城市地下水質(zhì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文／杜瑞、楊麗茜 青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心 青海西寧 810001

1、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

（1）傳感器的選擇。傳感器在整個(gè)安全檢測(cè)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，其主要負(fù)責(zé)收集水文數(shù)據(jù)，這些水文數(shù)據(jù)是判斷城市地下水水質(zhì)及其安全性的首要依據(jù)。因此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)該城市所處地域以及實(shí)際檢測(cè)需要選擇傳感器。一般而言，城市地下水水質(zhì)安全檢測(cè)系統(tǒng)所需要應(yīng)用到的傳感器，包括氯離子選擇傳感器、電導(dǎo)率傳感器、溫度傳感器、濁度計(jì)等數(shù)種，不過，不同城市的檢測(cè)需求也有所不同，設(shè)計(jì)人員還是要給根據(jù)實(shí)際需要對(duì)傳感器進(jìn)行增減，以保證安全檢測(cè)成效。

（2）嵌入式平臺(tái)的選擇。嵌入式平臺(tái)可以對(duì)整個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，同時(shí)還與無線通信網(wǎng)絡(luò)相連接，對(duì)于城市地下水質(zhì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與管理具有極為重要的作用。而在選擇嵌入式平臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮到性能和功耗兩方面因素，其性能必須要足以滿足城市地下水質(zhì)安全檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行需要，而其功耗則要盡可能降低，以減少其運(yùn)行所需要的能源，延長(zhǎng)其運(yùn)行周期和使用壽命，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

（3）對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，而要設(shè)計(jì)出一套具備針對(duì)性與實(shí)效性的系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境加以研究，從而設(shè)計(jì)出最適合當(dāng)前應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)。

（4）系統(tǒng)可靠性需求。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最重要的就是要保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行成效直接決定著整座城市的用水安全，甚至關(guān)系到飲用水安全。一旦安全檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，且沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成嚴(yán)重的公共衛(wèi)生事件，因此在設(shè)計(jì)安全檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，必須把系統(tǒng)的安全性與可靠性作為最主要的指標(biāo)之一，在綜合考慮之下再選擇合適的設(shè)備與設(shè)施，并設(shè)置相應(yīng)的安全防護(hù)程序，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。

（5）經(jīng)濟(jì)成本需求。這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求之一，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)安全檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，必須考慮到系統(tǒng)搭建所需要投入到的經(jīng)濟(jì)成本，要在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，最大限度降低成本投入，選用最具性價(jià)比的設(shè)備，用最少的錢辦最多的事。

1.2 系統(tǒng)功能模塊劃分及設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的主要工作就是

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

太陽能、市電、電池供電多種模式；長(zhǎng)期、連續(xù)、定點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)，全自動(dòng)無人值守工作；適合于各種水文地質(zhì)類型含水層水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)；多通道數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，并有數(shù)據(jù)記錄、處理、報(bào)警功能；根據(jù)野外環(huán)境，具備相應(yīng)避雷保護(hù)、抗干擾功能，提高系統(tǒng)野外適應(yīng)性；野外環(huán)境長(zhǎng)期專用傳感器，高精度、高穩(wěn)定性；傳感器多層抗生物污染設(shè)計(jì)；環(huán)境安全防垢部件和防垢涂層；獨(dú)特的雙清洗刷裝置；標(biāo)準(zhǔn)化接口，模塊化設(shè)計(jì)，安裝簡(jiǎn)易、靈活，可根據(jù)需求擴(kuò)展監(jiān)測(cè)參數(shù)；采用光譜分析、電化學(xué)分析技術(shù)，對(duì)水體進(jìn)行免試劑原位監(jiān)測(cè)，不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

3、地下水監(jiān)測(cè)信息管理中心

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

地下水監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)集監(jiān)控、報(bào)警于一體，支持局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，用戶可以在任何地方操作和使用，可實(shí)現(xiàn)地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)、無線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程管理及瀏覽系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)孔信息管理、監(jiān)測(cè)設(shè)備信息管理、通信設(shè)備的信息管理、用戶及權(quán)限設(shè)置、日志記錄、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)警及信息發(fā)布、人工置入數(shù)據(jù)等功能。系統(tǒng)具有響應(yīng)召測(cè)的功能，可以隨時(shí)在中心站的要求下，發(fā)送測(cè)得數(shù)據(jù), 中心站隨時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)響應(yīng)。系統(tǒng)采用GIS 圖集和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)格式相結(jié)合的展示方式，將各種設(shè)備的分布點(diǎn)顯示在圖上，每個(gè)點(diǎn)都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，點(diǎn)擊分布點(diǎn)就可以顯示數(shù)據(jù)，方便用戶的查看、操作。

3.2 測(cè)井信息管理

監(jiān)測(cè)井管理的信息主要包括:統(tǒng)一編號(hào)、孔號(hào)、檢測(cè)孔級(jí)別、檢測(cè)孔類型、地理位置、經(jīng)度、緯度、所屬流域分區(qū)、所屬水文地質(zhì)分區(qū)、所屬行政分區(qū)、地面標(biāo)高、孔口標(biāo)高、孔深、地下水類型、監(jiān)測(cè)層位和建井時(shí)間等內(nèi)容的添加、修改、刪除及瀏覽、查詢。

