梧州-肇慶試驗(yàn)區(qū)地下水在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田斌 楊澤遠(yuǎn) 王威 劉暢

摘 要：針對(duì)珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶，梧州-肇慶流域的水域地質(zhì)環(huán)境及地下水監(jiān)測(cè)野外工作現(xiàn)狀，研制一套環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的地下水動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)傳感器裝置、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸裝置及終端平臺(tái)組成。地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的供電部分采用太陽(yáng)能發(fā)電方式，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)取電困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化供電。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用GPRS傳輸方式，將采集到的數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)。野外試驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采集及遠(yuǎn)程傳輸，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)傳輸;傳感器;自動(dòng)化采集;地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

DOI：10. 11907/rjdk. 182481 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）007-0112-03

The Groundwater On-line Remote Monitoring System of

Wuzhou-Zhaoqing Test Area

TIAN Bin1，2，YANG Ze-yuan1，WANG Wei2，LIU Chang2

（1. Hubei Video Image and High Definition Projection Engineering Technology Research Center， Wuhan Institute of Technology;

2. National Engineering Research Center of Phosphate Resources Development and Utilization，Wuhan 430077， China）

Abstract： Aiming at the situation of water geological environment and groundwater monitoring field work in the Zhujiang - Xijiang economic belt， Wuzhou-Zhaoqing river basin， a dynamic on-line groundwater monitoring system with strong environmental adaptability is developed. The system is mainly composed of monitoring sensor device， remote data transmission device and terminal platform， the power supply part of the groundwater monitoring system uses solar power to solve the problem of difficulty in obtaining electricity in remote areas and realizing automation and intelligent power supply. GPRS is used to transmit the collected data back to the monitoring platform， and the field tests show that the？system？runs？well， automatic acquisition and remote transmission of the system are realized， and work efficiency is improved.

Key Words： data transmission; sensor; automatic acquisition; groundwater monitoring system

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016CFC758）;武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2017059）

作者簡(jiǎn)介：田斌（1975-），男，博士，武漢工程大學(xué)湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心、國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心副教授，研究方向?yàn)榈叵滤Y源計(jì)算與評(píng)價(jià)。

0 引言

地下水因水質(zhì)良好、水量穩(wěn)定、開(kāi)采便利，是城市用水、農(nóng)業(yè)灌溉、工礦用水的優(yōu)質(zhì)供水水源[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)水資源的需求不斷增長(zhǎng)。由于長(zhǎng)期的過(guò)度開(kāi)采，處理失當(dāng)，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降，水質(zhì)惡化，地下水資源受到破壞[2-3]。

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)與研究得到重視，在線地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因其方便應(yīng)用、節(jié)省資源、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集上傳等優(yōu)點(diǎn)，在地下水環(huán)保工作中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[4-5]。

美國(guó)和荷蘭是地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家，美國(guó)的地下水監(jiān)測(cè)由內(nèi)政部直屬的地質(zhì)調(diào)查局負(fù)責(zé)，大約建有16 000個(gè)地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)[6]，約330km2有一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[7-9]。荷蘭對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)管理則由各省負(fù)責(zé)，而信息管理則由TNO應(yīng)用地學(xué)研究所負(fù)責(zé)[10]，荷蘭在很早之前就建立了全國(guó)的地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

目前我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，部分地區(qū)的監(jiān)測(cè)還需要人工定期采樣[11-12]。隨著綠色可持續(xù)發(fā)展理念的普及，國(guó)家對(duì)自動(dòng)化信息化的地下水監(jiān)測(cè)也越來(lái)越重視。2017-2018年一年間，我國(guó)完成新建自動(dòng)化地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)7 313個(gè)，老舊站點(diǎn)改造2 602個(gè)[13-15]。經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)工程取得重大進(jìn)展，90%以上的地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)完成[16-17]?；诰W(wǎng)絡(luò)的信息儲(chǔ)存、發(fā)布、共享系統(tǒng)目前處于起步探索階段，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、易于維護(hù)、安裝簡(jiǎn)便。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)留有可隨意擴(kuò)充的字段，擴(kuò)展性強(qiáng)，針對(duì)不同監(jiān)測(cè)需求能及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)充，升級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加方便。

1 系統(tǒng)概述

地下水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水溫、水位、PH值、溶解氧等水文相關(guān)數(shù)值，并實(shí)時(shí)傳遞給服務(wù)器，讓監(jiān)測(cè)人員在任何地方都能了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)最新數(shù)據(jù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)不僅能夠了解區(qū)域內(nèi)環(huán)境狀況，還能對(duì)區(qū)域未來(lái)環(huán)境狀況作出預(yù)測(cè)，對(duì)未來(lái)的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)、農(nóng)業(yè)灌溉或環(huán)境保護(hù)作出合理規(guī)劃[17-19]。

