天津市地下水監測站運行維護問題應對與管理對策探討

吳 遜，郭建琴

（天津市水文水資源管理中心，天津 300061）

天津市從20 世紀六七十年代開展地下水水位分層組監測。最初，地下水位監測站網中多以生產井和民用井為主，監測方式以人工監測為主。天津市地下水管理部門自20 世紀90 年代末期開始不斷推進地下水監測站自動化進程，逐步提高地下水監測站自動化比例。近幾年來，隨著國家地下水監測工程建設項目的正式落地，天津市建成了大量國家級地下水自動監測站，在不斷完善天津市地下水監測站網的同時，進一步提升了地下水自動監測站所占比例。在省級監測中心的加持下，實現了地下水監測數據自動采集傳輸、接收處理、交換共享、分析評價等全業務流程信息化。

隨著地下水自動監測站點所占比重的不斷提高，人工監測手段也逐漸被大量全天候運行的自動儀器取代。伴隨觀測精度的提升和站網密度的增加，新的運行維護管理問題也隨之被提出。例如，如何保障部署分散、數量龐大的監測站點的安全運行，如何應對各種突發情況以及如何建立有效的管理架構，最終保證地下水監測站網的穩定運行。這都是面對自動化地下水監測站網運行管理工作時，所需要重點研究和討論的內容。

1 安全問題

現有監測設備大多布設在地廣人稀之處，往往缺乏有效的監督管理環境保障設備自身的安全。在以往自動監測站的建設中，會隨站配置太陽能板、增益天線等設備，以滿足供電和數據收發的需要，這些附屬設備往往會配置在距離地面較近的位置。在監測站運行過程中，這些附屬設施也是最容易受到外力破壞的。以往的經驗是，在監測設備周圍搭建一個臨時站房，配上安全鎖甚至是視頻監控設備，以實現全方位的安全保護。但是這也帶來建設成本高、占地成本高以及臨時站房安全性等問題。同時，相關附屬設施的配置復雜度不斷提高，配置成本也隨之提升，后期養護成本也在不斷增加。

2 通信問題

通信不暢是自動監測站在發送數據時會遇到的一個最典型的問題[1]，其主要原因有3個。

2.1 數據包過大或收發機制不完善

以前，由于缺乏標準化的數據收發規范和專線網絡帶寬限制等原因，數據在報送時會出現大量設備同時報送數據阻塞帶寬現象。如果某個站點早先數據發送失敗，它會在下一時段將過去未發送數據打包一起發出，這就導致產生龐大的數據包進一步阻塞專線帶寬。為解決數據發送阻塞的問題，一般會將站點數據報送時間分散在某個時間段內。這樣的舉措是可以減緩數據阻塞的情況，但會延遲數據接收時間，降低數據的時效性。

2.2 監測站地處偏遠或省區交接、基站交接處

因地下水數據監測需求，部分監測站會配置在天津市區邊界或人煙較為稀少的偏遠地區。這些地區的通信信號一般會較弱[2]。這部分站點一般會采用加裝增益天線或選用服務范圍更廣的數據卡等措施以改善信號發送情況，但效果往往較弱。

2.3 通信網絡迭代導致支持基站數量減少

隨著4G 移動網絡的基本普及，以往2G 移動網絡基站設備逐步被4G 所替代。早先建設的自動監測設備配置的RTU 模塊大多只兼容GPRS 無線通信網絡。在2G網絡基站規模不斷收縮的情況下，部分站點已經開始出現信號變差、數據報送率降低的情況。以往的解決措施是加裝天線或更換移動運營商來改善數據發送情況。目前在2G∕3G 網絡減頻、退網的大趨勢下，僅靠更換移動運營商基本已無法滿足未來網絡變化的需要。

3 環境變化問題

在地下水監測站建設期間，需要根據水文地質單元分布及地下水流向特征進行站點的選取和布設。這使得監測數據更有代表性，但周圍環境卻往往在人為活動過程中發生變化，從而影響監測站點的正常運行。比如，所在區域土地用途被重新規劃，所在地人工建筑物的拆除與搭建；周邊植被增長，導致枝葉屏蔽信號傳輸；洼地灌區水位上漲，導致設備被淹等。這些環境變化事件往往是不可預測和不可抵抗的，以往一般會通過數據傳輸穩定性和在設備周圍標識信息來保護設備不被直接破壞，但往往收效甚微。

4 應對方案的提出

4.1 應對安全問題

相對于以往建造“大而全”的自動監測站來說，目前水文自動監測站特別是地下水自動監測站開始尋找一種“小而精”的建設思路。這一思路在國家地下水監測工程中得到了進一步的深化和完善，最終采用以下措施：以堅固抗壓的保護筒或保護箱為外殼，內部設置增益天線和帶有高防水保護殼的儀器設備，最后在保護筒四周澆筑足夠深度的混凝土以形成穩固結實的基座。這種措施最直接的收益就是大幅降低建設與維護成本：厚實的保護筒在后期除了需要定期噴漆之外幾乎不需要維護；足夠深的混凝土澆筑底座可以應對大部分的地形變化，即使遇到挖掘機等大型機械的直接破壞拆解也可以保證保護筒內監測設備的安全；高防水保護殼可以保護儀器設備不被桶內濕氣侵蝕；將保護筒固定在監測井之上也可以確保監測井內不會有異物落下傷害到內部監測探頭。這一整套保護措施將監測站的占地面積從以往至少3～4 m2精減為不足0.3 m2。這一改進在節省土地面積的同時還增強了儀器設備的安全性，降低了建設維護成本。地下水監測站保護筒占地情況如圖1所示，大型機械挖掘后仍保存的地下水監測站如圖2 所示。

