新疆地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)建設(shè)分析

古麗婭爾·穆合塔爾

（新疆維吾爾自治區(qū)水文局信息中心，新疆 烏魯木齊 830000）

實時掌握地下水動態(tài)變化特征以及制定合理開發(fā)利用和有效保護措施需要依靠縝密的地下水監(jiān)測工作來實現(xiàn)，同時地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為地質(zhì)災(zāi)害防治和生態(tài)環(huán)境保護等提供科學(xué)支持和技術(shù)保障。近年來自治區(qū)高度重視地下水的開發(fā)利用工作，開發(fā)力度不斷加強。由于沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測站網(wǎng)，無法滿足地下水資源利用與管理工作的需要。開展地下水監(jiān)測規(guī)劃工作十分必要和迫切。

1 項目背景

新疆維吾爾自治區(qū)位于祖國西北邊陲，屬于干旱半干旱地區(qū)，地下水資源在國民經(jīng)濟發(fā)展中有舉足輕重的作用。全新疆配套機電井約6 萬眼。據(jù)《2009 年新疆維吾爾自治區(qū)水資源公報》，在2009 年全疆地下水開采量為89.96 億m3。全疆地下水開發(fā)情況見表1。

表1 全疆地下水開發(fā)情況

新疆原有監(jiān)測站井312 眼，監(jiān)測站網(wǎng)缺少統(tǒng)一規(guī)劃，沒有專業(yè)的監(jiān)測井，絕大多數(shù)監(jiān)測井還是人工監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)時效性差，很難保證監(jiān)測精度且運行費用高。針對全疆目前地下水監(jiān)測存在的突出問題，2013 年年底改造完成430 眼監(jiān)測井（改造原有的312 眼監(jiān)測井，新建118 眼監(jiān)測井）。

2 地下水信息網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

新疆省級地下水網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測信息系統(tǒng)的的建設(shè)依托于新疆2013 年年底累計改造建設(shè)完成的430 眼監(jiān)測站井。監(jiān)測的手段是通過430 個遙測站的有關(guān)水位和水溫度、電導(dǎo)率的監(jiān)測采集和實時傳輸，建立新疆地下水水位監(jiān)測和水質(zhì)的自動監(jiān)測遙測系統(tǒng);建設(shè)自治區(qū)水文局地下水信息傳輸及運行維護中心。

監(jiān)測信息系統(tǒng)建設(shè)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在全省建立集地下水監(jiān)測信息采集、傳輸、管理、分析、共享為一體的網(wǎng)絡(luò)化工作平臺。根據(jù)功能分為自動監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信息服務(wù)系統(tǒng)。

2.1 自動監(jiān)測采集系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括信息采集設(shè)備及監(jiān)測站點至各級地下水信息站或監(jiān)測中心的網(wǎng)絡(luò)通道。在遙測終端機的控制下，按要求自動完成被測參數(shù)的采集，將取得的數(shù)據(jù)預(yù)處理后存入遙測數(shù)據(jù)采集終端機的存貯器，并通過GPRS 通信方式完成定時向水文局地下水監(jiān)測中心站的數(shù)據(jù)傳輸工作。固態(tài)存貯器在數(shù)據(jù)存貯容量用完之后，應(yīng)能保持?jǐn)?shù)據(jù)的持續(xù)自動更新，即從最早的數(shù)據(jù)開始自動覆蓋，更新為新數(shù)據(jù)。每個遙測站RTU 配置4Mb 固態(tài)非易失存儲模塊。

2.1.1 監(jiān)測站點結(jié)構(gòu)

針對本項目，水位測量誤差在10 m 水位變幅內(nèi)部大于±0.02 m；超過10 m 水位變幅時，不大于±2‰水位變幅，監(jiān)測站點采用壓力式水位傳感器測量地下水，設(shè)備主要包括：遙測數(shù)據(jù)采集終端（RTU）、壓力式水位計、通信設(shè)備（GPRS 模塊并具有SMS 功能）、供電系統(tǒng)（太陽能供電系統(tǒng)）、防雷接地設(shè)備等組成站點組成結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 自動監(jiān)測站點組成結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 設(shè)備參數(shù)

壓力式水位計參數(shù)：水深量程為0～30 m、0～100 m；水位傳感器為壓阻式硅傳感器；精度為±0.05%全量程；分辨率為24 bit；溫度補償為自動溫度補償；溫度補償范圍為0～50℃；溫度傳感器為電阻式；精度為±0.05℃；分辨率為0.003℃；時鐘精度為±1 分鐘/年；工作溫度為-20～+80℃；數(shù)據(jù)存儲至少存儲40000 次水位和溫度或120000 線性壓縮數(shù)據(jù)；內(nèi)存為高可靠只讀存儲器；通訊為光學(xué)紅外接口、RS232、USB、SDI-12 可選；耐腐蝕性為鈦金屬涂層，高防腐；采樣方式為用戶自定義、線性和基于事件；采樣頻率為0.125 秒/次～99小時/次。

