新疆地下水監測網絡信息系統建設分析

古麗婭爾·穆合塔爾

（新疆維吾爾自治區水文局信息中心，新疆 烏魯木齊 830000）

實時掌握地下水動態變化特征以及制定合理開發利用和有效保護措施需要依靠縝密的地下水監測工作來實現，同時地下水監測數據可以為地質災害防治和生態環境保護等提供科學支持和技術保障。近年來自治區高度重視地下水的開發利用工作，開發力度不斷加強。由于沒有統一標準的監測站網，無法滿足地下水資源利用與管理工作的需要。開展地下水監測規劃工作十分必要和迫切。

1 項目背景

新疆維吾爾自治區位于祖國西北邊陲，屬于干旱半干旱地區，地下水資源在國民經濟發展中有舉足輕重的作用。全新疆配套機電井約6 萬眼。據《2009 年新疆維吾爾自治區水資源公報》，在2009 年全疆地下水開采量為89.96 億m3。全疆地下水開發情況見表1。

表1 全疆地下水開發情況

新疆原有監測站井312 眼，監測站網缺少統一規劃，沒有專業的監測井，絕大多數監測井還是人工監測，監測數據時效性差，很難保證監測精度且運行費用高。針對全疆目前地下水監測存在的突出問題，2013 年年底改造完成430 眼監測井（改造原有的312 眼監測井，新建118 眼監測井）。

2 地下水信息網絡監測系統建設

新疆省級地下水網絡監測信息系統的的建設依托于新疆2013 年年底累計改造建設完成的430 眼監測站井。監測的手段是通過430 個遙測站的有關水位和水溫度、電導率的監測采集和實時傳輸，建立新疆地下水水位監測和水質的自動監測遙測系統;建設自治區水文局地下水信息傳輸及運行維護中心。

監測信息系統建設按照統一的標準，在全省建立集地下水監測信息采集、傳輸、管理、分析、共享為一體的網絡化工作平臺。根據功能分為自動監測系統、數據處理系統、信息服務系統。

2.1 自動監測采集系統

監測系統建設內容包括信息采集設備及監測站點至各級地下水信息站或監測中心的網絡通道。在遙測終端機的控制下，按要求自動完成被測參數的采集，將取得的數據預處理后存入遙測數據采集終端機的存貯器，并通過GPRS 通信方式完成定時向水文局地下水監測中心站的數據傳輸工作。固態存貯器在數據存貯容量用完之后，應能保持數據的持續自動更新，即從最早的數據開始自動覆蓋，更新為新數據。每個遙測站RTU 配置4Mb 固態非易失存儲模塊。

2.1.1 監測站點結構

針對本項目，水位測量誤差在10 m 水位變幅內部大于±0.02 m；超過10 m 水位變幅時，不大于±2‰水位變幅，監測站點采用壓力式水位傳感器測量地下水，設備主要包括：遙測數據采集終端（RTU）、壓力式水位計、通信設備（GPRS 模塊并具有SMS 功能）、供電系統（太陽能供電系統）、防雷接地設備等組成站點組成結構圖見圖1。

圖1 自動監測站點組成結構圖

2.1.2 設備參數

壓力式水位計參數：水深量程為0～30 m、0～100 m；水位傳感器為壓阻式硅傳感器；精度為±0.05%全量程；分辨率為24 bit；溫度補償為自動溫度補償；溫度補償范圍為0～50℃；溫度傳感器為電阻式；精度為±0.05℃；分辨率為0.003℃；時鐘精度為±1 分鐘/年；工作溫度為-20～+80℃；數據存儲至少存儲40000 次水位和溫度或120000 線性壓縮數據；內存為高可靠只讀存儲器；通訊為光學紅外接口、RS232、USB、SDI-12 可選；耐腐蝕性為鈦金屬涂層，高防腐；采樣方式為用戶自定義、線性和基于事件；采樣頻率為0.125 秒/次～99小時/次。

遙測終端RTU 參數：輸入電壓采用直流12 V 供電；值守電流小于2.5 mA；工作溫度為-20℃～60℃；工作濕度＜95%；平均無故障時間，MTBF 應不小于20000 小時；數據存儲容量，固態存儲器的存儲容量為4 MB，可存儲1 年以上的數據；防雷保護，通信接口采用3 級防雷保護；電源、開關量和模擬量接口采用2 級防雷保護。

2.2 數據通信方式

考慮到地理環境和天氣條件的限制，以CDMA、GSM/GPRS網絡為基礎形成的數據服務，組網方便,對應用所需的額外設備要求不高，投資和運行費用低，并且數據傳輸準確，安全可靠性高，時效性和帶寬基本滿足大部分業務的信息傳輸要求，因此采用GPRS/CDMA 無線傳輸通訊方式。

在本系統中，地下水自動監測站需要同時向各地區信息站和自治區地下水監測中心同時發送水位、水溫實時數據，即建立以各地區信息站、自治區地下水監測中心為信息采集中心的星形結構即可滿足要求，其結構見圖2。

圖2 星型結構圖

2.3 數據處理系統設計

采用前置機全天候從GPS、CDMA 信道中實時接收所管轄自動水位站的水位、水溫等檢測信息；水質信息的采集通過定期的人工采樣實驗室分析后，由具有特定權限管理人員通過電信網絡人工輸入到系統中；將數據進行入庫存儲。針對水文自動測報系統數據傳輸的特點，為了保證系統的兼容性和一致性，本系統采用統一的數據格式。按照規定的數據格式，中心站通過GSM/GPRS 等信道接收短信和GPRS 傳過來的數據，并進行遠程維護設置等命令下發，保證系統正常運行。其幀格式定義見表2。