（1）該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)接收并顯示現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的超標(biāo)情況進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警，顯示現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行模式及故障狀態(tài)。還可以結(jié)合電子地圖對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行直觀展示。

（2）可以對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行某一個(gè)固定參數(shù)，與時(shí)間段和多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果對(duì)比。展示的形式是以曲線圖的形式進(jìn)行展示，較為直觀。

（3）可以對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行按時(shí)間段和參數(shù)的結(jié)果查詢，展示的形式分為表格和曲線兩種展示形式。還可以將查詢的結(jié)果以定制的Excel 格式的形式進(jìn)行輸出。

3.3 數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計(jì)

查詢功能主要是方便用戶快速檢索監(jiān)測(cè)井的基本信息、監(jiān)測(cè)儀信息、通信設(shè)備信息等。

統(tǒng)計(jì)是對(duì)指定監(jiān)測(cè)井指定時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)測(cè)水位值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括最大值、最小值和平均值等。統(tǒng)計(jì)功能主要是為了方便用戶更全面地掌握井點(diǎn)的接收數(shù)據(jù)、水位標(biāo)高和電量等信息。該功能將對(duì)井點(diǎn)的水位、水溫及儀器電量等信息的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方便用戶了解井點(diǎn)情況。

3.4 水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析

通過對(duì)實(shí)時(shí)或歷史的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、分析。在對(duì)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析之前，平臺(tái)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)，只有有效的數(shù)據(jù)才會(huì)成為業(yè)務(wù)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其他故障數(shù)據(jù)將為監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供參考。

3.5 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)

水質(zhì)評(píng)價(jià)功能依據(jù)國(guó)家(GB3838- 2002)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、(GB/T 14848-93 )《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》及(GB 3097- 1997)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的水域功能類別選取相應(yīng)類別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水體水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)。實(shí)時(shí)查看水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，并計(jì)算超標(biāo)污染物的超標(biāo)倍數(shù)，經(jīng)過分析得出河流主要污染物類別、判定地下水水質(zhì)主要污染物及海洋水環(huán)境質(zhì)量狀況等。

4、水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行

4.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)

監(jiān)測(cè)參數(shù)功能可以使用戶實(shí)時(shí)的了解到現(xiàn)場(chǎng)裝有哪些傳感器設(shè)備，都對(duì)哪些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通訊儀器的配置信息等。

4.2 設(shè)備狀態(tài)

數(shù)采儀狀態(tài):遠(yuǎn)程監(jiān)控到聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集儀器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，及時(shí)了解到數(shù)采儀設(shè)備是否正常聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，如數(shù)據(jù)沒有正常接收，可通過此處判斷是否是數(shù)采儀故障。傳感器狀態(tài):現(xiàn)場(chǎng)所安裝的傳感器實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況是否正常，可以通過這里的參數(shù)運(yùn)行值來實(shí)時(shí)地判斷出來，如，判斷儀器是否該清洗，是否在正常運(yùn)行等情況。

4.3 數(shù)據(jù)自動(dòng)回補(bǔ)

在日常現(xiàn)場(chǎng)儀器使用時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)的情況所限，傳輸設(shè)備只能采用GPRS 無線傳輸技術(shù)，這種技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)要求較高。由于是在野外作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)無法保證，可能會(huì)存在偶爾斷網(wǎng)的情況，在這種情況發(fā)生時(shí)，會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)沒有正常上傳，此時(shí)數(shù)據(jù)的自動(dòng)回補(bǔ)功能就非常有必要，可以利用此功能要求現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備將數(shù)據(jù)重新上傳一遍，從而保證了中心站的數(shù)據(jù)完整，不會(huì)因現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)狀況不好，而引起中心站丟失數(shù)據(jù)的情況發(fā)生。

4.4 水站的GPS 定位

每個(gè)水站上都安裝有GPS 定位設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到當(dāng)前浮標(biāo)所在的位置，中心站軟件平臺(tái)上會(huì)結(jié)合地圖的功能對(duì)位置進(jìn)行展示，及時(shí)的確定浮標(biāo)當(dāng)前所處的位置，以及是否超出原有的既定范圍。

4.5 設(shè)備遠(yuǎn)程控制

在各監(jiān)控點(diǎn)、各托管站和環(huán)境監(jiān)測(cè)中心實(shí)現(xiàn)雙向操作、管理遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸、現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)、安全和參數(shù)超標(biāo)報(bào)警等遠(yuǎn)程控制?？梢詫?duì)監(jiān)測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)、儀器設(shè)備，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定和控制。

