城市地下水質安全監測系統的設計與實現

文／杜瑞、楊麗茜 青海省水文水資源測報中心 青海西寧 810001

1、系統總體方案設計

1.1 系統需求分析

（1）傳感器的選擇。傳感器在整個安全檢測系統中占據重要地位，其主要負責收集水文數據，這些水文數據是判斷城市地下水水質及其安全性的首要依據。因此，設計人員要根據該城市所處地域以及實際檢測需要選擇傳感器。一般而言，城市地下水水質安全檢測系統所需要應用到的傳感器，包括氯離子選擇傳感器、電導率傳感器、溫度傳感器、濁度計等數種，不過，不同城市的檢測需求也有所不同，設計人員還是要給根據實際需要對傳感器進行增減，以保證安全檢測成效。

（2）嵌入式平臺的選擇。嵌入式平臺可以對整個安全監測系統進行有效控制，同時還與無線通信網絡相連接，對于城市地下水質安全監測系統的建設與管理具有極為重要的作用。而在選擇嵌入式平臺時，設計人員需要考慮到性能和功耗兩方面因素，其性能必須要足以滿足城市地下水質安全檢測系統運行需要，而其功耗則要盡可能降低，以減少其運行所需要的能源，延長其運行周期和使用壽命，達到節能減排的效果。

（3）對系統架構的設計，系統結構是系統設計的重要內容，而要設計出一套具備針對性與實效性的系統架構，設計人員還需要對系統應用的實際環境加以研究，從而設計出最適合當前應用的系統架構。

（4）系統可靠性需求。安全監測系統最重要的就是要保證該系統的穩定性與可靠性，安全監測系統的運行成效直接決定著整座城市的用水安全，甚至關系到飲用水安全。一旦安全檢測系統出現故障，且沒有被及時發現，將會造成嚴重的公共衛生事件，因此在設計安全檢測系統時，必須把系統的安全性與可靠性作為最主要的指標之一，在綜合考慮之下再選擇合適的設備與設施，并設置相應的安全防護程序，保證系統運行的安全與穩定。

（5）經濟成本需求。這也是系統設計需求之一，設計人員在設計安全檢測系統時，必須考慮到系統搭建所需要投入到的經濟成本，要在保證系統性能的基礎上，最大限度降低成本投入，選用最具性價比的設備，用最少的錢辦最多的事。

1.2 系統功能模塊劃分及設計

（1）數據采集節點。數據采集節點的主要工作就是

2.3 系統特點

太陽能、市電、電池供電多種模式；長期、連續、定點在線監測，全自動無人值守工作；適合于各種水文地質類型含水層水文、水質監測；多通道數據采集傳輸設備，并有數據記錄、處理、報警功能；根據野外環境，具備相應避雷保護、抗干擾功能，提高系統野外適應性；野外環境長期專用傳感器，高精度、高穩定性；傳感器多層抗生物污染設計；環境安全防垢部件和防垢涂層；獨特的雙清洗刷裝置；標準化接口，模塊化設計，安裝簡易、靈活，可根據需求擴展監測參數；采用光譜分析、電化學分析技術，對水體進行免試劑原位監測，不對環境產生二次污染。

3、地下水監測信息管理中心

3.1 系統架構

地下水監測信息管理系統集監控、報警于一體，支持局域網和廣域網，用戶可以在任何地方操作和使用，可實現地下水自動監測、無線傳輸的遠程管理及瀏覽系統。系統主要包括監測孔信息管理、監測設備信息管理、通信設備的信息管理、用戶及權限設置、日志記錄、實時監測、數據查詢、統計、報警及信息發布、人工置入數據等功能。系統具有響應召測的功能，可以隨時在中心站的要求下，發送測得數據, 中心站隨時控制現場及時響應。系統采用GIS 圖集和傳統數據格式相結合的展示方式，將各種設備的分布點顯示在圖上，每個點都有相應的數據信息，點擊分布點就可以顯示數據，方便用戶的查看、操作。

