青島市大沽河地下水文監測系統設計

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，北部為山區和淺山丘陵區，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70年代中期，大沽河水源地開始開展地下水監測工作，當時多借用農用大口井觀測，普遍采用測繩、皮尺加吊錘等傳統監測手段，數據誤差大。

鑒于大沽河地下水水文監測設施存在上述諸多問題，加大監測設施密度和對老設施進行改造是非常必要的，而自動監測系統的實施，不僅能解決現有觀測系統數據的可靠性和數據傳輸的時效性問題，還可大大提高地下水管理及監測的現代化水平。

地下水文監測系統包含：水位監測與傳輸系統和信息中心兩部分。水位監測與傳輸系統主要由監測井、壓力式水位計、數據采集遠程測控終端組成。系統自動采集地下水水位等信息，并自動傳輸到信息中心。信息中心對獲得的數據進行分析整理、入庫并輸出結果。

1 水位監測與傳輸系統設計

1.1 地下水觀測井建設

根據中華人民共和國水利行業標準 《地下水監測站建設技術規范》，大沽河水源地地下水監測井建設遵循以下要求：

觀測井深約在7.0～15.0m，井開孔至終孔直徑為450～500mm，井管采用內徑 200mm、耐壓強度為 4～6大氣壓的PVC管材，開孔率 10%～15%，圓孔直徑 8～14mm，濾網為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，監測井施工結束后測量其固定點及附近地面高程。

成井工藝流程：鉆機安裝定孔位→ 鉆進清孔→下放井管填礫石濾料→洗井→抽水實驗→井口安裝。

1.2 壓力式水位計原理及優勢

壓力式水位計是根據壓力與水深成正比關系的靜水壓力原理，運用壓敏元件作傳感器的水位計。當傳感器固定在水下某一測點時，該測點以上水柱壓力高度加上該點高程，即可間接地測出水位。其工作優勢有以下幾點：

1）輸出信號穩定、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，信號輸出比同類產品穩定，線形優良。

2）變送器精度高。由于壓力式水位計的變送器在芯體上對壓力的感受、敏感轉換和監測三部分由一個元件來實現，沒有中間轉換環節，所以重復性和延遲等誤差都極小，綜合靜態精度相對較高。

3）產品耐用性能高。由于壓力式水位計傳感器工作時形變為亞微米數量級，因而無磨損、無疲勞、無老化、壽命長，可達107壓力循環次。

4）壓力式水位計具有低電流、低電壓、低功耗的特點。

5）安裝便捷。采用直接投入式安裝，設備在投入后可直接測試數據。

1.3 數據采集測控終端配置及特點

數據采集測控終端采用超低功耗高性能的嵌入式處理器，與公共網通訊處理器采用西門子產品。2×3.6V一次性鋰電池供電，可以選配，電池壽命1～5年左右，內嵌看門狗，不死機，掉線自動恢復，標準工業接線端子，RS485接口，液晶顯示屏，大容量用戶數據緩存區，支持大數據量傳輸，標準工業模塊和安裝附件，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，短信數據傳輸方式，GPRS遠程在線設置和短信息遠程設置功能。

1.4 安全問題

大沽河水源保護區，位于大沽河兩岸的農田中，遠離村莊、城鎮，對其水資源進行遠程監控，需要解決的問題有如下幾項：

1）電源問題。所采集的水源參數變化緩慢數據采集遠程監控終端產品為微功耗產品，如一天采集一次數據，則只需一年更換一次電池，方便實用。同時數據采集遠程監控終端產品體積較小，可方便的進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。由于水源監測點數據采集遠程監控終端系統是長期不間斷工作在惡劣的野外條件下，同時電子產品又要求工作在干燥的環境中，因此在本方案中為數據采集遠程監控終端產品設計了黑匣子裝置，達到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，具有較小的經濟價值，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。電子設備損壞大多來自于感應雷，而少部分來自直擊雷。本方案通過設置針形避雷的形式來防直擊雷；通過在設備電線上安裝避雷器的形式來防感應雷。但不管如何防雷，可靠的接地是最為關鍵的一環。在本系統中，接地系統接地電阻應不大于1Ω，方能滿足避雷要求。

2 信息中心設計

2.1 軟件功能

系統以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數據庫來處理數據信息，該數據庫具有極好的可用性、可擴展性、數據安全性以及穩定性，可實現數據存儲透明。

