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(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的安徽省地下水動態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)研究

劉懷利，馬浩

(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

為提高地下水監(jiān)測水平，實(shí)時掌握地下水動態(tài)變化信息，在對安徽省地下水監(jiān)測現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、B/S軟件等技術(shù)開展了地下水動態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)研究，探討了系統(tǒng)啊總體框架、設(shè)計(jì)了地下水監(jiān)測站和業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件，為實(shí)施安徽省國家地下水監(jiān)測工程提供了支撐。

地下水；動態(tài)監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；研究

地下水是水資源的重要組成部分，是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要自然資源，是重要的供水水源和應(yīng)急抗旱水源，也是維系良好生態(tài)環(huán)境的主要因素。因此，加強(qiáng)地下水監(jiān)測工作，掌握實(shí)時地下水動態(tài)，對保障用水安全以及生態(tài)安全具有十分重要的意義。目前，安徽省地下水在開發(fā)利用過程中主要存在地下水水源地集中過度開采，造成了地下水超采，嚴(yán)重超采的地方引發(fā)了地面沉降和巖溶塌陷。此外，地下水污染日益嚴(yán)重。由于地下水污染的隱蔽性和復(fù)雜性，人們往往對地下水污染危害的認(rèn)識嚴(yán)重不足，對地下水污染預(yù)防與治理的重要性認(rèn)識不到位，加之疏于監(jiān)管，使得城市生活和工業(yè)廢污水大量排放，污染物入滲造成區(qū)域性地下水污染問題突出，城市、礦區(qū)等重點(diǎn)地區(qū)地下水污染嚴(yán)重，影響飲水安全和人民群眾身體健康。開展地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對地下水動態(tài)的有效監(jiān)測，以及對淮北平原、巖溶山區(qū)地下水動態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控和對重點(diǎn)地區(qū)地下水監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)控；為各級領(lǐng)導(dǎo)、各部門和社會提供及時、準(zhǔn)確、全面的地下水動態(tài)信息，滿足科學(xué)研究和社會公眾對地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置、科學(xué)管理地下水資源，實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)格的水資源管理制度，防治地質(zhì)災(zāi)害，保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，為水資源可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)支撐，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

1 安徽省地下水監(jiān)測現(xiàn)狀

安徽省開展地下水動態(tài)監(jiān)測工作始于20世紀(jì)50～60年代，從20世紀(jì)70年代初期開始開展了較全面、系統(tǒng)、不間斷的農(nóng)業(yè)淺層地下水水位、常規(guī)水質(zhì)、水溫以及少量的生產(chǎn)站開采量監(jiān)測。其后，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和地下水開發(fā)利用量的增加，為便于及時了解和全面掌握各地地下水動態(tài)變化情況，地下水監(jiān)測井的布設(shè)逐年增多。安徽省地下水監(jiān)測重點(diǎn)是淮北地區(qū)，淮北區(qū)域上主要監(jiān)測淺層孔隙水、深層孔隙水和裂隙巖溶水，城市及水源地主要監(jiān)測開采目的層地下水，兼顧地下水環(huán)境問題區(qū)；江淮波狀平原主要監(jiān)測城市及水源地主要開采目的層地下水；沿江丘陵平原區(qū)域上控制性監(jiān)測沿江平原區(qū)孔隙水，城市及水源地主要監(jiān)測開采目的層；皖南山區(qū)、大別山區(qū)僅有零星的地下水監(jiān)測點(diǎn)。地下水監(jiān)測井按監(jiān)測層位分淺層監(jiān)測井和深層監(jiān)測井，大多數(shù)淺層監(jiān)測井由省水文部門建管，深層監(jiān)測井由地礦部門建管。

安徽省地下水監(jiān)測站網(wǎng)還存在以下問題：(1)地下水監(jiān)測站網(wǎng)布局還需完善；(2)專用監(jiān)測井缺乏，監(jiān)測設(shè)備陳舊，監(jiān)測手段落后；(3)地下水監(jiān)測站網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理；(4)信息傳遞和信息處理落后，時效性差；(5)地下水監(jiān)測站網(wǎng)管理體制不順，經(jīng)費(fèi)渠道不暢。

