也希望水质监测预警系统能够增加更多功能、适配不同的水域环境。