地下水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則如下：

（1）穩(wěn)定性。由于地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是全天候工作，而且大多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，存在環(huán)境惡劣、維護(hù)及供電困難等問(wèn)題，所以地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求具有良好的穩(wěn)定性，能夠應(yīng)對(duì)連續(xù)惡劣天氣。

（2）實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)要能實(shí)時(shí)采集傳輸處理可靠數(shù)據(jù)，使管理者及時(shí)了解地下水狀況，對(duì)各種突發(fā)狀況采取有效措施，便于管理者決策。

（3）可擴(kuò)展性。地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展很快，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要不斷更新，同時(shí)，不同地區(qū)所需監(jiān)測(cè)量不同，同一地區(qū)隨著環(huán)境變化所需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)也會(huì)改變，所以，不論是硬件還是軟件，系統(tǒng)都需要一定的可擴(kuò)展性，以方便根據(jù)監(jiān)測(cè)需求增加相應(yīng)功能。

（4）操作簡(jiǎn)便性。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要從用戶角度設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便的操作系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地下水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由前端監(jiān)測(cè)主機(jī)、監(jiān)測(cè)平臺(tái)等部分組成。前端主機(jī)根據(jù)需要采集水文資料，通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器保存，不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPRS所使用的SIM卡不同，在監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)置好編號(hào)后用來(lái)區(qū)分各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，服務(wù)器接收發(fā)回的數(shù)據(jù)后儲(chǔ)存在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)調(diào)用服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備主機(jī)

系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電的上位機(jī)，集成傳感器采集模塊和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸。因?yàn)楸O(jiān)測(cè)點(diǎn)大都地處偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)，所以使用太陽(yáng)能電池板與可充電電池配合。太陽(yáng)能供電方式受季節(jié)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理位置影響很大，經(jīng)過(guò)測(cè)試最終選用100W、12V的單晶硅太陽(yáng)能電池板和36AH的蓄電池進(jìn)行觀測(cè)站點(diǎn)循環(huán)供電，保證監(jiān)測(cè)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)梧州-肇慶試驗(yàn)區(qū)地下水監(jiān)測(cè)需求，對(duì)地下水水位、水溫、PH值、溶氧度以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)雨量等5個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用水位傳感器、PH值傳感器、溶解氧傳感器（集成水溫傳感器）、雨量筒5個(gè)傳感器分別對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。

2.2 在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)

系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）架構(gòu)，也就是瀏覽器/服務(wù)器模式，用戶不需要安裝專(zhuān)門(mén)的客戶端，只需在服務(wù)器上安裝postgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)即可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，大大減輕了機(jī)器負(fù)擔(dān)，技術(shù)維護(hù)人員也可把精力放在服務(wù)器程序的維護(hù)更新上。

在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)集監(jiān)測(cè)、報(bào)警于一體，支持局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)界面完成相關(guān)功能操作，可以在線查詢(xún)、插入和修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用GIS圖集和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)格式相結(jié)合的展現(xiàn)方式，將各個(gè)設(shè)備的分布點(diǎn)顯示在地圖上，每個(gè)點(diǎn)都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，點(diǎn)擊分布點(diǎn)就可顯示該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，方便用戶查看、操作。

2.2.1 在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)站功能

監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的功能設(shè)計(jì)是軟件開(kāi)發(fā)非常重要的一步，結(jié)合用戶使用習(xí)慣設(shè)計(jì)出合理的網(wǎng)站功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水功能管理模塊

地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能分支較多，若全部關(guān)聯(lián)在一起則較為復(fù)雜，所以將眾多功能分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，既便于系統(tǒng)維護(hù)，又使界面簡(jiǎn)單明了，方便用戶使用。系統(tǒng)分為水質(zhì)監(jiān)測(cè)管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)、后臺(tái)管理等功能，其下又分為詳細(xì)的基礎(chǔ)功能。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)管理由自動(dòng)工作站、監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警、地下水監(jiān)測(cè)等基礎(chǔ)功能組成。自動(dòng)工作站實(shí)時(shí)記錄所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總雨量、實(shí)時(shí)雨量、PH值、水位、溶解氧、水溫等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照測(cè)量時(shí)間倒序排列，用戶可選擇時(shí)間段查詢(xún)所需數(shù)據(jù)信息，選擇詳細(xì)信息后對(duì)所選信息進(jìn)行修改和刪除，可以Excel格式將所選信息下載到本地。監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警模塊提前在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置警報(bào)閾值，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行故障或所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，在閾值范圍外時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警記錄異常數(shù)據(jù)，并發(fā)出警報(bào)以便采取相應(yīng)的解決方案。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)主要是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，顯示從系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)至當(dāng)前時(shí)間的全部數(shù)據(jù)報(bào)表，可通過(guò)選擇時(shí)間、數(shù)據(jù)類(lèi)型、測(cè)量值范圍對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確查詢(xún)，可將這些數(shù)據(jù)以Excel格式導(dǎo)出。圖形報(bào)表則是將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以圖形的形式展現(xiàn)出來(lái)，使用者能更加直觀地了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)情況和變化趨勢(shì)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)可對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息、廠商信息、報(bào)表信息、設(shè)備字段名、報(bào)警等級(jí)數(shù)據(jù)等進(jìn)行增加、修改、刪除操作。

