李 磊 ，雒義全 ，姜尚堃

（1.青島水文水資源勘測局，山東 青島 266071;2.山東省淮河流域水利管理局，山東 濟(jì)南 250100）

大沽河流域是青島市最大的流域,位于山東膠東半島的西部，北部為山區(qū)和淺山丘陵區(qū)，南部為山麓平原和平原洼地。大沽河地下水源地位于大沽河中下游段，自店埠——古峴一線以南至青島——膠州公路，南北長約45km，寬約 8～12km，河谷沖積層總面積約421km2，砂層厚度大，顆粒粗且質(zhì)純，富水性好，1981年后逐漸開辟為青島市城市供水水源地。

20世紀(jì)70年代中期，大沽河水源地開始開展地下水監(jiān)測工作，當(dāng)時多借用農(nóng)用大口井觀測，普遍采用測繩、皮尺加吊錘等傳統(tǒng)監(jiān)測手段，數(shù)據(jù)誤差大。

鑒于大沽河地下水水文監(jiān)測設(shè)施存在上述諸多問題，加大監(jiān)測設(shè)施密度和對老設(shè)施進(jìn)行改造是非常必要的，而自動監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施，不僅能解決現(xiàn)有觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性問題，還可大大提高地下水管理及監(jiān)測的現(xiàn)代化水平。

地下水文監(jiān)測系統(tǒng)包含：水位監(jiān)測與傳輸系統(tǒng)和信息中心兩部分。水位監(jiān)測與傳輸系統(tǒng)主要由監(jiān)測井、壓力式水位計(jì)、數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程測控終端組成。系統(tǒng)自動采集地下水水位等信息，并自動傳輸?shù)叫畔⒅行?。信息中心對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理、入庫并輸出結(jié)果。

1 水位監(jiān)測與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 地下水觀測井建設(shè)

根據(jù)中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《地下水監(jiān)測站建設(shè)技術(shù)規(guī)范》，大沽河水源地地下水監(jiān)測井建設(shè)遵循以下要求：

觀測井深約在7.0～15.0m，井開孔至終孔直徑為450～500mm，井管采用內(nèi)徑 200mm、耐壓強(qiáng)度為 4～6大氣壓的PVC管材，開孔率 10%～15%，圓孔直徑 8～14mm，濾網(wǎng)為20～60目，動水位以下全部安裝過濾器，濾料選用磨圓度好、直徑0.4～1.0cm的硅質(zhì)砂、砂礫石，濾料填至距地面1.00m處，上部填加0.6m的粘土封閉止水，監(jiān)測井施工結(jié)束后測量其固定點(diǎn)及附近地面高程。

成井工藝流程：鉆機(jī)安裝定孔位→ 鉆進(jìn)清孔→下放井管填礫石濾料→洗井→抽水實(shí)驗(yàn)→井口安裝。

1.2 壓力式水位計(jì)原理及優(yōu)勢

壓力式水位計(jì)是根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運(yùn)用壓敏元件作傳感器的水位計(jì)。當(dāng)傳感器固定在水下某一測點(diǎn)時，該測點(diǎn)以上水柱壓力高度加上該點(diǎn)高程，即可間接地測出水位。其工作優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

1）輸出信號穩(wěn)定、靈敏度高。采用的傳感器芯片滿量程輸出為100mV左右，抗干擾能力強(qiáng)，信號輸出比同類產(chǎn)品穩(wěn)定，線形優(yōu)良。

2）變送器精度高。由于壓力式水位計(jì)的變送器在芯體上對壓力的感受、敏感轉(zhuǎn)換和監(jiān)測三部分由一個元件來實(shí)現(xiàn)，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以重復(fù)性和延遲等誤差都極小，綜合靜態(tài)精度相對較高。

3）產(chǎn)品耐用性能高。由于壓力式水位計(jì)傳感器工作時形變?yōu)閬單⒚讛?shù)量級，因而無磨損、無疲勞、無老化、壽命長，可達(dá)107壓力循環(huán)次。

4）壓力式水位計(jì)具有低電流、低電壓、低功耗的特點(diǎn)。

5）安裝便捷。采用直接投入式安裝，設(shè)備在投入后可直接測試數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)采集測控終端配置及特點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集測控終端采用超低功耗高性能的嵌入式處理器，與公共網(wǎng)通訊處理器采用西門子產(chǎn)品。2×3.6V一次性鋰電池供電，可以選配，電池壽命1～5年左右，內(nèi)嵌看門狗，不死機(jī)，掉線自動恢復(fù)，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接線端子，RS485接口，液晶顯示屏，大容量用戶數(shù)據(jù)緩存區(qū)，支持大數(shù)據(jù)量傳輸，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)模塊和安裝附件，安裝方便，2路差分輸入模擬信號；+24V輸出：可為外部電路DC24V電源；采樣分辨率：16bit；支持撥號，短信數(shù)據(jù)傳輸方式，GPRS遠(yuǎn)程在線設(shè)置和短信息遠(yuǎn)程設(shè)置功能。

