农村水环境在线监测系统运用探讨

近年来，农村地区的环境污染问题愈发严峻，尤其水污染问题更为严重。在互联网、云计算等信息技术的支持下，水环境在线监测系统应运而生，可以更好地开展污染防治和水体管理工作。目前，受到技术、资金、人才等多方面因素的限制，农村水环境在线监测系统的应用尚不成熟，对此，本文结合实践进行探讨，以供同业人员参考。

一、农村水环境污染现状

1.生活污水造成的污染。调查发现，当前不少农村地区都缺少生活污水处理设施，污水不经处理直接排放，一方面会对河湖水系造成污染，导致蓝藻爆发，形成黑臭水体；另一方面污水中的有害化学物质会积累沉淀下来，对地下水造成污染，甚至导致饮用水中的氮、磷、细菌等含量超标。

2.农业生产造成的污染。农业生产以种植业、养殖业为主，由于农药、化肥使用不合理，其中的化学成分会随着雨水渗入地下，污染地下水；养殖过程中，牲畜家禽的粪便未经处理直接排放到环境中，不仅会使水体和土壤遭到污染，还会滋生细菌、诱发疾病，降低环境质量。

3.工业生产造成的污染。当前，农村地区的经济也在快速发展，一大批乡镇企业建成运行，其中就包括化学工业企业。企业在生产过程中，工业废水由于未处理或处理不到位，流入农田、河流中就会导致矿物质含量超标，对水环境造成污染。

二、农村水环境监测工作存在的问题

水环境监测是通过生物、物理、化学等技术手段，对水体污染物及成分进行分析，掌握水环境质量的变化规律，为治理工作提供基础数据。在农村水环境监测方面，在线监测工作刚刚起步，存在技术应用不到位、监测体系不完善、配套政策落后、专业人员缺失等问题。

1.技术应用不到位。与城市相比，农村地区地域广阔，但是村民的居住区域却不够集中，基础设施建设不够完善，为水环境监测工作的开展带来了困难和挑战。比如，现有的监测方法自动化水平低，很大程度上仍然依赖人工作业，不但效率低下、人力成本高，而且难以保证监测结果的精准度，进而影响到后续污染治理的决策和环境管理工作。

2.监测体系不完善。我国水环境在线监测技术的应用和发展，与发达国家相比仍然存在一定差距，这种差距也体现在城市和农村之间。而且水环境监测体系不够完善，尤其是监测标准不统一，评价指标过于简单，在监测工作中没有发挥出应有的功能和作用。

3.宣传工作滞后。水环境在线监测的实施，除了技术外，还需要普及相关知识，对政策、法规和管理方案等进行宣传。然而现实情况是，当地政府部门把时间和精力都放在了生产上，只注重经济效益却忽视了环境效益，因此配套政策法规滞后，宣传教育工作流于形式，水环境保护观念无法深入人心。

4.专业人员缺失。无论技术多么先进、制度多么完善，水环境监测工作最终还是要由专业人员完成，包括方案制订、现场实施、数据处理、效果评价等。然而当前的在线监测技术尚不成熟，加之农村环境条件差于城市，导致缺乏专业人才。

三、农村水环境在线

监测系统设计及功能应用

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）属于互联网的一个分支，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具有覆盖广、连接多、功耗低、成本小的优势，很适合应用在水环境在线监测系统中。

1.监测指标。根据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）、《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T 91-2002）等文件，遵循代表性、连续性、可操作性等原则设置监测点位，根据不同用水类型选择相应的监测指标，见表1。

2.总体方案。以居民饮用水为例，基于NB-IoT模块的水环境在线监测系统，由水质自动测控子系统、区域水环境传感终端子系统、远程测控云平台网站子系统构成。其中，水质自动测控子系统可自动调节自来水厂的出水水质，实现对自来水的智能化管理。区域水环境传感终端子系统设置在管网终端，形成水质监测网络，及时发现并定位水质不合格区域，以保障饮水安全。远程测控云平台网站子系统一方面可以接收各类监测数据并绘制图表，另一方面可以远程下达操作指令。

该系统在设计时，核心是数据的无线传输，这是三个子系统实现互联共通的关键。由于农村自来水厂的规模较小，且厂内的基础设施不完善，尤其是网络信号较差，因此需采用NB-IoT模块保证数据的传输质量。该模块与远程服务器交互时，对不同的无线传输方式进行对比，结果表明基于TCP协议的无线传输方式可将监测数据传送至远程服务器，不需要经第三方平台转发，不但提高了数据的安全性，规避了数据丢失的风险，而且具有拥塞控制、超时重发等功能，可提高传输过程的可靠性。