表2 幀格式定義

2.3.1 數據處理軟件

采用J2EE 技術架構，涉及大量數據吞吐和頻繁數據交換的模型計算模塊部署成B/S 方式。數據接收處理軟件負責將前端監測站傳回來的數據進行解碼、糾錯和甄別后，歸入地下水監測數據庫，并可通過信息服務軟件進行數據的分析、查詢和展示，并可按照用戶的實際要求，形成相應的統計圖表，滿足地下水業務管理的需要，見圖3。

圖3 數據接收處理軟件工作流程圖

2.3.2 設備技術參數

為了確保本系統在未來五年的技術領先，最大限度的保證系統良好的更新升級、擴展能力。采用最新32 位內嵌式微處理器，處理速度210 MIPS,最高可達533 MIPS，完全具備行業技術發展應用的前瞻性。

標配內存8M SDRAM，可擴展至32 M；8 路獨立可編程RS-232 控制DB9 公型接口，可以雙向收發RS232、RS485、RS422 格式數據；8 路獨立可編程IR 紅外發射鳳凰插口；8 路數字I/0 輸入輸出控制口，帶保護電路，支持0～5V 數字輸入信號；8 路弱電繼電器控制接口，額定1A/5V 數字輸入信號；支持3 路CRE-NET 控制總線，可任意并聯擴展至256 個控制模塊；內嵌智能紅外學習功能模塊，無須配置專業學習器；2U 高度，19 英寸標準機箱外殼,電子元器件采用SMT 貼片式生產工藝。

2.4 信息服務系統設計

信息服務系統采用B/S 標準三層結構，通過瀏覽器在不同客戶端進行查詢。WEB 服務器通過防火墻接入Internet 網，地下水管理人員就可以通過Internet 在任何一個地點進行查詢。

2.4.1 基礎信息查詢

地下水監測工作需要大量的基礎信息支持，基礎信息查詢模塊，實現能隨時向地下水管理部門提供各類基礎信息，實現對地下水管理工作的基礎信息支持。

基礎信息查詢分為信息查詢服務和信息維護管理兩部分。信息查詢服務主要完成基礎信息的檢索、查詢、統計和分析任務；信息維護管理主要實現信息的維護管理，保障系統數據的不斷更新。

2.4.2 監測信息服務

監測信息服務主要利用遠程監控設備和無線傳輸網絡將前端測站的各類監測信息進行分類存儲，并以多媒體和直觀的專業圖表方式展示給用戶地下水的發展形勢。按照數據的時間不同，又可分為實時數據和歷史數據。

（1）實時水位、水溫動態監測

通過預設的固定時間長度，實時監測各個站點的站點編號、水位值、水溫值以及變化趨勢等信息，并可按照需要以表格或直接在電子地圖上顯示。

（2）GIS 綜合查詢

結合電子地圖的強大功能，綜合查詢、統計、展示水位信息。

（3）任意時段水位過程線

按照給定的任意時段，繪制各站點的水位過程線（含歷史最高水位、正常水位、歷史最低水位及相應提示信息和當前水位值信息，并提供打印輸出功能。

（4）地下水埋深等值線面

可根據地下水位埋深數據繪制各地區以及下轄7 個區縣的地下水埋深等值線面圖，并提供打印輸出功能。

（5）任意時段水位報表

提供各測站任意時段水位報表的查詢和打印功能，以站點名稱、上報時間、上報數值的形式展現，可提供導出Excel 和Word 兩種功能。

（6）日水位報表

提供各測站日水位報表的查詢和打印功能，按給定的時間段，以站點名稱、時間、水位的形式展現水位的過程，提供導出Excel 及 Word 的功能。

2.5 信息系統能力建設

在充分利用各地區已有信息系統的基礎上，結合自治區地下水管理監測機構設置和運行模式的特點，開展相應的信息系統能力建設。其主要建設內容包括各地區地下水監測信息站計算機網絡系統建設。各地區信息站擬建設在各地區水利局辦公樓內，主要負責接收和匯總本地區范圍內的各自動監測站采集的地下水水位、水溫、水質實時數據，同時構建各地區地下水監測軟件系統所需的網絡、硬件和基礎軟件環境，從而保證整個系統的穩定、高效的運行。各地區信息站計算機網絡系統采用以太網交換技術，拓撲結構采用星形結構，網絡協議為TCP/IP協議。

2.6 地下水監測系統建設完成效應

所有監測站點統一規劃，監測井產權歸各地區地下水監測部門，由專業人員統一維護，保證了監測資料的連續性和系列性，大幅度提升監測資料的使用價值。全部監測數據通過信息系統最終匯總至自治區水文局地下水監測中心，保證了數據的實效性和有效性。避免監測過程出現缺報問題，保證了監測質量。

3 結語

新疆地下水監測信息系統全面建設完善后：自治區地下水中心可以依據信息系統，實時整合各個地下水信息站上傳的監測數據和省級重點站每日傳送的監測信息實現地下水監測信息共享。從而保證了新疆維吾爾族自治區地下水的合理開發利用，同時為地質災害防治和生態環境保護等提供科學支持和技術保障。