1.4 安全問題

大沽河水源保護(hù)區(qū)，位于大沽河兩岸的農(nóng)田中，遠(yuǎn)離村莊、城鎮(zhèn)，對其水資源進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要解決的問題有如下幾項(xiàng)：

1）電源問題。所采集的水源參數(shù)變化緩慢數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程監(jiān)控終端產(chǎn)品為微功耗產(chǎn)品，如一天采集一次數(shù)據(jù)，則只需一年更換一次電池，方便實(shí)用。同時數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程監(jiān)控終端產(chǎn)品體積較小，可方便的進(jìn)行防潮防水及防盜處理，因此，本方案采用電池供電方式。

2）防水防潮問題。由于水源監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)是長期不間斷工作在惡劣的野外條件下，同時電子產(chǎn)品又要求工作在干燥的環(huán)境中，因此在本方案中為數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程監(jiān)控終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)了黑匣子裝置，達(dá)到IP68防塵防水等級水平。

3）防盜問題。本方案采用水泥制作井蓋及儀表倉，具有較小的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，降低犯罪分子盜竊的欲望。同時安裝警示牌。明示破壞水文設(shè)備將面臨的法律制裁，以震懾犯罪分子

4）通訊問題。本方案采用GPRS通訊方式。

5）防雷避雷問題。電子設(shè)備損壞大多來自于感應(yīng)雷，而少部分來自直擊雷。本方案通過設(shè)置針形避雷的形式來防直擊雷；通過在設(shè)備電線上安裝避雷器的形式來防感應(yīng)雷。但不管如何防雷，可靠的接地是最為關(guān)鍵的一環(huán)。在本系統(tǒng)中，接地系統(tǒng)接地電阻應(yīng)不大于1Ω，方能滿足避雷要求。

2 信息中心設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能

系統(tǒng)以Windows2003為工作平臺，采用提供了開放、全面和集成信息管理方法的Oracle數(shù)據(jù)庫來處理數(shù)據(jù)信息，該數(shù)據(jù)庫具有極好的可用性、可擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)安全性以及穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲透明。

系統(tǒng)同時使用Tomcat接收BTU所傳輸?shù)牡叵滤畔ⅲ啾绕毡椴捎玫能浖缃M態(tài)王等，能同時正確接收較多的數(shù)據(jù)而不產(chǎn)生數(shù)據(jù)的沖突與丟失，保證了數(shù)據(jù)的正確性與完整性。

2.2 軟件特點(diǎn)與構(gòu)架

軟件開發(fā)工具用Java Studio Enterprise 8.1；信息發(fā)布工具用WebLogic 9；數(shù)據(jù)庫用 Oracle10g；操作系統(tǒng)用Windows Server 2003。

軟件系統(tǒng)遵循開放標(biāo)準(zhǔn)XML技術(shù)，實(shí)現(xiàn)未來整個系統(tǒng)的無縫集成和數(shù)據(jù)共享，因?yàn)樗玫钠脚_和開發(fā)工具都是基于XML文件標(biāo)準(zhǔn)格式，J2EE標(biāo)準(zhǔn)保證了本系統(tǒng)可以跨平臺運(yùn)行，不管系統(tǒng)多么離散，都可以在XML和WEB SERVICES的標(biāo)準(zhǔn)體系下實(shí)現(xiàn)集成。

簡單來說，就是每個不同的子系統(tǒng)都對外提供訪問接口，凡是授權(quán)的用戶（指其他應(yīng)用系統(tǒng)）都可以訪問提供的接口，然后用一個統(tǒng)一的應(yīng)用層平臺來訪問許多不同的子系統(tǒng)，以達(dá)到全部數(shù)據(jù)的共享。

1）主站系統(tǒng)通訊服務(wù)器采用TCP/IP數(shù)據(jù)加密通信，即應(yīng)用https協(xié)議。軟件采用多線程并發(fā)的TCP/IP通信機(jī)制，服務(wù)器端采用多線程Servlet技術(shù)，保證多個測量點(diǎn)數(shù)據(jù)的同時接收和處理。