系統同時使用Tomcat接收BTU所傳輸的地下水信息，相比普遍采用的軟件如組態王等，能同時正確接收較多的數據而不產生數據的沖突與丟失，保證了數據的正確性與完整性。

2.2 軟件特點與構架

軟件開發工具用Java Studio Enterprise 8.1；信息發布工具用WebLogic 9；數據庫用 Oracle10g；操作系統用Windows Server 2003。

軟件系統遵循開放標準XML技術，實現未來整個系統的無縫集成和數據共享，因為所用的平臺和開發工具都是基于XML文件標準格式，J2EE標準保證了本系統可以跨平臺運行，不管系統多么離散，都可以在XML和WEB SERVICES的標準體系下實現集成。

簡單來說，就是每個不同的子系統都對外提供訪問接口，凡是授權的用戶（指其他應用系統）都可以訪問提供的接口，然后用一個統一的應用層平臺來訪問許多不同的子系統，以達到全部數據的共享。

1）主站系統通訊服務器采用TCP/IP數據加密通信，即應用https協議。軟件采用多線程并發的TCP/IP通信機制，服務器端采用多線程Servlet技術，保證多個測量點數據的同時接收和處理。

2）主站系統軟件采用 B/S架構，WEB發布使用Web Services技術，客戶權限分級管理，實現和上級MIS的跨平臺數據交換。

3）監測數據能夠真實準確地傳輸到數據庫中，名稱、類型和精度按照部頒標準存儲，數據關系實現數據庫規范的第三范式（保證數據冗余度最低）。

4）數據庫采用Oracle數據庫，Oracle數據庫是當今最卓越的數據管理平臺，其處理并發事件的能力強大，保證數據不丟失，響應速度快。

5）客戶端瀏覽軟件主要是Microsoft公司的Internet Explorer，由于服務器端跨平臺的特性，客戶端也可兼容眾多的瀏覽器類型，只要是支持HTTP標準協議。

6）通訊服務器采用組態技術，能將全部遠程測量點的數據實時準確地傳輸到數據庫服務器。

3 系統功能及應用

3.1 系統功能

軟件系統主要分為以下10個功能模塊。

1）數據采集。運行于服務端的接收部分，負責所有站點數據的接收、分析與存儲。系統接收到下位監測點發上來的數據并經過對數據的合理性驗證后進行數據解析、糾錯處理并分別存入數據庫的相關表中。

2）設備維護。設備維護部分指通過GPRS可以對設備進行遠程的參數設置維護工作，工作人員可以設置所有監測點的上傳間隔、校地時間、報警界限、差值上報等功能進行設置。

3）電子地圖。電子地圖上可顯示大沽河水源地地下水監測網所有的50個地下水位點的分布位置，并在圖上顯示當前各個水位點的站點名稱、上報時間、埋深等數據信息，可以對電子地圖進行放大、縮小、漫游及全屏顯示、分層顯示等操作。

4）數據查詢。可以對所有監測點的實時數據、原始數據、歷史數據等進行單點某時間、單點時間段、單點全部數據、多點某時間、多點時間段、多點全部數據、分行政區等查詢。

5）數據分析。可以對所有監測點進行月度數據分析和年度數據分析，可以對全部監測點進行綜合分析，也可以分行政區進行數據分析。

6）資料整編。對各監測點的觀測井資料、數據資料分年度或月度進行資料的整理。

7）圖形分析。可以對所有觀測點進行等值線、等面線及趨勢線等圖形分析。

8）打印輸出。系統所設計到的報表圖表等內容都可以進行打印及輸出到EXCEL文檔中。

9）系統管理。包括監測點的資料管理、用戶管理、及系統的操作項管理等內容。

10）數據維護。可以查詢沒有上傳數據的點并對該點進行數據補充，可以對歷史數據進行修改或刪除操作，可以對數據庫進行備份中恢復操作。

3.2 系統應用情況

地下水現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測中心和青島市水資源實時監測。

現場測控終端可實現自動采集、固態存儲和自動傳輸，現場測控終端每天8時、20時采集兩次數據，并于每天的8時將采集的數據自動傳輸到青島市地下水監測中心和青島市水資源監控調度中心。

地下水監測軟件目前實現了監測信息查詢、數據統計分析、基礎信息維護和系統管理四大功能。

通過監測信息查詢功能可方便的查詢水井的信息，能夠實現水位數據查詢、水位柱狀圖、水位曲線圖、電池電壓報表、綜合報表查詢等功能。