河流实时监测网络

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1、河流实时监测网络,河流实时监测网络,水是生命之源，作为淡水水源主要组成之一的河流对人类的重要性不言而喻。 然而人们却一直无法透过河流或是平静或是波澜的水面看到河流内部的持续的、微小的各种变化，不能了解河流变化原因、过程、规律和影响。 我们需要找到一个新的方法来解决以上的问题。,内容提要,河流实时监测网络,1. 背景,1. 1河流生态系统监测的重要性 多种水生生物栖息地 流域为人口密集区域，受自然和人类活动影响大 生态系统复杂而且敏感：生态的变化发生时间短，影响时间长。无法被人们观察和认识。 深入的认识和了解河流生态系统的变化状态和规律，预测和管理河流的水质和水量，有助于人们更好采取措施规范自身

2、行为，减少对河流生态系统的危害，从而进一步保护河流的生态系统。,1. 背景,1.2 河流项目监测现状 沿着河流域布置不同的水质监测站数量少，采样分析，时间周期长。 研究对象限于重点关注的某些河流，不能大规模地对河流体系进行监测。因而对流域系统缺乏综合的了解。 传统的监测是点测，监测对象只是河流时间和空间上某一点的数据，不能多维度、连续、动态地全面反映河流水质、水量随时空的变化。 传统监测不能在每个监测时间点都反映出监测对象从微观尺度到宏观尺度的变化。,1. 背景,1.3 河流实时监测网络就是针对以上问题提出一套解决方案的体系。旨在通过广泛、连续、多时空尺度地监测河流系统，深入、全面地了解河流系

3、统的状态参数、发生的变化，以及通过建立关键环境问题的模型，预测可能产生的影响，为其他科研、教育和决策者提供有效可靠的数据支持，从而正确指导人们的行为。,2. 总体结构,河流实时监测网络体系技术结构示意图,智能分析决策,云计算、数据流计算等技术支持标 准化数据提供,无线网络数据传输,2. 总体结构,卫星遥感数据,气象监测数据,其他机构监测数据数据,反馈信息、完善优化,河流实时监测网络体系功能结构示意图,地理信息数据,3. 子系统介绍,3.1 感应系统,感应系统主要包括各种参数的传感器、检测仪器、激发器以及数据发送模块。 感应系统的主要功能为感应监测对象的代表性参数。 感应系统的要求包括准确感知、

4、时间和空间上连续感知以及实时感知。 感应数据类型 传感器直接感应的数据 物理参数、化学参数、生物参数、生态指标等 其他来源数据 卫星遥感数据、地理信息数据、气象监测数据、水利监测数据,3. 1 感应系统,3.1.1 传感器,传感器分类,3.1.1.1 物理参数传感器,测量参数 体积流量、流速、水头、温度、水分蒸发速率、光透射率、光质、土壤水势以及土壤含水量等。 特点 可靠性高、成熟应用于野外实地监测、价格便宜。,河流监测物理传感器示意图 A:回声湿度传感器 B:HOBO水位数据记录仪C: 声学多普勒测速仪D: 物理采样设备 E:HOBO温度和光照数据记录仪。,3.1.1.2 化学参数传感器,测

5、量参数：DO、指示盐度的电导率、TDS、PH、氧化还原电位、指示叶绿素的荧光以及浮游生物质量。 特点：目前只能测量基本的水质参数，能够用于较为苛刻的环境，但离子选择电极等传感器在野外的应用非常受限。,河流监测化学传感器示意图 A:多功能水下数据探测仪 B:原位紫外分光度计 C: 离子选择电极,3.1.1.3 生物参数传感器,测量参数：致病菌、原生动物、病毒、爆发性蓝细菌、藻类、微生物产生的毒素、内分泌干扰物等。 特点：受到时间和预处理程序的限制，生物指标的测量主要局限于实验室，不易移植到野外自动监测。,不同类型传感器比较,传感器感应原理及输出参数,传感器的种类和输出,3.1.1.4 多功能集成

6、传感器,3.1.1.5 商业化的传感器产品,主要仪器公司 美国哈希（HACH）、美国金泉（YSI）、 Hydroid、 WET Labs。,3.1.1.6 传感器的发展要求,更多监测指标 含碳化合物、重金属、大分子物质（如可溶性有机物、致病菌、生物标记物、生物活性物质等） 更高的准确度 更高的集成化 多个传感器集成到芯片上“lab-on-a-chip”传感器 野外应用商业化 最小化人工维护量、解决电能 供应、自动仪器校正以及生物 污损等问题。,3.1.2 激发器,激发器：将电信号转化为机械信号，用以驱动执行自动程序的设备，比如采集环境样本等。 传感器和激发器共同组成监测网络的感应端。,3.1.

