塔里木河中下游地下水動態在線監測系統的設計與應用

楊磊 霍艾迪 管文軻 易秀 杜偉宏

摘要：針對塔里木河中下游地下水動態在線監測現狀，有效利用網絡簡化數據，增加預報、預警功能及優化供電系統。結果表明，在塔里木河中下游安裝設備，完成了遠程傳輸及分析數據，以18 d實時監測數據為依據，地下水位在3.462-3.617m波動。以胡楊生長的地下水位閾值為判斷依據，此位置地下水位位于0.50-4.71 m，未越過良好與脅迫生長閾值，在胡楊長勢良好范圍內，即胡楊長勢良好，不產生預報預警信息。該地下水監測系統可以用于塔里木河中下游地下水位動態監測工作。

關鍵詞：塔里木河;地下水位;監測系統;數據采集;模塊

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020）12-0167-04

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

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

塔里木河（簡稱塔河）流域作為中國西北內陸灌溉規模最大的流域，也是支撐中國科學發展的重要能源、資源戰略后備基地，確保沿線林地生態健康是維持干流生態安全和保證區域內綠洲可持續發展的基礎。而在塔里木盆地嚴酷的自然環境中，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系統的結構完整與穩定…，因此對胡楊的保護刻不容緩，地下水作為胡楊生長的主要決定條件被很多學者研究，尤其監測方面引起高度關注。

現代電子技術、傳感技術、通信技術和計算機技術的迅速發展，促進了水資源監測技術自動化的發展[2]，國內地下水監測系統不斷在自動化方面取得成就，各類新型地下水監測儀器涌現出來，野外地下水監測工作發展為在線遠程傳輸，極大地減輕了工作量，提高了工作效率[3]。目前，對地下水監測系統的研究主要體現在4個方面：地下水采集模塊研究、數據傳輸模塊研究、數據處理監測中心模塊研究和遠程監測終端模塊研究。系統工作流程基本為在系統中數據采集儀進行數據采集，然后根據中心站計算機發出的指令通過GPRS上報所采集到的數據和相關設備參數，中心站計算機系統將接收到的數據進行處理和記錄，再發送至檢測終端[4-10];但對互聯網的使用度不高，如數據處理傳輸可以依靠互聯網平臺;一些基本問題也并未深入研究，如系統供電、設備安裝和可靠性研究等;對數據利用程度較低，未達到可以預警預報的效果。

該地下水監測系統針對以上不足，免去了數據處理分析，直接由環境監測云平臺分析;優化供電系統，以較為容易獲取的太陽能作為電能來源，采取雙電源供電;數據采集精度更高，且增加了預警預報功能，當地下水位變化達到預警范圍時，環境監測云平臺自動發送報警信息。

1 地下水動態實時監測系統設計

系統主要包括投入式液位變送器、數據采集模塊、供電模塊等。投入式液位變送器采集地下水位變化信號，信號通過電纜傳輸至數據采集模塊，數據采集模塊中的GPRS流量模塊將信號發送至遠端環境監測云平臺，環境監測云平臺對數據分析處理，結果用戶可在遠端服務器登錄查看，同時會發送處理結果至預留手機號的移動設備。系統整體結構如圖1。

1.1 GPRS投入式液位計

CPRS投入式液位計主要包括投入式液位變送器和數據采集模塊，其在地下水位動態監測過程中最主要的作用就是對水位的變化情況進行檢測[11]，采集地下水位變化信號，對數據精度和整個系統運作起重要作用。為了對塔里木河中下游地下水位準確監測，選取由山東奧博賽德自動化科技有限公司出產的型號為ABSD-802-GPRS的GPRS投入式液位計，防水功能強，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測工作。

1.2數據傳輸與處理

數據采集模塊通過內置CPRS流量模塊將數據傳輸至環境監測云平臺，通信時數據傳輸速率最高可達到171.2 kb/s，實際傳輸速率也可達到40 kb/S[12]，滿足數據傳輸需求。

環境監測云平臺將得到的數據與地下水位閾值比較，將比對結果以短信形式發送至預留手機號移動設備，或者客戶通過服務器登錄賬號，查看水位變化數值，以塔里木河地下水位對胡楊的生長影響為例，地下水位變化對胡楊生長具有重要影響，胡楊生長的脅迫水位是4.71 m，臨界水位是8.62 m，即當地下水位位于0.50-4.71 m范圍內時，胡楊生長狀態最好;當地下水位的波動范圍在4.71-8.62 m時，胡楊生長出現脅迫;當地下水位下降超過8.62 m時，胡楊將會呈現出衰敗‘”]。胡楊生長的地下水位閾值如表1所示。