圖1 安徽省地下水動態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)總體框架

安徽省地下水動態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)由1個省級監(jiān)測中心、10個地市級分中心、390個監(jiān)測站組成(見圖1)。

(1)省級監(jiān)測中心。省級監(jiān)測中心承擔(dān)轄區(qū)內(nèi)地市級分中心的管理、地下水信息的接收存儲、分析計(jì)算、匯編刊印，建立地下水資料數(shù)據(jù)庫和信息服務(wù)平臺，為地下水資源評價、論證、規(guī)劃、管理、保護(hù)和實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度考核提供可靠的技術(shù)支撐。省中心建設(shè)以安徽省水文局現(xiàn)有的生產(chǎn)業(yè)務(wù)用房、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)及人力資源為依托，通過信息接收處理軟硬件建設(shè)，實(shí)現(xiàn)本轄區(qū)地下水監(jiān)測站信息的接收與上傳，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫、信息共享服務(wù)平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

(2)地市級分中心。地市級分中心承擔(dān)轄區(qū)內(nèi)地下水監(jiān)測站的運(yùn)行、維護(hù)和管理，水質(zhì)站水樣的采集與分析，接收由省級監(jiān)測中心分發(fā)本轄區(qū)的地下水信息，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行資料校核和整編，并將年度整編成果上交省級監(jiān)測中心。以地市水文部門現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為依托，建設(shè)地市級分中心，配備服務(wù)器等硬件設(shè)備，購買數(shù)據(jù)庫管理、服務(wù)操作等系統(tǒng)軟件，建立數(shù)據(jù)庫，配備水利部項(xiàng)目辦統(tǒng)一開發(fā)的地下水信息查詢維護(hù)、地下水監(jiān)測資料整編、地下水信息交換共享軟件，并配置水位水溫校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)移動傳輸、洗井等巡測維護(hù)設(shè)備。

(3)地下水監(jiān)測站。地下水監(jiān)測站承擔(dān)水位、水溫、水質(zhì)、流量等監(jiān)測項(xiàng)目，并將自動采集的信息傳輸?shù)绞〖壉O(jiān)測中心和國家地下水監(jiān)測中心。

3 地下水監(jiān)測站設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)

安徽省地下水監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)以流域?yàn)榛締卧?，對流域?nèi)基本類型區(qū)(平原、盆地、山間平原)進(jìn)行控制性布設(shè)，對特殊類型區(qū)(人口密集區(qū)、城市建成區(qū)、重要地下水水源地、超采區(qū)等)進(jìn)行重點(diǎn)布設(shè)。平原區(qū)以淺層地下水為主要監(jiān)測目標(biāo)含水層(組)，地下水開發(fā)利用地區(qū)、超采區(qū)、重要水源地以主要開采層為監(jiān)測目標(biāo)含水層(組)。安徽省共建設(shè)390個監(jiān)測站。按流域分布，淮河流域布設(shè)356個監(jiān)測站，長江流域布設(shè)32個監(jiān)測站，太湖流域布設(shè)2個監(jiān)測站。

3.2 通信規(guī)約及信息流程

安徽省地下水監(jiān)測站的通信規(guī)約采用《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》(SL651-2014)。地下水監(jiān)測站將水位、水溫、水質(zhì)等自動采集信息通過GPRS/GSM信道發(fā)送到省級監(jiān)測中心；省級監(jiān)測中心將數(shù)據(jù)存入本級數(shù)據(jù)庫，通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測信息分別傳輸?shù)絿业叵滤O(jiān)測中心、流域監(jiān)測中心、相應(yīng)地市級分中心。安徽省國家地下水監(jiān)測工程(水利部分)信息流程見圖2。

圖2 安徽省地下水動態(tài)監(jiān)測站信息流程

3.3 監(jiān)測站儀器選型

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一體化壓力式水位計(jì)；水質(zhì)自動監(jiān)測儀器在4個自動水質(zhì)站配置。水位監(jiān)測儀器全部采用一體化壓力式水位計(jì)，放在歷史最低水位以下，承壓范圍應(yīng)符合水位最大變幅的要求。水位計(jì)量程大于或等于5 m，水位計(jì)分辨力為1 cm或0.1 cm；水溫計(jì)分辨力為0.1℃，在0℃～70℃水溫變幅范圍內(nèi)，測量誤差≤±0.5℃/±1℃。

