楊磊 霍艾迪 管文軻 易秀 杜偉宏

摘要：針對(duì)塔里木河中下游地下水動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，有效利用網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，增加預(yù)報(bào)、預(yù)警功能及優(yōu)化供電系統(tǒng)。結(jié)果表明，在塔里木河中下游安裝設(shè)備，完成了遠(yuǎn)程傳輸及分析數(shù)據(jù)，以18 d實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，地下水位在3.462-3.617m波動(dòng)。以胡楊生長(zhǎng)的地下水位閾值為判斷依據(jù)，此位置地下水位位于0.50-4.71 m，未越過(guò)良好與脅迫生長(zhǎng)閾值，在胡楊長(zhǎng)勢(shì)良好范圍內(nèi)，即胡楊長(zhǎng)勢(shì)良好，不產(chǎn)生預(yù)報(bào)預(yù)警信息。該地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以用于塔里木河中下游地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。

關(guān)鍵詞：塔里木河;地下水位;監(jiān)測(cè)系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集;模塊

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（ 2020）12-0167-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.037

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

塔里木河（簡(jiǎn)稱塔河）流域作為中國(guó)西北內(nèi)陸灌溉規(guī)模最大的流域，也是支撐中國(guó)科學(xué)發(fā)展的重要能源、資源戰(zhàn)略后備基地，確保沿線林地生態(tài)健康是維持干流生態(tài)安全和保證區(qū)域內(nèi)綠洲可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。而在塔里木盆地嚴(yán)酷的自然環(huán)境中，以胡楊（Populus euphratica）為主體的荒漠河岸林維系著塔河流域綠洲生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整與穩(wěn)定…，因此對(duì)胡楊的保護(hù)刻不容緩，地下水作為胡楊生長(zhǎng)的主要決定條件被很多學(xué)者研究，尤其監(jiān)測(cè)方面引起高度關(guān)注。

現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了水資源監(jiān)測(cè)技術(shù)自動(dòng)化的發(fā)展[2]，國(guó)內(nèi)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷在自動(dòng)化方面取得成就，各類新型地下水監(jiān)測(cè)儀器涌現(xiàn)出來(lái)，野外地下水監(jiān)測(cè)工作發(fā)展為在線遠(yuǎn)程傳輸，極大地減輕了工作量，提高了工作效率[3]。目前，對(duì)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：地下水采集模塊研究、數(shù)據(jù)傳輸模塊研究、數(shù)據(jù)處理監(jiān)測(cè)中心模塊研究和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端模塊研究。系統(tǒng)工作流程基本為在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)中心站計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令通過(guò)GPRS上報(bào)所采集到的數(shù)據(jù)和相關(guān)設(shè)備參數(shù)，中心站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和記錄，再發(fā)送至檢測(cè)終端[4-10];但對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的使用度不高，如數(shù)據(jù)處理傳輸可以依靠互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái);一些基本問(wèn)題也并未深入研究，如系統(tǒng)供電、設(shè)備安裝和可靠性研究等;對(duì)數(shù)據(jù)利用程度較低，未達(dá)到可以預(yù)警預(yù)報(bào)的效果。

該地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)以上不足，免去了數(shù)據(jù)處理分析，直接由環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)分析;優(yōu)化供電系統(tǒng)，以較為容易獲取的太陽(yáng)能作為電能來(lái)源，采取雙電源供電;數(shù)據(jù)采集精度更高，且增加了預(yù)警預(yù)報(bào)功能，當(dāng)?shù)叵滤蛔兓_(dá)到預(yù)警范圍時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息。

1 地下水動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括投入式液位變送器、數(shù)據(jù)采集模塊、供電模塊等。投入式液位變送器采集地下水位變化信號(hào)，信號(hào)通過(guò)電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊中的GPRS流量模塊將信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)端環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)果用戶可在遠(yuǎn)端服務(wù)器登錄查看，同時(shí)會(huì)發(fā)送處理結(jié)果至預(yù)留手機(jī)號(hào)的移動(dòng)設(shè)備。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1。

1.1 GPRS投入式液位計(jì)

CPRS投入式液位計(jì)主要包括投入式液位變送器和數(shù)據(jù)采集模塊，其在地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中最主要的作用就是對(duì)水位的變化情況進(jìn)行檢測(cè)[11]，采集地下水位變化信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)精度和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作起重要作用。為了對(duì)塔里木河中下游地下水位準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，選取由山東奧博賽德自動(dòng)化科技有限公司出產(chǎn)的型號(hào)為ABSD-802-GPRS的GPRS投入式液位計(jì)，防水功能強(qiáng)，工作溫度范圍大（-40-80℃），采用12 V直流電供電，電量損耗低，適用野外地下水位監(jiān)測(cè)工作。

1.2數(shù)據(jù)傳輸與處理

數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)內(nèi)置CPRS流量模塊將數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，通信時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)到171.2 kb/s，實(shí)際傳輸速率也可達(dá)到40 kb/S[12]，滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。