1.3 供電系統

塔里木河中下游流域人跡罕至，地下水監測設備一般也建設在沙漠深處，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測系統供電，且目前為了保證數據的連續性，水位監測點的設備通常采用太陽能供電[14]。該監測系統也采用太陽能供電，一方面容易獲取，也免去了獲取交流電的大額費用，供電系統包括兩個太陽能電池板、兩個太陽能電池板控制器、兩個蓄電池和一個雙電源自動轉換開關。一個太陽能電池板與一個太陽能電池板控制器連接，太陽能電池板控制器電池接口與蓄電池連接，負載接口接人雙電源自動轉換開關輸入端，并有相同一路組合接人雙電源自動轉換開關輸入端，自動轉換開關輸出端接GPRS投入式液位計完成供電。太陽能電池板在光照作用下，將產生的電能通過太陽能電池板控制器傳輸至蓄電池，儲存在蓄電池中，上述太陽能電池板控制器主要起到短路開路保護、過充過放的保護作用（圖2）。

2 設備的安裝

地下水監測儀器安裝主要包括地下水觀測井修建、GPRS投入式液位計和供電模塊安裝，地下水觀測井為GPRS投入式液位計提供安裝平臺，供電模塊為GPRS投入式液位計提供電能。

1）觀測井。國內大部分的地下水監測設備使用或需要使用專用觀測井[15]，在現代化打井設備的輔助下，對井壁固化防水處理，既要保證井壁不坍塌，也要防止外界水進入對地下水水位變化產生影響，造成數據采集不準，觀測井底部需采取防止泥沙進入的工程措施（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時變化，底部應設置地下水滲流通道（均勻透水孔）。

2） CPRS投入式液位計的安裝。將投入式液位變送器投入觀測井中，觀測井頂端采取防水措施，避免外界水進入對地下水水位變化產生干擾，數據采集模塊與供電模塊相連置于保護箱中，保護箱用不銹鋼材質制作，底部設有電線孔和漏水孔，對GPRS投入式液位計和供電設備起到保護作用。

3）供電模塊的安裝。將兩個太陽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，提高光能轉為電能的效率，轉化的電能通過太陽能電池板控制器儲存在蓄電池中，蓄電池連接到雙電源自動轉換開關輸入端，雙電源自動轉換開關輸出端接GPRS投入式液位計，完成系統供電。

3 設備的可靠性分析

塔里木河及周邊區域環境復雜，置于野外的地下水動態監測系統面臨很大考驗，為了確保得到地下水實時監測數據，設備的可靠性是研究的重要內容。

1）設備的耐用性。長期暴露在野外的設備經常因晝夜和季節的變化，工作在高溫與低溫的轉化之中，對設備工作溫度區間有很高要求。在野外，設備也易受到化學腐蝕，設備材料的選取和保護措施顯得極其重要，設備材料的選取應適合野外環境（耐腐蝕抗高溫），且對重要設備應采取集中保護，如用不銹鋼密碼盒將其收納起來，防止日曬和雨水對儀器的危害。

2）設備的供電系統。目前，已有很多為野外設備供電的單路供電系統，即一個太陽能電池板和一個蓄電池組合對設備供電，對供電系統加以改進，采用雙電源自動轉換供電系統，由太陽能電池板連接太陽能電池板控制器再接蓄電池，并有相同組合的一路（太陽能電池板連接太陽能電池板控制器再接蓄電池）與其共同接人雙電源自動轉換開關，自動轉換開關將一路接人數據采集設備，完成供電工作。當一路蓄電池供電不足時，自動轉換開關自動跳轉到另一路，完成持續供電，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電流進行供電可以工作80 h，以保證設備供電系統正常運行。

3）設備的數據傳輸。隨著互聯網的快速進步，數據傳輸都采用無線遠程傳輸，地下水動態在線監測設備也是如此，投入式液位變送器采集到的數據，由電纜傳輸至數據采集模塊，數據采集模塊中的GPRS無線傳輸模塊傳輸至遠端環境監測云平臺。