中心站遠(yuǎn)程向現(xiàn)場(chǎng)的儀器發(fā)送指令進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，完成中心站對(duì)遠(yuǎn)端的現(xiàn)場(chǎng)儀器的遠(yuǎn)程控制，做到監(jiān)測(cè)者不用到現(xiàn)場(chǎng)也能完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器的控制，極大方便了監(jiān)測(cè)者的日常工作，提高了工作效率。用戶進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行身份驗(yàn)證，權(quán)限不同的用戶對(duì)平臺(tái)享有不同的訪問權(quán)限。地下水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行和效益發(fā)揮有賴于合理的運(yùn)行方式和與之配套的管理制度。成立專業(yè)的隊(duì)伍，制定嚴(yán)格的規(guī)章制度及其監(jiān)督執(zhí)行措施，是該系統(tǒng)正常運(yùn)行的根本保證。系統(tǒng)運(yùn)行、管理、維護(hù)要有明確崗位責(zé)任，按照實(shí)際需要定崗、定人、定責(zé)、定權(quán)。并由上一級(jí)管理部門負(fù)責(zé)考核，以確保崗位責(zé)任制的落實(shí)執(zhí)行。

4.6 報(bào)警功能

報(bào)警功能是指對(duì)收到的傳輸信息進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警包括通信設(shè)備電量預(yù)警、水位異常預(yù)警、水溫異常預(yù)警及通信設(shè)備所用SIM 卡信號(hào)等信息異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警。可以在后臺(tái)設(shè)置數(shù)值預(yù)警界限，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到達(dá)一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)向管理者發(fā)送預(yù)警消息，可以第一時(shí)間了解情況。各區(qū)間統(tǒng)計(jì)工作完全由后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，無需人工進(jìn)行相應(yīng)操作，信息推送時(shí)間可以事先指定，內(nèi)容包括:上一統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)用戶所在站點(diǎn)綜合數(shù)據(jù)信息、單項(xiàng)指標(biāo)超限預(yù)警、首要污染物信息等。

4.7 移動(dòng)終端訪問

平臺(tái)提供了移動(dòng)終端訪問服務(wù)，用戶可以通過手機(jī)隨時(shí)訪問相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，及時(shí)地了解到監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備是否正常，以及當(dāng)前監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)值是否有異常。

5、水質(zhì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水環(huán)境檢查中的運(yùn)用管理

隨著人們的生活、生產(chǎn)水平得到滿足,生活污水和工業(yè)廢水對(duì)水資源的污染日益嚴(yán)重。為了監(jiān)測(cè)地下水水質(zhì)污染狀況,水質(zhì)監(jiān)測(cè)站在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比,我國(guó)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還很薄弱，在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的管理以及質(zhì)量控制方面存在一定的差距。由于不同地區(qū)的水資源及水質(zhì)狀況不同的,監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況也不相同,所以很難控制水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量。因此,地下水安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立是發(fā)展的必然趨勢(shì),為了隨時(shí)掌握水環(huán)境的水質(zhì)變化規(guī)律,就要利用水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)水資源進(jìn)行監(jiān)測(cè),觀察水質(zhì)的變化趨勢(shì),通過實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,將監(jiān)測(cè)結(jié)果作為環(huán)境管理、環(huán)境保護(hù)的重要依據(jù),這是水環(huán)境監(jiān)測(cè)過程進(jìn)行質(zhì)量控制的核心內(nèi)容：（1）在進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制時(shí),要做好事前控制工作。水資源監(jiān)測(cè)質(zhì)量的事前控制就是指預(yù)先控制,在監(jiān)測(cè)之前進(jìn)行預(yù)防控制，可以減少監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤率,避免重復(fù)監(jiān)測(cè)延誤監(jiān)測(cè)時(shí)間,浪費(fèi)檢測(cè)資源。（2）在水環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中進(jìn)行質(zhì)量控制。事中控制主要是對(duì)監(jiān)測(cè)過程中的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制,保障在實(shí)驗(yàn)分析過程中遵守操作規(guī)程,保障水質(zhì)樣品質(zhì)量的有效性。（3）對(duì)水資源監(jiān)測(cè)進(jìn)行后期的質(zhì)量控制。在水資源監(jiān)測(cè)過程完成后,要對(duì)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效保存,以便后期使用, 完善質(zhì)量控制體系。（4）為了保證監(jiān)測(cè)儀器能夠持續(xù)地提供有質(zhì)量的數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)營(yíng)應(yīng)建立質(zhì)量保證程序。監(jiān)測(cè)儀器的運(yùn)營(yíng)質(zhì)量控制保證由維護(hù)、檢修、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)記錄審核等幾個(gè)階段構(gòu)成。

結(jié)語：

綜上所述，城市地下水質(zhì)安全檢測(cè)系統(tǒng)在傳感器選擇、嵌入系統(tǒng)選擇、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及系統(tǒng)建設(shè)成本等五個(gè)方面具有較高的設(shè)計(jì)需求，為提高城市地下水質(zhì)安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成效，論文針對(duì)其設(shè)計(jì)需求從系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及通信協(xié)議設(shè)計(jì)三個(gè)角度入手，提出多點(diǎn)具體的設(shè)計(jì)建議，可以有效提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，論文還針對(duì)傳感器、無線通信以及系統(tǒng)整體功能等三個(gè)角度提出具體的測(cè)試意見，對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能具有重要意義。