環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)將得到的數(shù)據(jù)與地下水位閾值比較，將比對(duì)結(jié)果以短信形式發(fā)送至預(yù)留手機(jī)號(hào)移動(dòng)設(shè)備，或者客戶通過(guò)服務(wù)器登錄賬號(hào)，查看水位變化數(shù)值，以塔里木河地下水位對(duì)胡楊的生長(zhǎng)影響為例，地下水位變化對(duì)胡楊生長(zhǎng)具有重要影響，胡楊生長(zhǎng)的脅迫水位是4.71 m，臨界水位是8.62 m，即當(dāng)?shù)叵滤晃挥?.50-4.71 m范圍內(nèi)時(shí)，胡楊生長(zhǎng)狀態(tài)最好;當(dāng)?shù)叵滤坏牟▌?dòng)范圍在4.71-8.62 m時(shí)，胡楊生長(zhǎng)出現(xiàn)脅迫;當(dāng)?shù)叵滤幌陆党^(guò)8.62 m時(shí)，胡楊將會(huì)呈現(xiàn)出衰敗‘”]。胡楊生長(zhǎng)的地下水位閾值如表1所示。

1.3 供電系統(tǒng)

塔里木河中下游流域人跡罕至，地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備一般也建設(shè)在沙漠深處，因此野外交流電的獲取有困難，可以采取蓄電池交換使用代替交流電為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，且目前為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)備通常采用太陽(yáng)能供電[14]。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也采用太陽(yáng)能供電，一方面容易獲取，也免去了獲取交流電的大額費(fèi)用，供電系統(tǒng)包括兩個(gè)太陽(yáng)能電池板、兩個(gè)太陽(yáng)能電池板控制器、兩個(gè)蓄電池和一個(gè)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。一個(gè)太陽(yáng)能電池板與一個(gè)太陽(yáng)能電池板控制器連接，太陽(yáng)能電池板控制器電池接口與蓄電池連接，負(fù)載接口接人雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輸入端，并有相同一路組合接人雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輸入端，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輸出端接GPRS投入式液位計(jì)完成供電。太陽(yáng)能電池板在光照作用下，將產(chǎn)生的電能通過(guò)太陽(yáng)能電池板控制器傳輸至蓄電池，儲(chǔ)存在蓄電池中，上述太陽(yáng)能電池板控制器主要起到短路開(kāi)路保護(hù)、過(guò)充過(guò)放的保護(hù)作用（圖2）。

2 設(shè)備的安裝

地下水監(jiān)測(cè)儀器安裝主要包括地下水觀測(cè)井修建、GPRS投入式液位計(jì)和供電模塊安裝，地下水觀測(cè)井為GPRS投入式液位計(jì)提供安裝平臺(tái)，供電模塊為GPRS投入式液位計(jì)提供電能。

1）觀測(cè)井。國(guó)內(nèi)大部分的地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備使用或需要使用專用觀測(cè)井[15]，在現(xiàn)代化打井設(shè)備的輔助下，對(duì)井壁固化防水處理，既要保證井壁不坍塌，也要防止外界水進(jìn)入對(duì)地下水水位變化產(chǎn)生影響，造成數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)，觀測(cè)井底部需采取防止泥沙進(jìn)入的工程措施（多層土工布包裹），以免泥沙堵塞投入式液位變送器采集孔，且為保證地下水位實(shí)時(shí)變化，底部應(yīng)設(shè)置地下水滲流通道（均勻透水孔）。

2） CPRS投入式液位計(jì)的安裝。將投入式液位變送器投入觀測(cè)井中，觀測(cè)井頂端采取防水措施，避免外界水進(jìn)入對(duì)地下水水位變化產(chǎn)生干擾，數(shù)據(jù)采集模塊與供電模塊相連置于保護(hù)箱中，保護(hù)箱用不銹鋼材質(zhì)制作，底部設(shè)有電線孔和漏水孔，對(duì)GPRS投入式液位計(jì)和供電設(shè)備起到保護(hù)作用。

3）供電模塊的安裝。將兩個(gè)太陽(yáng)能電池板固定于不銹鋼架子上，面向正南方向，且與水平夾角保持45℃，便于更大程度接受光能，提高光能轉(zhuǎn)為電能的效率，轉(zhuǎn)化的電能通過(guò)太陽(yáng)能電池板控制器儲(chǔ)存在蓄電池中，蓄電池連接到雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輸入端，雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)輸出端接GPRS投入式液位計(jì)，完成系統(tǒng)供電。

3 設(shè)備的可靠性分析

塔里木河及周邊區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，置于野外的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面臨很大考驗(yàn)，為了確保得到地下水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)備的可靠性是研究的重要內(nèi)容。