4 實際應用

在塔里木河中下游安裝地下水位監測設備，客戶端服務器遠程登錄環境監測云平臺，查看實時數據，移動設備接受預報預警信息。

實際監測數據為投入式液位變送器至地下水水面的距離，地下水位應為地面至投入式液位變送器的距離減去實時監測數據。以實時監測數據計算地下水位。如圖4以18 d實時監測數據為依據，實際安裝中投入式液位變送器距地面3.73 m，計算得儀器安裝位置地下水位在3.462-3.617 m波動。以胡楊生長的地下水位閾值表為判斷依據，此位置地下水位位于0.50 - 4.71 m，未越過良好與脅迫生長閾值，且在胡楊長勢良好范圍內，即胡楊長勢良好，不產生預報預警信息。該區域胡楊長勢良好，且有較多新生苗萌發，與數據判斷相符。

5 小結與討論

為了深入研究塔里木河中下游地下水動態變化，本研究采用GPRS投入式液位計采集和發送數據，供電采用雙路自動切換供電系統，環境監測云平臺處理數據，以短信形式發送至預留號碼的移動設備，發送時間間隔用戶可依據需求設定，用戶也可登錄賬號，在遠端服務器中查看，預報預警也是以短信方式發送至移動設備，當地下水位變化達到預警范圍時，會以不同的短信內容預警地下水當前狀況;最后模擬觀測井，對系統運行做檢測，系統可以正常運行，且數據精度高，免去了數據的采集和分析，為地下水動態監測提供方便。

地下水位監測是一個長期過程，獲取大量數據，加以正確處理分析，才能對實際應用有所幫助，因此地下水監測系統的穩定運行是重要挑戰，需要投入更多的時間做穩定研究，保證數據的連續性，且將監測工作有效與互聯網結合，做到穩定、省時、省力和高效監測地下水動態變化。

參考文獻：

[1]管文珂，韋紅，霍艾迪，等.塔里木河流域植被覆蓋變化的遙感 監測[J].水土保持通報，2018，38（5）：244-248

[2]李春雨.沈陽市城區地下水遠程實時監測系統建設初探[J].水利規劃與設計，2016（8）：116-118.

[3]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）：147-150，154.

[4]王艇，李博.基于SDI-12總線的地下水監測系統設計[J].信息技術，2017（8）：36-38.

[5]賈秀美，趙利利.基于CPRS和LabVIEW的地下水文監測系統的設計與應用[J].傳感器與微系統，2012，31（ 12）：126-129.

[6]徐堯錚，毛潭，段震.基于GPRS的地下水位監測系統的實現[J].現代電子技術，2012，35（ 15）：49-51.

[7]張從鵬，賀慧蕾.基于ARM9的地下水位遠程監測儀的設計[J].傳感器與微系統，2011，30（4）：102-104.

[8]王昆，陳昕志.基于GPRS的地下水動態水位監測系統研究[J].計算機測量與控制，2011，19（2）：263-265.

[9]胡勝利，萬晉軍.基于GPRS的地下水自動監測系統設計[J]水利水電技術，2011，42（1）：89-92.

[10]尹飛凰.農田灌區地下水位白動監測系統設計[J]農機化研究，2014（ 11）：69-72.

[11]劉金玲.基于地下水位動態監測系統的研究[J].信息技術，2015（5）：11.

[12]郭雨，胡勝利，楊同滿.基于物聯網的地下水遠程監測系統的設計[J].電腦知識與技術，2015（28）：197-200，204

[13]安紅燕，徐海量，葉茂，等.塔里木河下游胡楊徑向生長與地下水的關系[J].生態學報，2011，31（8）：2053-2059.

[14]段樹義，許福祥，郭澤民，等.臨清市地下水位自動監測系統的設計及應用[J].水利規劃與設計，2016（8）：48-51

[15]周幫平，毛潭，柴帥，等基于現有使用井和物聯網技術的地下水遠程監測系統搭建及應用[J].物流與供應鏈，2018（33）： 170-171.

[16]陳倩，周少鵬，黃隆貴，等基于STM32F的地下水位監測系統設計[J].科技創新與應用，2016（ 22）：88.

基金項目：塔里木河中下游胡楊生態修復研究與示范項目（2017-HY）

作者簡介：楊磊（1995-），男，甘肅平涼人，碩士研究生，研究方向為水土保持研究，（電話）18706706064（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，研究方向為水土保持與荒漠化研究，（電話）15829799036（電子信箱）huoaidi@163.com。