梧州-肇慶試驗區地下水在線遠程監測系統設計

田斌 楊澤遠 王威 劉暢

摘 要：針對珠江-西江經濟帶，梧州-肇慶流域的水域地質環境及地下水監測野外工作現狀，研制一套環境適應性強的地下水動態在線監測系統。系統主要由監測傳感器裝置、遠程數據傳輸裝置及終端平臺組成。地下水監測系統中的供電部分采用太陽能發電方式，解決了偏遠地區取電困難的問題，實現自動化、智能化供電。監測數據采用GPRS傳輸方式，將采集到的數據傳到監測平臺。野外試驗表明系統運行狀況良好，實現了自動化采集及遠程傳輸，提高了工作效率。

關鍵詞：數據傳輸;傳感器;自動化采集;地下水監測系統

DOI：10. 11907/rjdk. 182481 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：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

基金項目：湖北省自然科學基金項目（2016CFC758）;武漢工程大學研究生教育創新基金項目（CX2017059）

作者簡介：田斌（1975-），男，博士，武漢工程大學湖北省視頻圖像與高清投影工程技術研究中心、國家磷資源開發利用工程技術研究中心副教授，研究方向為地下水資源計算與評價。

0 引言

地下水因水質良好、水量穩定、開采便利，是城市用水、農業灌溉、工礦用水的優質供水水源[1]。隨著經濟的發展，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，導致地下水水位持續下降，水質惡化，地下水資源受到破壞[2-3]。

隨著環境保護意識的提高，地下水水質監測與研究得到重視，在線地下水監測系統因其方便應用、節省資源、數據實時采集上傳等優點，在地下水環保工作中發揮著越來越重要的作用[4-5]。

美國和荷蘭是地下水監測系統較為發達的國家，美國的地下水監測由內政部直屬的地質調查局負責，大約建有16 000個地下水長期監測點[6]，約330km2有一個監測點[7-9]。荷蘭對地下水的監測管理則由各省負責，而信息管理則由TNO應用地學研究所負責[10]，荷蘭在很早之前就建立了全國的地下水自動監測網。

目前我國地下水監測系統研究遠落后于發達國家，部分地區的監測還需要人工定期采樣[11-12]。隨著綠色可持續發展理念的普及，國家對自動化信息化的地下水監測也越來越重視。2017-2018年一年間，我國完成新建自動化地下水監測站點7 313個，老舊站點改造2 602個[13-15]。經過多年努力，我國地下水監測工程取得重大進展，90%以上的地下水監測站點建設完成[16-17]。基于網絡的信息儲存、發布、共享系統目前處于起步探索階段，該系統結構簡單、穩定性好、易于維護、安裝簡便。在設計數據庫時留有可隨意擴充的字段，擴展性強，針對不同監測需求能及時進行調整，對被測參數進行擴充，升級監測系統更加方便。

1 系統概述

地下水在線監測系統，通過監測設備采集監測點的水溫、水位、PH值、溶解氧等水文相關數值，并實時傳遞給服務器，讓監測人員在任何地方都能了解監測點最新數據。通過這些數據不僅能夠了解區域內環境狀況，還能對區域未來環境狀況作出預測，對未來的經濟開發、農業灌溉或環境保護作出合理規劃[17-19]。

地下水在線監測系統設計原則如下：

（1）穩定性。由于地下水監測系統是全天候工作，而且大多數監測點地處偏遠地區，存在環境惡劣、維護及供電困難等問題，所以地下水監測系統要求具有良好的穩定性，能夠應對連續惡劣天氣。

（2）實時性。系統要能實時采集傳輸處理可靠數據，使管理者及時了解地下水狀況，對各種突發狀況采取有效措施，便于管理者決策。

（3）可擴展性。地下水監測技術發展很快，監測系統要不斷更新，同時，不同地區所需監測量不同，同一地區隨著環境變化所需要監測的參數也會改變，所以，不論是硬件還是軟件，系統都需要一定的可擴展性，以方便根據監測需求增加相應功能。

（4）操作簡便性。在系統開發過程中需要從用戶角度設計簡單方便的操作系統。

2 系統設計

地下水在線監測系統由前端監測主機、監測平臺等部分組成。前端主機根據需要采集水文資料，通過GPRS模塊將數據發送到服務器保存，不同的監測點GPRS所使用的SIM卡不同，在監測平臺設置好編號后用來區分各個監測點，服務器接收發回的數據后儲存在監測系統數據庫中，在線監測平臺調用服務器中的數據，通過網頁將數據呈現。

2.1 監測設備主機

系統采用太陽能供電的上位機，集成傳感器采集模塊和GPRS數據傳輸模塊進行數據采集與傳輸。因為監測點大都地處偏遠無電地區，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和監測點地理位置影響很大，經過測試最終選用100W、12V的單晶硅太陽能電池板和36AH的蓄電池進行觀測站點循環供電，保證監測設備持續運行。

圖1 系統結構

根據梧州-肇慶試驗區地下水監測需求，對地下水水位、水溫、PH值、溶氧度以及監測點雨量等5個參數進行監測。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數據進行測量。

2.2 在線監測平臺

系統采用B/S（Browser/Server）架構，也就是瀏覽器/服務器模式，用戶不需要安裝專門的客戶端，只需在服務器上安裝postgreSQL數據庫即可通過瀏覽器訪問監測平臺，大大減輕了機器負擔，技術維護人員也可把精力放在服務器程序的維護更新上。