1）設(shè)備的耐用性。長(zhǎng)期暴露在野外的設(shè)備經(jīng)常因晝夜和季節(jié)的變化，工作在高溫與低溫的轉(zhuǎn)化之中，對(duì)設(shè)備工作溫度區(qū)間有很高要求。在野外，設(shè)備也易受到化學(xué)腐蝕，設(shè)備材料的選取和保護(hù)措施顯得極其重要，設(shè)備材料的選取應(yīng)適合野外環(huán)境（耐腐蝕抗高溫），且對(duì)重要設(shè)備應(yīng)采取集中保護(hù)，如用不銹鋼密碼盒將其收納起來(lái)，防止日曬和雨水對(duì)儀器的危害。

2）設(shè)備的供電系統(tǒng)。目前，已有很多為野外設(shè)備供電的單路供電系統(tǒng)，即一個(gè)太陽(yáng)能電池板和一個(gè)蓄電池組合對(duì)設(shè)備供電，對(duì)供電系統(tǒng)加以改進(jìn)，采用雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)，由太陽(yáng)能電池板連接太陽(yáng)能電池板控制器再接蓄電池，并有相同組合的一路（太陽(yáng)能電池板連接太陽(yáng)能電池板控制器再接蓄電池）與其共同接人雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將一路接人數(shù)據(jù)采集設(shè)備，完成供電工作。當(dāng)一路蓄電池供電不足時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到另一路，完成持續(xù)供電，其中蓄電池選用12 V 80 A-h容量，即蓄電池在額定電壓情況下以1A電流進(jìn)行供電可以工作80 h，以保證設(shè)備供電系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3）設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速進(jìn)步，數(shù)據(jù)傳輸都采用無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸，地下水動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備也是如此，投入式液位變送器采集到的數(shù)據(jù)，由電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊中的GPRS無(wú)線傳輸模塊傳輸至遠(yuǎn)端環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。

4 實(shí)際應(yīng)用

在塔里木河中下游安裝地下水位監(jiān)測(cè)設(shè)備，客戶端服務(wù)器遠(yuǎn)程登錄環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，移動(dòng)設(shè)備接受預(yù)報(bào)預(yù)警信息。

實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為投入式液位變送器至地下水水面的距離，地下水位應(yīng)為地面至投入式液位變送器的距離減去實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算地下水位。如圖4以18 d實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，實(shí)際安裝中投入式液位變送器距地面3.73 m，計(jì)算得儀器安裝位置地下水位在3.462-3.617 m波動(dòng)。以胡楊生長(zhǎng)的地下水位閾值表為判斷依據(jù)，此位置地下水位位于0.50 - 4.71 m，未越過(guò)良好與脅迫生長(zhǎng)閾值，且在胡楊長(zhǎng)勢(shì)良好范圍內(nèi)，即胡楊長(zhǎng)勢(shì)良好，不產(chǎn)生預(yù)報(bào)預(yù)警信息。該區(qū)域胡楊長(zhǎng)勢(shì)良好，且有較多新生苗萌發(fā)，與數(shù)據(jù)判斷相符。

5 小結(jié)與討論

為了深入研究塔里木河中下游地下水動(dòng)態(tài)變化，本研究采用GPRS投入式液位計(jì)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，供電采用雙路自動(dòng)切換供電系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)測(cè)云平臺(tái)處理數(shù)據(jù)，以短信形式發(fā)送至預(yù)留號(hào)碼的移動(dòng)設(shè)備，發(fā)送時(shí)間間隔用戶可依據(jù)需求設(shè)定，用戶也可登錄賬號(hào)，在遠(yuǎn)端服務(wù)器中查看，預(yù)報(bào)預(yù)警也是以短信方式發(fā)送至移動(dòng)設(shè)備，當(dāng)?shù)叵滤蛔兓_(dá)到預(yù)警范圍時(shí)，會(huì)以不同的短信內(nèi)容預(yù)警地下水當(dāng)前狀況;最后模擬觀測(cè)井，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行做檢測(cè)，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，且數(shù)據(jù)精度高，免去了數(shù)據(jù)的采集和分析，為地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供方便。

地下水位監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，獲取大量數(shù)據(jù)，加以正確處理分析，才能對(duì)實(shí)際應(yīng)用有所幫助，因此地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是重要挑戰(zhàn)，需要投入更多的時(shí)間做穩(wěn)定研究，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，且將監(jiān)測(cè)工作有效與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，做到穩(wěn)定、省時(shí)、省力和高效監(jiān)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)變化。

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基金項(xiàng)目：塔里木河中下游胡楊生態(tài)修復(fù)研究與示范項(xiàng)目（2017-HY）

作者簡(jiǎn)介：楊磊（1995-），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生，研究方向?yàn)樗帘３盅芯浚娫挘?8706706064（電子信箱）1847587673@qq.com;通信作者，霍艾迪（1971-），男，陜西渭南人，博士，教授，研究方向?yàn)樗帘３峙c荒漠化研究，（電話）15829799036（電子信箱）huoaidi@163.com。