基于水文地質(zhì)條件的廣州市地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋子龍

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510440)

0 引言

廣州市是廣東省的省會(huì)，國家中心城市，位于中國南部、珠江下游、瀕臨南海，具有南亞熱帶季風(fēng)氣候特點(diǎn)，地勢(shì)東北高西南低，自北向南依次為低山丘陵區(qū)、廣花盆地、三角洲平原，各具有不同的含水介質(zhì)、水動(dòng)力、水化學(xué)特征以及補(bǔ)徑排特點(diǎn)。受地形影響，廣州的降雨量呈現(xiàn)北部多于南部，山區(qū)多于平原等特點(diǎn)。廣州市地下水資源豐富，具有廣花盆地巖溶水、流溪河水源地、增江水源地、南部孔隙水等幾個(gè)重要地下水水功能區(qū)，地下水開發(fā)利用程度高，主要用于城市工業(yè)、生產(chǎn)、生活、綠化等。水是廣州城市的靈魂，對(duì)廣州經(jīng)濟(jì)社會(huì)的平穩(wěn)高速發(fā)展有不可替代的保障作用。而當(dāng)下，廣州市仍然面臨突發(fā)性地下水水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)隱患。

地下水作為應(yīng)急的淡水資源，監(jiān)測(cè)其動(dòng)態(tài)變化，是保護(hù)和利用這項(xiàng)資源的前提。廣州市地下水資源存在水質(zhì)狀況較難控制的現(xiàn)象，甚至存在突發(fā)性的水質(zhì)惡化隱患。為了實(shí)現(xiàn)廣州市地下水監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地采集與傳輸，進(jìn)一步搞清和摸透廣州市的區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境，尤其是地下水的徑流、補(bǔ)給、排泄過程和環(huán)境條件，適時(shí)獲取科學(xué)、詳實(shí)的地下水動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為相關(guān)主管部門決策研判提供科學(xué)參考，必須建立切實(shí)可行的地下水監(jiān)測(cè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

通過地下水監(jiān)測(cè)站，獲取地下水動(dòng)態(tài)信息，對(duì)監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，完成地下水信息的自動(dòng)采集和信息傳輸；實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)獲取地下水的變化數(shù)據(jù)，獲得反映地下水變化的水位、水質(zhì)、水溫和流量等信息的數(shù)據(jù)，將獲取到的地下水?dāng)?shù)據(jù)適時(shí)傳輸至終端管理中心，并對(duì)地下水?dāng)?shù)據(jù)開展分析和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享，為相關(guān)部門和公眾提供一手情報(bào)，為水文、水利、排澇抗旱、科學(xué)開發(fā)和保護(hù)廣州市的地下水資源提供數(shù)據(jù)支撐。

1 地下水資源監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)

地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的布置應(yīng)體現(xiàn)三個(gè)基本原則，代表性、效率性和聯(lián)系性。一方面每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都能真實(shí)代表其所處水文地質(zhì)單元的水文地質(zhì)特征，另一方面則要求以最少的控制點(diǎn)反映全市地下水信息狀況，其次，要建立區(qū)域內(nèi)相互關(guān)聯(lián)的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)以沿地下水流向?yàn)橹鳌⒋怪钡叵滤飨驗(yàn)檩o。

地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)廣花盆地、流溪河流域等重點(diǎn)區(qū)域開展監(jiān)測(cè)。城區(qū)建筑物密布，地下空間開發(fā)日益廣闊，大大改變地下水環(huán)境，地下水監(jiān)測(cè)孔暫不考慮布設(shè)在高密度建成區(qū)內(nèi)。地下水監(jiān)測(cè)孔布設(shè)綜合考慮廣州市的水功能區(qū)劃和行政區(qū)劃，相互結(jié)合，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布，確保每個(gè)行政區(qū)內(nèi)和水功能區(qū)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。以水文地質(zhì)單元為基礎(chǔ)，疊加地貌單元分區(qū)、補(bǔ)給分區(qū)、人類工程活動(dòng)影響分區(qū)，權(quán)衡區(qū)域、供水水源地的重要性統(tǒng)一取值確定。

2 地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能要求

（1）具有地下水監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)定時(shí)采集功能[1-5]。

（2）具有自動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)的功能。按預(yù)先設(shè)置的時(shí)間間隔向終端管理中心傳輸?shù)叵滤畔ⅲǚ从车叵滤兓臍鉁亍⑺疁亍⒘髁俊⒌V化度、電導(dǎo)率、PH值和ORP等信息的數(shù)據(jù)。

（3）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。按照標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)將地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)于終端服務(wù)器，供應(yīng)用軟件統(tǒng)計(jì)分析和查詢。

（4）具有實(shí)時(shí)告警功能。在定時(shí)采集地下水信息期間，在某參數(shù)達(dá)到預(yù)定閾值后接收預(yù)警或報(bào)警信息，自動(dòng)告警并加報(bào)。