3.2 測井信息管理

監測井管理的信息主要包括:統一編號、孔號、檢測孔級別、檢測孔類型、地理位置、經度、緯度、所屬流域分區、所屬水文地質分區、所屬行政分區、地面標高、孔口標高、孔深、地下水類型、監測層位和建井時間等內容的添加、修改、刪除及瀏覽、查詢。

（1）該系統可以實時接收并顯示現場的監測數據，并對監測參數的超標情況進行判斷，發現異常及時報警，顯示現場運行模式及故障狀態。還可以結合電子地圖對監測點位置進行直觀展示。

（2）可以對接收到的數據進行某一個固定參數，與時間段和多個監測點的結果對比。展示的形式是以曲線圖的形式進行展示，較為直觀。

（3）可以對接收到的數據進行按時間段和參數的結果查詢，展示的形式分為表格和曲線兩種展示形式。還可以將查詢的結果以定制的Excel 格式的形式進行輸出。

3.3 數據的查詢與統計

查詢功能主要是方便用戶快速檢索監測井的基本信息、監測儀信息、通信設備信息等。

統計是對指定監測井指定時間段內的監測水位值進行統計，包括最大值、最小值和平均值等。統計功能主要是為了方便用戶更全面地掌握井點的接收數據、水位標高和電量等信息。該功能將對井點的水位、水溫及儀器電量等信息的平均值進行統計，方便用戶了解井點情況。

3.4 水質數據的分析

通過對實時或歷史的各類監測數據進行加工處理、分析。在對這些基礎數據分析之前，平臺會根據數據狀態進行數據有效性檢驗，只有有效的數據才會成為業務分析的基礎數據，其他故障數據將為監測設備的運行狀態提供參考。

3.5 地下水水質評價

水質評價功能依據國家(GB3838- 2002)《地表水環境質量標準》、(GB/T 14848-93 )《地下水環境質量標準》及(GB 3097- 1997)《海水水質標準》，根據應實現的水域功能類別選取相應類別標準進行水體水質單因子評價。實時查看水質達標情況，并計算超標污染物的超標倍數，經過分析得出河流主要污染物類別、判定地下水水質主要污染物及海洋水環境質量狀況等。

4、水質檢測系統的運行

4.1 監測參數

監測參數功能可以使用戶實時的了解到現場裝有哪些傳感器設備，都對哪些參數進行監測，通訊儀器的配置信息等。

4.2 設備狀態

數采儀狀態:遠程監控到聯網數據采集儀器的實時運行狀況，及時了解到數采儀設備是否正常聯網運行，如數據沒有正常接收，可通過此處判斷是否是數采儀故障。傳感器狀態:現場所安裝的傳感器實時運行狀況是否正常，可以通過這里的參數運行值來實時地判斷出來，如，判斷儀器是否該清洗，是否在正常運行等情況。

4.3 數據自動回補

在日常現場儀器使用時，由于現場的情況所限，傳輸設備只能采用GPRS 無線傳輸技術，這種技術對現場網絡信號要求較高。由于是在野外作業，現場的網絡信號無法保證，可能會存在偶爾斷網的情況，在這種情況發生時，會造成現場的數據沒有正常上傳，此時數據的自動回補功能就非常有必要，可以利用此功能要求現場的設備將數據重新上傳一遍，從而保證了中心站的數據完整，不會因現場的網絡狀況不好，而引起中心站丟失數據的情況發生。

4.4 水站的GPS 定位

每個水站上都安裝有GPS 定位設備，可以實時監控到當前浮標所在的位置，中心站軟件平臺上會結合地圖的功能對位置進行展示，及時的確定浮標當前所處的位置，以及是否超出原有的既定范圍。

4.5 設備遠程控制

在各監控點、各托管站和環境監測中心實現雙向操作、管理遠程控制，實現水質監測站數據傳輸、現場工作狀態、安全和參數超標報警等遠程控制。可以對監測站現場的系統、儀器設備，進行遠程參數設定和控制。