圖1 地下水監測站保護筒占地示意

圖2 大型機械挖掘后仍保存的地下水監測站

4.2 應對通信問題

對于通信問題，一般通過2 方面措施解決現有問題。

4.2.1 建立標準規范，約束數據發送流程

首先，在數據發送環節，通過建立標準通信規約來規范監測數據發送流程。在已有通信規約基礎上，參照早先地下水監測數據動態變化情況，對每日報送數據量、設備召測機制等內容進行約束管理，建立統一、標準的數據發送規范[3]。其次，將原先采用的數據卡和固定帶寬專線傳送數據的方式改成物聯卡和互聯網傳送數據的方式，從而大幅緩解了因固定時段傳輸大量數據導致的帶寬阻塞問題。

4.2.2 升級通信模塊，改善通信質量

面對如今較大范圍的2G∕3G移動通信網絡減頻退網趨勢，采取2步走的策略：一方面在通信運營商中進行比較篩選，選擇現有2G網絡覆蓋密度最高的作為主要物聯卡服務提供商；另一方面及時開發采用4G 或NB-loT 網絡制式的RTU 設備。相比較而言，采用4G網絡制式僅需要對現有設備基板進行小幅度升級即可實現。而采用NB-loT 網絡制式則需要對設備基板進行重新開發，會產生較大成本。但是，NB-loT 帶來的低功耗、高連接特性將成為水文監測設備數據通信的一個重要發展方向。在較低功耗下，配以高容量固態電池，即使面對水文監測的密集數據通信，也可以實現1 a 1～2 次的低頻率運行維護成本。

4.3 應對環境問題

相對于安全和通信問題，環境問題對地下水監測設備產生的影響往往是事后的，因此解決此類問題一般采用“預防”和“止損”2種方式。

（1）在預防方面，一般采用宣傳和標識2 種措施。一方面在區一級地下水管理部門的協助下，建立地下水監測站管護人臺賬，普及管護知識、簽訂管護協議、明確管護責任。在各區各站管護人大力協助下，在監測站所在地發生土地用途變更和環境變化之前與省級監測平臺進行聯絡備案，從而給設備保護、遷移留足準備時間。另一方面，在地下水監測站的醒目位置上，預留警示標志和聯系方式，給監測站留下專屬的“名片”。地下水監測站警示標志，如圖3所示。

圖3 地下水監測站警示標志

（2）在止損方面，根據設備每日報送的各個部件的參數狀態來綜合判斷設備是否完好運行，結合巡檢工作實現24 h 內全市范圍內的緊急響應，在設備出現疑似損壞后抵達現場排除故障，及時恢復數據正常報送，保證地下水監測數據完整。

5 管理策略的探索

5.1 設備保護策略探索

目前，雖然地下水監測站建設得足夠堅固和耐用，但是其占地面積很小，仍有被忽視的可能。為此，擴大監測站占地區域的策略逐漸被各省采用。這種策略在不改變監測站保護筒（箱）原有大小的基礎上，在其周圍圈出約4～6 m2面積的區域，并加以圍欄保護，一方面可以保證運行維護人員的正常進入，另一方面也可以提示非運行維護人員該設備的重要性。由于各省市各監測站建設環境千差萬別，所以這種保護策略僅在少數監測站進行了初步應用。2種擴大占地面積的監測站保護措施，如圖4所示。

圖4 2種擴大占地面積的監測站保護措施

5.2 聯動管理機制探索

為保障地下水監測站的穩定運行，離不開多方的協作和共同努力。其中，區一級管理部門協助完成了很大一部分現場協調工作。天津市作為直轄市更應該盡可能發揮區一級地下水主管部門的作用，根據實際需要，將部分管理權限下放，使管理職能進一步下沉。例如，在年度“千眼大檢查”中，區級地下水主管部門展現了強有力的管理能力，在短時間內完成了地下水監測站的排查工作。

5.3 管理制度探索

相比臨時的應對策略和管理手段，建立長久有效的管理制度是完善地下水監測站運行維護管理的最終目的。經過多年的探索和改進，水利部信息中心發布了《國家地下水監測工程（水利部分）運行維護管理辦法》（水信息〔2018〕322 號）。各省市包括天津市也建立了一系列的地下水監測站運行維護管理制度。山東省水利廳更是建立了《地下水水文資料整編管理辦法（試行）》（魯水資〔2020〕2 號），以整編工作推進運行維護管理工作的有序實施。

6 結語

水文監測是水務管理工作的“耳目”和“尖兵”。作為各項監督、考核以及防汛抗旱管理工作的基礎，水文監測在基層默默發揮著自身的作用。地下水監測作為水文監測的一項，是超采區治理、最嚴格水資源考核管理等工作的數據基礎和管理依據。而地下水監測站的運行維護工作則是地下水監測的根本保障。

筆者從多個角度對地下水監測站運行維護工作所遇到的問題進行了分析，提出了應對方案，并在保護策略、聯動管理機制以及管理制度3 個方面對運行維護工作管理策略提出了探索性的論述。通過以上方案和策略，可以進一步提升地下水監測站運行維護管理能力，使地下水監測站網充分發揮自身作用，為水務管理工作提供堅實、穩定的支撐。