（5）具有趨勢(shì)變化分析功能。可選擇多個(gè)類型傳感器數(shù)據(jù)，在特定時(shí)間范圍區(qū)間，用折線圖的方式按天展示最小值，最大值，平均值。用于預(yù)測(cè)各類數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化。

（6）具有變化率統(tǒng)計(jì)功能。選擇單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，在選定時(shí)間范圍區(qū)間內(nèi)，用折線圖的方式按天展示變化加速度，用于對(duì)變化率的分析。

3 地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

廣州市地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為兩大功能模塊，包括系統(tǒng)管理模塊和地下水監(jiān)測(cè)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊包括菜單管理、用戶管理和角色權(quán)限管理等功能，管理員根據(jù)不同身份設(shè)置不同的權(quán)限，分配不同的功能。

4 地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)采集功能

應(yīng)嚴(yán)格統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，確保采集到的數(shù)據(jù)在入庫前標(biāo)準(zhǔn)及格式的一致性和銜接性，在定期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可與地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)無縫集成，以便于進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、操作、查詢和共享。

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 functional structure diagram

4.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以整合各個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)及各種地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)，人工定期和實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸各種類型的監(jiān)測(cè)信息。

4.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理功能

對(duì)全市地下水自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)設(shè)備等進(jìn)行登記管理，并基于數(shù)據(jù)庫，利用各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隱含的地理位置信息，實(shí)現(xiàn)地下水自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間可視化。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，能以可視化的方式顯示監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息，以便能及時(shí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)。

4.4 其他專業(yè)應(yīng)用功能

支持人工錄人數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)人和導(dǎo)出，具有統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)變化、變化率統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)告警等功能；提供圖形化顯示的地下水信息動(dòng)態(tài)過程。數(shù)據(jù)使用者可按需求生成年報(bào)表、月報(bào)表、日?qǐng)?bào)表和指定時(shí)間段的地下水位或地下水溫度變化曲線。

5 地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備選型原則

硬件設(shè)備的選擇應(yīng)能滿足廣州市地下水監(jiān)測(cè)的功能需求，能保障數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性，設(shè)備維修的簡(jiǎn)便性，設(shè)備使用的耐久性。設(shè)備要安裝環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)易，擴(kuò)展性和兼容性好，并支持軟硬件升級(jí)換代[1]。

地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)和選型關(guān)鍵是做好地下水信息采集器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和終端管理中心等模塊的設(shè)計(jì)。

5.1 地下水信息采集器

地下水信息采集器是一款自動(dòng)測(cè)量、記錄地下水參數(shù)的儀器。地下水位采集器應(yīng)選擇耐用、可靠、穩(wěn)定、性價(jià)比高、安裝簡(jiǎn)便、功能完善、采集精度高的產(chǎn)品。

5.2 通訊網(wǎng)絡(luò)

傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、誤碼率低、覆蓋范圍廣、運(yùn)行穩(wěn)定、通信質(zhì)量可靠、安全性和可靠性高，使用成本比較低，安裝調(diào)試方便簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

5.3 終端管理中心

終端管理中心從各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集得到的地下水水位和水質(zhì)數(shù)據(jù)全部進(jìn)入終端管理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與預(yù)警。終端管理中心應(yīng)具有遠(yuǎn)程服務(wù)器、云平臺(tái)、監(jiān)控中心、各類應(yīng)用軟件等模塊。

6 信息流程

地下水監(jiān)測(cè)站將氣溫、水溫、流量、水礦化度、電導(dǎo)率、PH值和ORP等自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)、短信、高線傳輸發(fā)送到終端管理中心實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管理和專業(yè)應(yīng)用。信息傳輸流程見圖2。

圖2 信息流程圖Fig.2 information flow chart

將地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端管理中心生成各種數(shù)據(jù)報(bào)表和曲線，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)變化、變化率統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)告警等功能，達(dá)到掌握地下水實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的目地。

7 結(jié)論

（1）廣州市的地勢(shì)東北高西南低，自北向南依次為低山丘陵區(qū)、廣花盆地、三角洲平原，各具有不同的含水介質(zhì)、水動(dòng)力、水化學(xué)特征以及補(bǔ)徑排特點(diǎn)。

（2）地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的布置應(yīng)體現(xiàn)三個(gè)基本原則，代表性、效率性和聯(lián)系性。

（3）廣州市地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)管理和地下水監(jiān)測(cè)管理兩大功能模塊。

（4）地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)和選型關(guān)鍵是做好地下水信息采集器、傳輸網(wǎng)絡(luò)和終端管理中心等模塊的設(shè)計(jì)。

（5）通過地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以按期獲得反映地下水變化的氣溫、水溫、流量、水礦化度、電導(dǎo)率、PH值和ORP等信息，使用這些數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)反映地下水動(dòng)態(tài)變化狀況，指導(dǎo)地下水資源的管理和保護(hù)。