后臺(tái)管理模塊對(duì)用戶信息及用戶權(quán)限進(jìn)行管理，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，主頁(yè)還能設(shè)置新聞信息。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定以及后期維護(hù)是否方便，所以要根據(jù)用戶要求建立合理的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)還要考慮后期的擴(kuò)展維護(hù)問(wèn)題。根據(jù)采集數(shù)據(jù)類(lèi)型、采集設(shè)備和采集時(shí)間記錄歷史數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 歷史數(shù)據(jù)

為使用戶及時(shí)了解監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常，建立字段報(bào)警表格如表2所示。

表2 字段報(bào)警

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在珠江-西江流域?qū)嶒?yàn)地區(qū)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試和多次反復(fù)調(diào)試，積累了大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，解決了監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備供電不足、通訊中斷、功耗過(guò)高等問(wèn)題，完善了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程傳輸。該系統(tǒng)在連續(xù)多日無(wú)陽(yáng)光照射及陰雨天氣狀態(tài)下運(yùn)行正常，特別是經(jīng)受了封開(kāi)二月份月平均日照時(shí)間僅有67.9小時(shí)的考驗(yàn)，達(dá)到在任何地方都可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)地下水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性。

由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水水質(zhì)的巨大影響，水質(zhì)變化對(duì)PH傳感器等設(shè)備有一定影響，所以要針對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)狀況調(diào)整PH傳感器養(yǎng)護(hù)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李禎. 水文工程地質(zhì)勘察問(wèn)題及其措施的探析[J]. 世界有色金屬，2018（6）：163-169.

[2] 齊鵬. 國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)管理及站網(wǎng)現(xiàn)狀分析[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2017（35）：132-133.

[3] 林錦，李偉，韓江波. 全國(guó)地下水開(kāi)發(fā)利用動(dòng)態(tài)評(píng)估研究工作總體構(gòu)想[J]. 中國(guó)水利， 2018（13）：59-64.

[4] 嚴(yán)宇紅，周政輝. 國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程站網(wǎng)布設(shè)成果綜述[J]. 水文，2017，37（5）：74-78.

[5] 張磊，張建偉，馮建華，等. 高寒地帶地下水動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)， 2018， 35（1）：147-150.

[6] 梁遠(yuǎn). 基于MVC的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].淮南： 安徽理工大學(xué)， 2017.

[7] 趙小強(qiáng)， 馮勛. 基于ZigBee的水質(zhì)pH值在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 19（6）：71-75.

[8] 張江江. 地下水污染源解析的貝葉斯監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與參數(shù)反演方法[D].杭州： 浙江大學(xué)，2017.

[9] 林茂，蘇婧，孫源媛，等. 基于脆弱性的地下水污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化方法[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2018，31（1）：191-194.

[10] XIAO Y， SHAO J， CUI Y， et al. Groundwater circulation and hydrogeochemical evolution in nomhon of qaidam basin， northwest china[J]. Journal of Earth System Science，2017，126（2）：26-27.

[11] SIKDAR P K，CHAKRABORTY S. Numerical modelling of groundwater flow to understand the impacts of pumping on arsenic migration in the aquifer of north Bengal plain[J]. Journal of Earth System Science， 2017， 126（2）：29-33.

[12] 何小松，張慧，黃彩紅，等. 地下水中溶解性有機(jī)物的垂直分布特征及成因[J]. 環(huán)境科學(xué)，2016，37（10）：3813-3820.

[13] 劉金波，孫威，劉豐敏，等. 地下水對(duì)地基基礎(chǔ)工程的危害及事故預(yù)防[J]. 施工技術(shù)，2017，46（3）：122-127.

[14] 張春鵬. 井水流量動(dòng)態(tài)的分析研究[D]. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2018.

[15] 李華，文章，謝先軍，等. 貴陽(yáng)市三橋地區(qū)巖溶地下水水化學(xué)特征及其演化規(guī)律[J]. 地球科學(xué)，2017，42（5）：804-812.

[16] 胡玉祿. 山東省三級(jí)地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)思考[J]. 山東國(guó)土資源，2016，32（12）：62-64.

[17] 范宏喜. 開(kāi)啟地下水監(jiān)測(cè)新紀(jì)元——聚焦國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)[J]. 水文地質(zhì)工程，2015（2）：161-162.

[18] 鐘華平，畢守海，齊兵強(qiáng). 嚴(yán)格地下水資源管理的總體架構(gòu)探討[J]. 中國(guó)水利，2014（3）：36-38.

[19] 徐月明. 水文地質(zhì)勘察中地下水的問(wèn)題及對(duì)策[J]. 城市建設(shè)理論研究：電子版，2015（18）：89-92.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）