田斌 楊澤遠(yuǎn) 王威 劉暢

摘 要：針對珠江-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)的地下水動態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由監(jiān)測傳感器裝置、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸裝置及終端平臺組成。地下水監(jiān)測系統(tǒng)中的供電部分采用太陽能發(fā)電方式，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)取電困難的問題，實(shí)現(xiàn)自動化、智能化供電。監(jiān)測數(shù)據(jù)采用GPRS傳輸方式，將采集到的數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測平臺。野外試驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，實(shí)現(xiàn)了自動化采集及遠(yuǎn)程傳輸，提高了工作效率。

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

DOI：10. 11907/rjdk. 182481 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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、國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心副教授，研究方向?yàn)榈叵滤Y源計算與評價。

0 引言

地下水因水質(zhì)良好、水量穩(wěn)定、開采便利，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，人們對水資源的需求不斷增長。由于長期的過度開采，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)意識的提高，地下水水質(zhì)監(jiān)測與研究得到重視，在線地下水監(jiān)測系統(tǒng)因其方便應(yīng)用、節(jié)省資源、數(shù)據(jù)實(shí)時采集上傳等優(yōu)點(diǎn)，在地下水環(huán)保工作中發(fā)揮著越來越重要的作用[4-5]。

美國和荷蘭是地下水監(jiān)測系統(tǒng)較為發(fā)達(dá)的國家，美國的地下水監(jiān)測由內(nèi)政部直屬的地質(zhì)調(diào)查局負(fù)責(zé)，大約建有16 000個地下水長期監(jiān)測點(diǎn)[6]，約330km2有一個監(jiān)測點(diǎn)[7-9]。荷蘭對地下水的監(jiān)測管理則由各省負(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的地下水自動監(jiān)測網(wǎng)。

目前我國地下水監(jiān)測系統(tǒng)研究遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，部分地區(qū)的監(jiān)測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，國家對自動化信息化的地下水監(jiān)測也越來越重視。2017-2018年一年間，我國完成新建自動化地下水監(jiān)測站點(diǎn)7 313個，老舊站點(diǎn)改造2 602個[13-15]。經(jīng)過多年努力，我國地下水監(jiān)測工程取得重大進(jìn)展，90%以上的地下水監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)完成[16-17]?；诰W(wǎng)絡(luò)的信息儲存、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)簡單、穩(wěn)定性好、易于維護(hù)、安裝簡便。在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時留有可隨意擴(kuò)充的字段，擴(kuò)展性強(qiáng)，針對不同監(jiān)測需求能及時進(jìn)行調(diào)整，對被測參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)充，升級監(jiān)測系統(tǒng)更加方便。

1 系統(tǒng)概述

地下水在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測設(shè)備采集監(jiān)測點(diǎn)的水溫、水位、PH值、溶解氧等水文相關(guān)數(shù)值，并實(shí)時傳遞給服務(wù)器，讓監(jiān)測人員在任何地方都能了解監(jiān)測點(diǎn)最新數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)不僅能夠了解區(qū)域內(nèi)環(huán)境狀況，還能對區(qū)域未來環(huán)境狀況作出預(yù)測，對未來的經(jīng)濟(jì)開發(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)測系統(tǒng)設(shè)計原則如下：

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

（2）實(shí)時性。系統(tǒng)要能實(shí)時采集傳輸處理可靠數(shù)據(jù)，使管理者及時了解地下水狀況，對各種突發(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)測技術(shù)發(fā)展很快，監(jiān)測系統(tǒng)要不斷更新，同時，不同地區(qū)所需監(jiān)測量不同，同一地區(qū)隨著環(huán)境變化所需要監(jiān)測的參數(shù)也會改變，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)測需求增加相應(yīng)功能。

（4）操作簡便性。在系統(tǒng)開發(fā)過程中需要從用戶角度設(shè)計簡單方便的操作系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

地下水在線監(jiān)測系統(tǒng)由前端監(jiān)測主機(jī)、監(jiān)測平臺等部分組成。前端主機(jī)根據(jù)需要采集水文資料，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器保存，不同的監(jiān)測點(diǎn)GPRS所使用的SIM卡不同，在監(jiān)測平臺設(shè)置好編號后用來區(qū)分各個監(jiān)測點(diǎn)，服務(wù)器接收發(fā)回的數(shù)據(jù)后儲存在監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，在線監(jiān)測平臺調(diào)用服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)頁將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

2.1 監(jiān)測設(shè)備主機(jī)

系統(tǒng)采用太陽能供電的上位機(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)測點(diǎn)大都地處偏遠(yuǎn)無電地區(qū)，所以使用太陽能電池板與可充電電池配合。太陽能供電方式受季節(jié)和監(jiān)測點(diǎn)地理位置影響很大，經(jīng)過測試最終選用100W、12V的單晶硅太陽能電池板和36AH的蓄電池進(jìn)行觀測站點(diǎn)循環(huán)供電，保證監(jiān)測設(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)測需求，對地下水水位、水溫、PH值、溶氧度以及監(jiān)測點(diǎn)雨量等5個參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。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個傳感器分別對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。