在線監測平臺網頁集監測、報警于一體，支持局域網和廣域網，用戶通過網頁界面完成相關功能操作，可以在線查詢、插入和修改數據庫中的相關數據。系統采用GIS圖集和傳統數據格式相結合的展現方式，將各個設備的分布點顯示在地圖上，每個點都有相應的數據信息，點擊分布點就可顯示該監測點的實際數據，方便用戶查看、操作。

2.2.1 在線監測網站功能

監測網站的功能設計是軟件開發非常重要的一步，結合用戶使用習慣設計出合理的網站功能結構如圖2所示。

圖2 水功能管理模塊

地下水監測系統功能分支較多，若全部關聯在一起則較為復雜，所以將眾多功能分開實現，既便于系統維護，又使界面簡單明了，方便用戶使用。系統分為水質監測管理、水質監測與統計、后臺管理等功能，其下又分為詳細的基礎功能。

水質監測管理由自動工作站、監測點報警、地下水監測等基礎功能組成。自動工作站實時記錄所有監測點的總雨量、實時雨量、PH值、水位、溶解氧、水溫等數據，將數據按照測量時間倒序排列，用戶可選擇時間段查詢所需數據信息，選擇詳細信息后對所選信息進行修改和刪除，可以Excel格式將所選信息下載到本地。監測點報警模塊提前在數據庫中設置警報閾值，當系統運行故障或所監測數據異常，在閾值范圍外時，監測點報警記錄異常數據，并發出警報以便采取相應的解決方案。

水質監測與統計主要是對監測數據進行查詢，顯示從系統啟動時至當前時間的全部數據報表，可通過選擇時間、數據類型、測量值范圍對監測數據進行精確查詢，可將這些數據以Excel格式導出。圖形報表則是將監測數據以圖形的形式展現出來，使用者能更加直觀地了解監測點水質情況和變化趨勢。

基礎數據維護可對監測點信息、廠商信息、報表信息、設備字段名、報警等級數據等進行增加、修改、刪除操作。

后臺管理模塊對用戶信息及用戶權限進行管理，對系統進行維護，主頁還能設置新聞信息。

2.2.2 數據庫設計

數據庫設計的好壞直接關系到系統運行是否穩定以及后期維護是否方便，所以要根據用戶要求建立合理的數據庫，同時還要考慮后期的擴展維護問題。根據采集數據類型、采集設備和采集時間記錄歷史數據，如表1所示。

表1 歷史數據

為使用戶及時了解監測數據的異常，建立字段報警表格如表2所示。

表2 字段報警

3 結語

本文設計的地下水監測系統在珠江-西江流域實驗地區進行了長時間測試和多次反復調試，積累了大量運行經驗，解決了監測儀器設備供電不足、通訊中斷、功耗過高等問題，完善了系統的準確性和穩定性，實現了地下水監測數據的實時動態遠程傳輸。該系統在連續多日無陽光照射及陰雨天氣狀態下運行正常，特別是經受了封開二月份月平均日照時間僅有67.9小時的考驗，達到在任何地方都可通過互聯網遠程訪問地下水資源監測設備，進行遠程管理、查看實時數據的設計要求，進一步驗證了本系統的可靠性。

由于監測點復雜的地質環境和人類活動對地下水水質的巨大影響，水質變化對PH傳感器等設備有一定影響，所以要針對不同監測點的水質狀況調整PH傳感器養護方案。

參考文獻：

[1] 李禎. 水文工程地質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. 國家地下水監測管理及站網現狀分析[J]. 科學技術創新， 2017（35）：132-133.

[3] 林錦，李偉，韓江波. 全國地下水開發利用動態評估研究工作總體構想[J]. 中國水利， 2018（13）：59-64.

[4] 嚴宇紅，周政輝. 國家地下水監測工程站網布設成果綜述[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在線監測系統設計與應用[J]. 長江科學院院報， 2018， 35（1）：147-150.

[6] 梁遠. 基于MVC的地下水監測系統的研究[D].淮南： 安徽理工大學， 2017.

[7] 趙小強， 馮勛. 基于ZigBee的水質pH值在線監測系統[J]. 西安郵電大學學報， 2014， 19（6）：71-75.

[8] 張江江. 地下水污染源解析的貝葉斯監測設計與參數反演方法[D].杭州： 浙江大學，2017.

[9] 林茂，蘇婧，孫源媛，等. 基于脆弱性的地下水污染監測網多目標優化方法[J]. 環境科學研究，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物的垂直分布特征及成因[J]. 環境科學，2016，37（10）：3813-3820.

[13] 劉金波，孫威，劉豐敏，等. 地下水對地基基礎工程的危害及事故預防[J]. 施工技術，2017，46（3）：122-127.

[14] 張春鵬. 井水流量動態的分析研究[D]. 北京：中國地質大學（北京），2018.

[15] 李華，文章，謝先軍，等. 貴陽市三橋地區巖溶地下水水化學特征及其演化規律[J]. 地球科學，2017，42（5）：804-812.

[16] 胡玉祿. 山東省三級地下水監測站網建設思考[J]. 山東國土資源，2016，32（12）：62-64.

[17] 范宏喜. 開啟地下水監測新紀元——聚焦國家地下水監測工程建設[J]. 水文地質工程，2015（2）：161-162.

[18] 鐘華平，畢守海，齊兵強. 嚴格地下水資源管理的總體架構探討[J]. 中國水利，2014（3）：36-38.

[19] 徐月明. 水文地質勘察中地下水的問題及對策[J]. 城市建設理論研究：電子版，2015（18）：89-92.

（責任編輯：杜能鋼）