2）主站系統(tǒng)軟件采用 B/S架構(gòu)，WEB發(fā)布使用Web Services技術(shù)，客戶權(quán)限分級管理，實(shí)現(xiàn)和上級MIS的跨平臺數(shù)據(jù)交換。

3）監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠真實(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中，名稱、類型和精度按照部頒標(biāo)準(zhǔn)存儲，數(shù)據(jù)關(guān)系實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫規(guī)范的第三范式（保證數(shù)據(jù)冗余度最低）。

4）數(shù)據(jù)庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫，Oracle數(shù)據(jù)庫是當(dāng)今最卓越的數(shù)據(jù)管理平臺，其處理并發(fā)事件的能力強(qiáng)大，保證數(shù)據(jù)不丟失，響應(yīng)速度快。

5）客戶端瀏覽軟件主要是Microsoft公司的Internet Explorer，由于服務(wù)器端跨平臺的特性，客戶端也可兼容眾多的瀏覽器類型，只要是支持HTTP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

6）通訊服務(wù)器采用組態(tài)技術(shù)，能將全部遠(yuǎn)程測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器。

3 系統(tǒng)功能及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)功能

軟件系統(tǒng)主要分為以下10個功能模塊。

1）數(shù)據(jù)采集。運(yùn)行于服務(wù)端的接收部分，負(fù)責(zé)所有站點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收、分析與存儲。系統(tǒng)接收到下位監(jiān)測點(diǎn)發(fā)上來的數(shù)據(jù)并經(jīng)過對數(shù)據(jù)的合理性驗(yàn)證后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、糾錯處理并分別存入數(shù)據(jù)庫的相關(guān)表中。

2）設(shè)備維護(hù)。設(shè)備維護(hù)部分指通過GPRS可以對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的參數(shù)設(shè)置維護(hù)工作，工作人員可以設(shè)置所有監(jiān)測點(diǎn)的上傳間隔、校地時間、報(bào)警界限、差值上報(bào)等功能進(jìn)行設(shè)置。

3）電子地圖。電子地圖上可顯示大沽河水源地地下水監(jiān)測網(wǎng)所有的50個地下水位點(diǎn)的分布位置，并在圖上顯示當(dāng)前各個水位點(diǎn)的站點(diǎn)名稱、上報(bào)時間、埋深等數(shù)據(jù)信息，可以對電子地圖進(jìn)行放大、縮小、漫游及全屏顯示、分層顯示等操作。

4）數(shù)據(jù)查詢。可以對所有監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行單點(diǎn)某時間、單點(diǎn)時間段、單點(diǎn)全部數(shù)據(jù)、多點(diǎn)某時間、多點(diǎn)時間段、多點(diǎn)全部數(shù)據(jù)、分行政區(qū)等查詢。

5）數(shù)據(jù)分析。可以對所有監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行月度數(shù)據(jù)分析和年度數(shù)據(jù)分析，可以對全部監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，也可以分行政區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

6）資料整編。對各監(jiān)測點(diǎn)的觀測井資料、數(shù)據(jù)資料分年度或月度進(jìn)行資料的整理。

7）圖形分析。可以對所有觀測點(diǎn)進(jìn)行等值線、等面線及趨勢線等圖形分析。

8）打印輸出。系統(tǒng)所設(shè)計(jì)到的報(bào)表圖表等內(nèi)容都可以進(jìn)行打印及輸出到EXCEL文檔中。

9）系統(tǒng)管理。包括監(jiān)測點(diǎn)的資料管理、用戶管理、及系統(tǒng)的操作項(xiàng)管理等內(nèi)容。

10）數(shù)據(jù)維護(hù)?？梢圆樵儧]有上傳數(shù)據(jù)的點(diǎn)并對該點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或刪除操作，可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份中恢復(fù)操作。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用情況

地下水現(xiàn)場測控終端采用雙中心廣播模式，自動采集大沽河地下水水位信息，并同時上傳至青島市地下水監(jiān)測中心和青島市水資源實(shí)時監(jiān)測。

現(xiàn)場測控終端可實(shí)現(xiàn)自動采集、固態(tài)存儲和自動傳輸，現(xiàn)場測控終端每天8時、20時采集兩次數(shù)據(jù)，并于每天的8時將采集的數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)角鄭u市地下水監(jiān)測中心和青島市水資源監(jiān)控調(diào)度中心。

地下水監(jiān)測軟件目前實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)信息維護(hù)和系統(tǒng)管理四大功能。

通過監(jiān)測信息查詢功能可方便的查詢水井的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)水位數(shù)據(jù)查詢、水位柱狀圖、水位曲線圖、電池電壓報(bào)表、綜合報(bào)表查詢等功能。