7、3 传感器布置,理想的监测应该是遍布于监测对象的整个三维空间，以及保证采样时间的连续。 对于实际监测网络，由于受到资源和环境条件的限制，不能达到理想的监测状态。 因此需要考虑传感器的有效而合理的布置，而不是让其均匀分布于监测对象中。,3.1.3.1 传感器布置的考虑因素,所在地点的实际地理和环境条件 固定 供电 布线 防腐 防污 在有限资源的条件下优化布置方案，更高效地监测。,3.1.3.2 传感器基本布置方案,静态布置方案 适用于中等面积的区域、对测量精度要求不高的情形；空间密度较小，数据的时间密度较大。例如几平方公里的区域，每几十米设置一个静态监测点，数据采集频率为分钟级。 移动机器人式布

8、置方案 适用于小范围区域的集中监测，空间布点密度大，测量精度高。 便携式移动布置方案 适用于覆盖范围很广、对检测的精度要求不高的监测项目。,不同布置方案的空间和时间测量精度随空间覆盖范围的变化,3.1.3.3 传感器布置原则,与周围环境相适 将更多资源投入到变化大、变化快或是影响较大的地方。 监测对象的环境中某些空间区域或某些时间段变化更为显著；或者一些地方比其他地方更敏感、更易受到影响。 多尺度、多级布置 对于一个监测对象，根据其特征，进行不同时空尺度的、不同精确度级别的监测。 大的区域可以采用卫星遥感或便携式移动传感器，中等尺度区域布置静态传感器，重要的小面积区域进行移动机器人式布置。 自

9、适应性采样 允许系统动态调整采样地点或采样时间间隔，以适应监测对象本身的环境的变化。,3.1.3.4 传感器布置示例,多级传感器布置示意图,上图橙色区域代表的是不同的监测类型在满足一定精确度的条件下所覆盖的监测范围。从大到小依次为：卫星遥感、便携式可移动监测、静态监测和可移动机器人监测。,多尺度感器布置示意图,下图为多尺度的布置方案，不同检测类型和检测精度的传感器布置在不同的空间尺度上。移动式传感器可以弥补空间密度小的缺点，对于布置较少的静态传感器则具有更短的时间间隔。,3.1.4 数据发送,无线传感器与激发器网络（WSANs）是一个既可以感知又能控制周围环境的节点（nodes）网络。一个传感

10、结点通常由五部分组成：一个或多个结点从环境中收集数据，中心单元作为微处理器管理这些数据，一个无线收发设备（包括通讯模块）与周围环境通讯，还有一个存储器用来存储临时数据以及这过程中产生的数据。电池用来提供所用部件的能量，为了保证较长的网络寿命，各个网络对能源的高效使用很关键。,3.1.4 数据发送,传感器具有计算芯片和天线 传感器可以每隔一定时间向后台发送数据 无线数据传输网络是此监测网络区别于传统监测的一个主要特点。,3.2 数据管理系统,3.2.1 数据传输,数据传输要求 双向传输 传感器采集的数据传至后台数据存储库 来自后台的指令信号传输至激发器，激发传感器或其他设备工作。 时间延迟最小

11、保证数据质量 具有纠错机制：及时停止传输错误信号，启动传感器重新采样检测。 连续传输数据 安全和隐私数据传输方式 结合互联网和3G等，建立专业VPN,数据管理平台示意图,3.2.2 数据同性化,异质数据 来自不同厂商、不同类型的传感器输出不同的数字信号，为了方便管理和统一利用，需要消除数据的异质性使其同性化和标准化。联合的数据基础设施 IBM公司的中间软件iCS（互联网尺度的控制系统）能够通过封装的抽象化现有的事件，以用于新集成的网络的物理环境，从而消除数据异质性。,3.2.3 数据流计算,调度诸如过滤、集合、相关联和建模等分析功能，实时分析不断输入的数据流。 高负荷和动态输入的条件下良好运行