中心站遠程向現場的儀器發送指令進行遠程操控，完成中心站對遠端的現場儀器的遠程控制，做到監測者不用到現場也能完成對現場儀器的控制，極大方便了監測者的日常工作，提高了工作效率。用戶進入系統時，需要進行身份驗證，權限不同的用戶對平臺享有不同的訪問權限。地下水水質自動監測系統的有效運行和效益發揮有賴于合理的運行方式和與之配套的管理制度。成立專業的隊伍，制定嚴格的規章制度及其監督執行措施，是該系統正常運行的根本保證。系統運行、管理、維護要有明確崗位責任，按照實際需要定崗、定人、定責、定權。并由上一級管理部門負責考核，以確保崗位責任制的落實執行。

4.6 報警功能

報警功能是指對收到的傳輸信息進行預警，預警包括通信設備電量預警、水位異常預警、水溫異常預警及通信設備所用SIM 卡信號等信息異常時進行報警。可以在后臺設置數值預警界限，當監測數據到達一定標準時，會向管理者發送預警消息，可以第一時間了解情況。各區間統計工作完全由后臺進行數據處理，無需人工進行相應操作，信息推送時間可以事先指定，內容包括:上一統計區間內用戶所在站點綜合數據信息、單項指標超限預警、首要污染物信息等。

4.7 移動終端訪問

平臺提供了移動終端訪問服務，用戶可以通過手機隨時訪問相關業務數據，及時地了解到監測點設備是否正常，以及當前監測的數據值是否有異常。

5、水質安全監測系統在水環境檢查中的運用管理

隨著人們的生活、生產水平得到滿足,生活污水和工業廢水對水資源的污染日益嚴重。為了監測地下水水質污染狀況,水質監測站在此背景下應運而生。與國外先進國家相比,我國的水質自動監測系統還很薄弱，在水質自動監測站的管理以及質量控制方面存在一定的差距。由于不同地區的水資源及水質狀況不同的,監測現場的實際情況也不相同,所以很難控制水質監測質量。因此,地下水安全監測系統的建立是發展的必然趨勢,為了隨時掌握水環境的水質變化規律,就要利用水質自動監測系統對被測水資源進行監測,觀察水質的變化趨勢,通過實驗儀器對其進行數據分析,將監測結果作為環境管理、環境保護的重要依據,這是水環境監測過程進行質量控制的核心內容：（1）在進行水環境監測質量控制時,要做好事前控制工作。水資源監測質量的事前控制就是指預先控制,在監測之前進行預防控制，可以減少監測過程中出現的錯誤率,避免重復監測延誤監測時間,浪費檢測資源。（2）在水環境監測過程中進行質量控制。事中控制主要是對監測過程中的實驗室和現場進行監測控制,保障在實驗分析過程中遵守操作規程,保障水質樣品質量的有效性。（3）對水資源監測進行后期的質量控制。在水資源監測過程完成后,要對其實驗數據進行有效保存,以便后期使用, 完善質量控制體系。（4）為了保證監測儀器能夠持續地提供有質量的數據，對監測儀器運營應建立質量保證程序。監測儀器的運營質量控制保證由維護、檢修、校驗、數據記錄審核等幾個階段構成。

結語：

綜上所述，城市地下水質安全檢測系統在傳感器選擇、嵌入系統選擇、系統架構設計、系統穩定性以及系統建設成本等五個方面具有較高的設計需求，為提高城市地下水質安全檢測系統的設計成效，論文針對其設計需求從系統硬件平臺設計、系統軟件設計以及通信協議設計三個角度入手，提出多點具體的設計建議，可以有效提高系統設計水平。同時，為實現系統設計方案，論文還針對傳感器、無線通信以及系統整體功能等三個角度提出具體的測試意見，對優化系統設計，實現系統功能具有重要意義。