2.2 在線監(jiān)測平臺

系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）架構(gòu)，也就是瀏覽器/服務(wù)器模式，用戶不需要安裝專門的客戶端，只需在服務(wù)器上安裝postgreSQL數(shù)據(jù)庫即可通過瀏覽器訪問監(jiān)測平臺，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)測平臺網(wǎng)頁集監(jiān)測、報警于一體，支持局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，用戶通過網(wǎng)頁界面完成相關(guān)功能操作，可以在線查詢、插入和修改數(shù)據(jù)庫中的相關(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，將各個設(shè)備的分布點(diǎn)顯示在地圖上，每個點(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)測網(wǎng)站功能

監(jiān)測網(wǎng)站的功能設(shè)計是軟件開發(fā)非常重要的一步，結(jié)合用戶使用習(xí)慣設(shè)計出合理的網(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實(shí)現(xiàn)，既便于系統(tǒng)維護(hù)，又使界面簡單明了，方便用戶使用。系統(tǒng)分為水質(zhì)監(jiān)測管理、水質(zhì)監(jiān)測與統(tǒng)計、后臺管理等功能，其下又分為詳細(xì)的基礎(chǔ)功能。

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

水質(zhì)監(jiān)測與統(tǒng)計主要是對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，顯示從系統(tǒng)啟動時至當(dāng)前時間的全部數(shù)據(jù)報表，可通過選擇時間、數(shù)據(jù)類型、測量值范圍對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行精確查詢，可將這些數(shù)據(jù)以Excel格式導(dǎo)出。圖形報表則是將監(jiān)測數(shù)據(jù)以圖形的形式展現(xiàn)出來，使用者能更加直觀地了解監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)情況和變化趨勢。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)可對監(jiān)測點(diǎn)信息、廠商信息、報表信息、設(shè)備字段名、報警等級數(shù)據(jù)等進(jìn)行增加、修改、刪除操作。

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

2.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計的好壞直接關(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，同時還要考慮后期的擴(kuò)展維護(hù)問題。根據(jù)采集數(shù)據(jù)類型、采集設(shè)備和采集時間記錄歷史數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 歷史數(shù)據(jù)

為使用戶及時了解監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常，建立字段報警表格如表2所示。

表2 字段報警

3 結(jié)語

本文設(shè)計的地下水監(jiān)測系統(tǒng)在珠江-西江流域?qū)嶒?yàn)地區(qū)進(jìn)行了長時間測試和多次反復(fù)調(diào)試，積累了大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，解決了監(jiān)測儀器設(shè)備供電不足、通訊中斷、功耗過高等問題，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)測數(shù)據(jù)的實(shí)時動態(tài)遠(yuǎn)程傳輸。該系統(tǒng)在連續(xù)多日無陽光照射及陰雨天氣狀態(tài)下運(yùn)行正常，特別是經(jīng)受了封開二月份月平均日照時間僅有67.9小時的考驗(yàn)，達(dá)到在任何地方都可通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問地下水資源監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、查看實(shí)時數(shù)據(jù)的設(shè)計要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性。

由于監(jiān)測點(diǎn)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和人類活動對地下水水質(zhì)的巨大影響，水質(zhì)變化對PH傳感器等設(shè)備有一定影響，所以要針對不同監(jiān)測點(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)勘察問題及其措施的探析[J]. 世界有色金屬，2018（6）：163-169.

[2] 齊鵬. 國家地下水監(jiān)測管理及站網(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. 全國地下水開發(fā)利用動態(tài)評估研究工作總體構(gòu)想[J]. 中國水利， 2018（13）：59-64.

[4] 嚴(yán)宇紅，周政輝. 國家地下水監(jiān)測工程站網(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. 高寒地帶地下水動態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 長江科學(xué)院院報， 2018， 35（1）：147-150.

[6] 梁遠(yuǎn). 基于MVC的地下水監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)[J]. 西安郵電大學(xué)學(xué)報， 2014， 19（6）：71-75.

[8] 張江江. 地下水污染源解析的貝葉斯監(jiān)測設(shè)計與參數(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. 井水流量動態(tài)的分析研究[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2018.

[15] 李華，文章，謝先軍，等. 貴陽市三橋地區(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. 山東省三級地下水監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)思考[J]. 山東國土資源，2016，32（12）：62-64.

[17] 范宏喜. 開啟地下水監(jiān)測新紀(jì)元——聚焦國家地下水監(jiān)測工程建設(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]. 中國水利，2014（3）：36-38.

[19] 徐月明. 水文地質(zhì)勘察中地下水的問題及對策[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）