饮用水水源地动态监测预警系统及其监测预警方法

技术领域

本发明涉及一种水资源监测系统及方法，尤其涉及一种饮用水水源地动态监测预警系统及其监测预警方法。

背景技术

目前，关于水质监测提供的水环境监测数据是有效实施保护措施以及控制水源地水污染的决策依据。因此，实现对水源地水体大范围快速、有效的监测对保障国民用水安全、切实实施地表水、地下水管理制度以及推进水生态文明建设具有重要意义。伴随着水资源管理制度的相继出台，严格水资源管理已成为加快转变经济发展方式的战略举措。为了真实反映出水质具备的时空连续性和动态分布的特征，有必要对分散式污染和各类突发性污染的事件进行实时监控。在此背景下，改进水环境监测手段、采取更加有效的数据集成管理方法显得尤为重要。

长期以来，国内外专家学者对水源地地表水、地下水和管网系统的水质污染监测进行了诸多研究。20世纪50年代，先在现场取样后送至实验室对水样进行分析，通过离线检测方法进行人工统计得到监测数据，但是检测周期长、数据反馈慢、人为因素影响大。在70年代计算机网络技术逐渐普及后，采取在水源设置检测点、铺设线缆传输数据的方法获得数据。后来在面向全球的信息技术产业变革和调整阶段，基于无线网络通信的水质监测系统逐步成熟，采取在目标水域部署节点、采集水质数据回传并进一步处理，通过远程水质监测系统，在终端节点组网监测水质指标，实现数据直达服务器。但是受无线传感器网络的规模及成本限制，监测节点仅设置数量少、监测范围小，且对水源的覆盖能力有限。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的在于提供一种环境友好、成本低廉、监测效率高的饮用水水源地动态监测预警系统；本发明的第二目的在于提供这种系统的监测预警方法

技术方案：本发明的饮用水水源地动态监测预警系统，包括搭载遥感设备的无人机、无线传输模块和数据分析系统；所述无线传输模块用于将遥感设备采集的影像数据传输至数据分析系统。

进一步地，所述数据分析系统是基于FVCOM模型建立的，所述FVCOM模型是在边界水位驱动、风场驱动、初始场温度和盐度的三要素之上构建水源地的三维水动力模型。

进一步地，所述遥感设备包括数码相机和多光谱成像载荷。

进一步地，所述无线传输模块为GPRS无线网络信号传输模块。

一种饮用水水源地动态监测预警系统的监测预警方法，包括以下步骤：

(1)建立水源地水体水质指标与可见光波段、近红外波段的相关性模型，利用PLS、SVM和BP-ANN模型逆向解析氮素、藻类、悬浮物、磷、有机物的浓度；

(2)建立水质光学成像图像与水质参数耦合模型，利用多光谱传感器配套的软件将相关的水质成像影像导出，通过BP神经网络算法构建内陆水体水质参数多光谱联合模型CM-BP。

(3)利用实测数据及多光谱数据构建水质参数反演模型评价建立内陆水体水质参数多光谱联合模型的精度。

(4)通过无人机的遥感设备采集不同站点水体表面影像数据，并将数据通过无线传输模块传输至数据分析系统，同时结合三维激光扫描技术、多普勒雷达降雨定量探测技术、分布式物理水文模型等技术和手段和气象及水文技术优势，建立预警平台。

(5)当某项污染物浓度超标，预警平台开始预警，停止从水源地抽水，并利用预警APP通知和短信的形式发送给城区居民和应急专家。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)本发明通过一系列水质传感器，将在运水过程中的水源地地表水和地下水、供水管网联系起来，全方位地监测饮用水的污染程度。

(2)本发明克服了市面上常规的水质监测分析探头测定参数有限，直接监测污染物费力且成本高，不利于大规模布点的缺点。

(3)本发明所采用的设备都基于低影响开发技术的原则，对环境的影响作用降到了最低。

具体实施方式

下面本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的饮用水水源地动态监测预警系统，包括搭载遥感设备的无人机、无线传输模块和数据分析系统。首先，利用搭载数码相机、多光谱成像载荷等数字遥感设备载于无人驾驶飞行器，通过遥感技术对影像数据进行数字化处理以提取所需要的监测信息后利用GPRS无线遥感传输系统输送到数据库和数据分析系统。

数据库和数据分析是风险预警的核心环节，其中利用的核心成熟模型是FVCOM模型，该模型可以实时监测水体中的COD、TN、TP、NH

应急专家根据警报信息，开始制定水源地应急处理技术，应急处理的步骤如下：1、对事故发生现场进行调査分析，判断污染物类型，制定应急措施方案。2、对污染物扩散进行模拟检测，根据监测数据，预测迁移强度，速度，影响范围，及时调整对策。3、根据污染物的类型、特点，提出处理措施方法与技术。4、应急基本行动即将终止前，对现场进行洗消和净化。5、确认终止时机，应急状态终止，根据有关指示和实际情况，继续环境监测，直至应急过程后其它补救措施无需继续进行为止。

本发明围绕超大城市水源地设计饮用水水源地动态风险评估和应急管理系统，拟构建的污染物动态监测方案、风险预警系统和应急管理平台。以实现安全生产综合监管、敏感饮用水源远程监测预警、应急救援指挥信息支持的三层预防体系。构建了水源地地表水的多光谱成像耦合原位水质动态监测、建设水源地水质风险预警平台和应急管理平台，从而形成超大城市水源地、地下水和供水系统“水质监测-分析(专家决策)-风险预警-应急措施”的成套关键技术。

(1)水源地污染物动态监测方案

首先，对水源地地下水附近的潜在污染污染源进行调研，筛选出这些污染源中典型、易监测、具有代表性的污染物(氮源、有机物、磷)。

其次，利用比近红外技术光谱技术优异的高光谱成像技术采集样本整体的光谱和图像，并利用平均光谱反应样本。

最后，利用GA算法对污染物原始污染物的原始光谱以及预处理之后的光谱进行光谱特征变量后，分别建立与PLS、SVM和BP-ANN模型匹配的污染物特征变量耦合模型，逆向计算污染物浓度。同时，多光谱传感器将图片影像导出，存储并远程传输各项水质数据，通过BP神经网络算法构建内陆水体水质参数多光谱联合模型(CM-BP)，且要利用实测数据及多光谱数据构建水质参数反演模型评价建立内陆水体水质参数多光谱联合模型的精度。

(2)水源地水质风险预警平台构建：

建立基于FVCOM的水源地污染物和藻类的迁移模型。收集完整系统的水文、水质等方面资料，以ASCII或NETCDF的格式储存。在构建水动力模型时，必须要在边界水位驱动，风场驱动，初始场温度盐度的考量之上构建水源地的三维水动力模型，通过对比模拟的潮流和实测潮位潮流等数据的优化模型，判断水动力模型的准确性。

(3)应急平台的构建：

要建立精细化预报的新一代水库降雨，需要结合三维激光扫描技术、多普勒雷达降雨定量探测技术、分布式物理水文模型等技术和手段和气象及水文技术优势，建立起精细化预报的新一代水库降雨。以手机为平台，采用图形、图像、动画、影像等多媒体技术，为水源地管理提供及时的预报信息。