水質(zhì)自動監(jiān)測站分為一般監(jiān)測站和重點(diǎn)監(jiān)測站。(1)一般監(jiān)測站。一般監(jiān)測站共3個，主要布設(shè)在能反映地下水水質(zhì)平均狀況地區(qū)，用于掌握基本水質(zhì)情況，監(jiān)測指標(biāo)選取pH、DO、電導(dǎo)率、濁度、氯離子(按監(jiān)測區(qū)域可更換為氟離子、硝酸鹽氮等)等5參數(shù)水質(zhì)自動監(jiān)測儀。(2)重點(diǎn)監(jiān)測站。重點(diǎn)監(jiān)測站共1個，根據(jù)流域地下水水質(zhì)監(jiān)測報(bào)告等已掌握的情況，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測和密切跟蹤。監(jiān)測設(shè)備除選取5參數(shù)水質(zhì)自動監(jiān)測儀外，需另配置UV探頭(可同時測亞硝氮、COD、BOD、TOC、DOC、UV254、苯類、色度、濁度或懸浮濃度等)。

4 地下水監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)開發(fā)系統(tǒng)軟件。SOA是一個組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元(稱為服務(wù))通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。地下水資源業(yè)務(wù)軟件主要包括系統(tǒng)范圍應(yīng)用層、應(yīng)用支撐平臺和基礎(chǔ)層。應(yīng)用層劃分為：地下水監(jiān)測信息接收處理，地下水信息查詢維護(hù)，地下水信息交換共享，地下水監(jiān)測資料整編，地下水資源業(yè)務(wù)應(yīng)用，地下水資源信息發(fā)布、移動客戶端，地下水水質(zhì)分析軟件。應(yīng)用支撐平臺為：公共服務(wù)、通用工具、業(yè)務(wù)工具，包括用戶身份認(rèn)證、地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)交換服務(wù)、通用和業(yè)務(wù)等工具。數(shù)據(jù)層為數(shù)據(jù)庫，另外還有與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換共享。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程圖見圖3。

圖3 安徽省地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件構(gòu)架

通過上述三個層面的系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)各個應(yīng)用系統(tǒng)在正常業(yè)務(wù)中流暢、及時的信息流轉(zhuǎn)和業(yè)務(wù)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)各個應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用支撐平臺、數(shù)據(jù)存儲與管理體系在設(shè)計(jì)框架下的分層連接，確保各個應(yīng)用系統(tǒng)預(yù)留接口，各個應(yīng)用系統(tǒng)擁有風(fēng)格統(tǒng)一的用戶界面，擁有全線統(tǒng)一的身份認(rèn)證體系，從而最終使各個應(yīng)用系統(tǒng)在界面上展現(xiàn)。

5 結(jié)語

依托國家地下水監(jiān)測工程，安徽省開展了地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)，建設(shè)1個省級監(jiān)測中心，10個地市分中心，新建390個地下水監(jiān)測站。項(xiàng)目的實(shí)施，將完善地下水監(jiān)測站網(wǎng)，為地下水監(jiān)測工作提供基礎(chǔ)平臺，提高地下水監(jiān)測水平，為國家及地方相關(guān)部門提供豐富的地下水動態(tài)信息，為水資源調(diào)查評價及綜合規(guī)劃提供更加精準(zhǔn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)地下水資源的優(yōu)化配置，提高水資源管理水平，為水資源可持續(xù)利用、支撐社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐和全面服務(wù)。

[1]國家地下水監(jiān)測工程(水利部分)安徽省初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]. 安徽省水文局.2015.

[2]袁愛軍. 基于物聯(lián)網(wǎng)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．信息科學(xué).2016(19).

[3]高志. 國家地下水監(jiān)測工程站網(wǎng)布設(shè)淺析[J]．地下水.2012.34(5).

P641.74

A

1004-1184(2017)06-0068-02

2017-08-14

劉懷利(1982-)，男，安徽懷遠(yuǎn)人，工程師，主要從事水利信息化研究與應(yīng)用工作。