3.子系统设计。（1）水质自动测控子系统。通过测量仪器得到清水池液位高度、出水口浊度、二氧化氯浓度后，经通信接口将数据传输至控制单元，经过控制单元处理后进一步传输至远程服务器中存储，计算计量泵的控制信号，调整工作频率。系统设计中，农村自来水厂的规模较小，水源水质较为稳定、用水量的波动小，在控制二氧化氯浓度的基础上采用串级-前馈结构，浊度控制上采用闭环-前馈结构，具有较强的抗干扰能力，可满足实际运行监测需求。

（2）区域水环境传感终端子系统。传感器可采集数字信号和模拟信号，经相应的通道将数据传输至控制器，再通过无线传输将数据存储在远程服务器中。系统设计中，电能供应采用锂电池，具有即插即用的优势，可减少线路布设；各节点和传感器一对一连接，每个节点站门监测一项指标；在低功耗运行模式下，系统可长时间运行，以降低电池更换频率。系统运行时，对大范围水域环境进行监测，此时传感器终端的节点子系统群组投放，分别构建pH、浊度、温度监测节点群，进而得到准确的参数。

（3）远程测控云平台网站子系统。它的主要功能是接收监测数据、实时展示数据、下发远程操作指令。数据传输过程中，为保证无线传输的可靠性，采用TCP协议实现NB-IoT模块与云平台的连接。将数据传输至云平台网站，后台根据协议解析数据，并且存储至数据库中。系统设计中，将总体框架分为4层：第一层，接入层接收数据，采用负载均衡技术确保系统在高并发状况下仍能稳定运行；第二层，逻辑层用来搭建Web处理接口，对底层系统传输的数据包进行处理；第三层，持久层是利用MyBatis框架定制SQL，完成存储过程和高级映射；第四层，数据层用来存储数据，构建数据库，防止数据丢失，保护数据信息安全。

4.功能应用。（1）数据采集。数据采集主要由水质自动测控子系统完成，为了保证数据的精确度，与地理信息系统、数据库等进行集成。如此一来，该系统在采集数据的同时，还能获取位置信息，从时间、空间等维度对采集到的数据进行对比分析，从而判断水环境是否发生污染。如果污染程度不断提高，系统就会自动发出警报，提醒相关人员进行管理。

（2）状态监测与查询。所谓状态监测，就是利用该系统对水环境的整体和局部情况进行检测，可将数据结果转化为图像，判断水环境的污染情况。操作时可以划分不同的污染程度，设置对应的污染指标，赋予不同的颜色，方便相关人员对监测结果进行判断。在此基础上，再设置检索查询功能，通过搜索某一水域或某个污染指标，即可得到关联信息，极大提高查询效率。

（3）事故预警。该系统还拥有事故预警功能，一旦某个水域污染指数超过阈值，系统就会自动发出警报，将预警信息传输至控制中心。根据预警信息，相关部门可以迅速明确水污染范围，初步判断违规排放的污染物及企业，提高污染治理的针对性和有效性。

四、农村水环境在线监测系统的管理对策

1.提高技术应用水平。水环境在线监测系统是新技术，要提高技术应用水平，保障在线监测系统稳定运行，合理配置监测设备，提高监测结果的准确性。

2.完善监测管理体系。一方面，政府有关部门要明确自身职责，对水环境监测工作进行统一管理，制定统一的监测标准。另一方面，要对设备和仪器进行定期检查和保养，对软件和硬件进行升级，以提高监测数据的精确性，避免出现较大的误差。

3.加大宣传教育力度。水是生命之源，水环境监测人人有责，要提高居民的环保意识，就必须加强宣传教育工作。为此，可以将新旧媒介相结合，充分利用宣传栏、横幅标语、广播电视、互联网平台等途径，系统地介绍水环境污染的相关知识，阐述在线监测系统的运行机制，介绍污染防治的政策法规，让水环境保护理念深入人心，发挥出群众的监督作用。

4.注重培养人才队伍。专业人才是水环境在线监测工作顺利实施的落脚点，也是影响监测质量的一大因素。对于人才队伍的培养，要走引育结合的道路。第一，引进具有扎实理论基础、熟练操作技能、良好道德素养的高素质人才，并优化薪酬制度、绩效考核制度、奖惩激励机制，通过有效手段留住人才；第二，根据水环境现状和在线监测工作的要求，对工作人员开展多样化的培训学习活动，不断提高人员队伍的综合素质；第三，从产学研一体化发展的角度出发，与高校、科研院校、企业等进行合作，实现订单式人才培养，为在线监测工作的开展提供人力保障。

作者简介：李志英（1982-），女，汉族，甘肃靖远人，工程师，硕士研究生，研究方向为生态环境监测。