12、，并且系统能够持续自主调节资源的分配以支持最高优先级的行为。,3.2.4 数据存储管理,实时接收的数据通过流计算处理后，进行分类、相关联，存储于于数据仓库。,3.3 科学分析系统,分析方法 3.3.1 时间顺序分析 将收集的数据按照时间顺序分析，找出某些参数随时间变化的规律。 3.3.2 空间维度分析 对不同空间位置的某一参数进行分析，找出其随空间变化的规律。 分析用途 3.3.3 过程机理分析 通过全面、动态的观察数据，找出河流生态系统中生物、化学变化发生的原因、过程机理等。 3.3.4 影响预测分析 通过大量观测数据的支持，利用模型预测系统动态运动，物理、生物和化学变化的趋势、对生态系统的

13、影响。,3.3.1 时间顺序分析,单一指标随时间的变化趋势 右图反应了不同年份，某河流水温随时间的变化趋势。,3.3.1 时间顺序分析,不同随时间变化参数相互影响关系 考查不同物理、化学参数之间的相互影响关系，找出变化的根本原因。 例如水温的变化会导致溶解氧的变化，从而影响水生生物种群的变化。,3.3.2 空间维度分析,空间维度分析常用于分析污染物在三维空间扩散的情况 污染物浓度梯度分布、水流速场、盐度梯度场等，也包括鱼类等生物的迁徙。,河流入海口盐度浓度梯度图,3.3.3 过程机理分析,通过监测河流系统中化学、生物指标的变化规律，综合分析生化变化的发生过程、机理。 比如探究当河流中水温、溶解

14、氧、营养物质、的浓度比例到达某一阈值时，会发生怎样的生化变化，会引起某种浮游植物的大规模爆发等。 或者研究污染物排入河流后的迁 移过程和降解机理。 包括难降解的化合物如多氯联苯、 多环芳烃以及环境激素等。 其迁移路径、富集渠道、随颗粒物 沉淀于底泥的过程、降解的条件和 机理等。,3.3.4 影响预测分析,根据已有的常年的观测信息，进行统计分析找出规律或者建立模型标准基线，在此基础上进行每日预测。,哥伦比亚河口每日海水盐度预测,3.3.4 影响预测分析,影响预测必须基于长期、大量的观测数据和有效的统计规律或者模型进行。 饮用水水源突发性污染事故发生后预测饮用水污染范围，河流或湖泊生态系统所受的影

15、响。 有毒化学品泄露到河流中，预测下游河段的污染长度，河流流域土壤的污染程度等。 河流中重金属沉积的预测，研究重金属对河流底泥污染的影响。,3.4 智能化应用,3.4.1 教育宣传,高级人才培育 本项目为研究生提供了一个特殊的跨学科的训练机会，因为这个研究项目综合了河流生态学、环境微生物学、生物化学、流体学、计算机科学、信息科学。教育和训练项目，就是为了在这个迅速发展的领域中培育更多人才。 对于环境领域内的教育和更多。 不仅涉及传统的水污染控制、 环境微生物、环境化学等， 还涉及环境模型、环境法 规政策等教育研究内容。,3.4.1 教育宣传,公众宣传教育 将科学研究成果通过博客、演讲等形式，以

16、报纸、杂志、多媒体方式普及给公众。以使公众更多地了解到河流环境的质量、规范自身行为保护环境、节约水资源等。,3.4.2 科学研究,对于这样一个复杂而庞大的系统需要强大的科学研究作为理论基础。而这样的研究需要结合多个学科、多个科研院校的力量解决。 其研究领域既包括传感器的开发、集成，分布式传感网络的通信，及其大量数据的实时计算和标准化以及环境学科领域内的一系列问题的研究。,河流监测网络的建立对污染物减排、防止偷排以及污染物泄漏到河流中。 对河流排污口多项水质指标进行严格监测，以防止工厂违规排放污染物。 对位于河流流域的工厂的排污口进行实时监测，能够真实了解到其排放污染物量，监督其减排任务的完成情

17、况。 对于突发性污染事故，如化工 厂爆炸、有毒物质泄漏到河流 中，可以在实时监测数据的基 础上进行有效的应急处理，如 人员疏散，应急处置等。,3.4.3 工程应用,3.4.4 政策制定,河流实时监测网络的监测和研究结果的最终目的是形成环境保护政策，规范国民生产生活行为，以有效保护环境。 在大量监测数据上计算环境容量和环境承载力，用于政府对河流流域土地用途的合理规划。 在实时监测网络的基础上，对于工业、农业和生活污水实行严格的譬如排污收费等排污管理措施。 对河流上游水源地进行严格的水质监测和控制，保护饮用水源地。 以历史监测数据为基础，制定合理的节能减排目标。 形成各种法律、规定，以更好、更有效地保护河流及其流域环境。,