遙測終端RTU 參數(shù)：輸入電壓采用直流12 V 供電；值守電流小于2.5 mA；工作溫度為-20℃～60℃；工作濕度＜95%；平均無故障時間，MTBF 應(yīng)不小于20000 小時；數(shù)據(jù)存儲容量，固態(tài)存儲器的存儲容量為4 MB，可存儲1 年以上的數(shù)據(jù)；防雷保護，通信接口采用3 級防雷保護；電源、開關(guān)量和模擬量接口采用2 級防雷保護。

2.2 數(shù)據(jù)通信方式

考慮到地理環(huán)境和天氣條件的限制，以CDMA、GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)形成的數(shù)據(jù)服務(wù)，組網(wǎng)方便,對應(yīng)用所需的額外設(shè)備要求不高，投資和運行費用低，并且數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，安全可靠性高，時效性和帶寬基本滿足大部分業(yè)務(wù)的信息傳輸要求，因此采用GPRS/CDMA 無線傳輸通訊方式。

在本系統(tǒng)中，地下水自動監(jiān)測站需要同時向各地區(qū)信息站和自治區(qū)地下水監(jiān)測中心同時發(fā)送水位、水溫實時數(shù)據(jù)，即建立以各地區(qū)信息站、自治區(qū)地下水監(jiān)測中心為信息采集中心的星形結(jié)構(gòu)即可滿足要求，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 星型結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

采用前置機全天候從GPS、CDMA 信道中實時接收所管轄自動水位站的水位、水溫等檢測信息；水質(zhì)信息的采集通過定期的人工采樣實驗室分析后，由具有特定權(quán)限管理人員通過電信網(wǎng)絡(luò)人工輸入到系統(tǒng)中；將數(shù)據(jù)進行入庫存儲。針對水文自動測報系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，為了保證系統(tǒng)的兼容性和一致性，本系統(tǒng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，中心站通過GSM/GPRS 等信道接收短信和GPRS 傳過來的數(shù)據(jù)，并進行遠程維護設(shè)置等命令下發(fā)，保證系統(tǒng)正常運行。其幀格式定義見表2。

表2 幀格式定義

2.3.1 數(shù)據(jù)處理軟件

采用J2EE 技術(shù)架構(gòu)，涉及大量數(shù)據(jù)吞吐和頻繁數(shù)據(jù)交換的模型計算模塊部署成B/S 方式。數(shù)據(jù)接收處理軟件負責(zé)將前端監(jiān)測站傳回來的數(shù)據(jù)進行解碼、糾錯和甄別后，歸入地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，并可通過信息服務(wù)軟件進行數(shù)據(jù)的分析、查詢和展示，并可按照用戶的實際要求，形成相應(yīng)的統(tǒng)計圖表，滿足地下水業(yè)務(wù)管理的需要，見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)接收處理軟件工作流程圖

2.3.2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

為了確保本系統(tǒng)在未來五年的技術(shù)領(lǐng)先，最大限度的保證系統(tǒng)良好的更新升級、擴展能力。采用最新32 位內(nèi)嵌式微處理器，處理速度210 MIPS,最高可達533 MIPS，完全具備行業(yè)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的前瞻性。

標(biāo)配內(nèi)存8M SDRAM，可擴展至32 M；8 路獨立可編程RS-232 控制DB9 公型接口，可以雙向收發(fā)RS232、RS485、RS422 格式數(shù)據(jù)；8 路獨立可編程IR 紅外發(fā)射鳳凰插口；8 路數(shù)字I/0 輸入輸出控制口，帶保護電路，支持0～5V 數(shù)字輸入信號；8 路弱電繼電器控制接口，額定1A/5V 數(shù)字輸入信號；支持3 路CRE-NET 控制總線，可任意并聯(lián)擴展至256 個控制模塊；內(nèi)嵌智能紅外學(xué)習(xí)功能模塊，無須配置專業(yè)學(xué)習(xí)器；2U 高度，19 英寸標(biāo)準(zhǔn)機箱外殼,電子元器件采用SMT 貼片式生產(chǎn)工藝。

2.4 信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

信息服務(wù)系統(tǒng)采用B/S 標(biāo)準(zhǔn)三層結(jié)構(gòu)，通過瀏覽器在不同客戶端進行查詢。WEB 服務(wù)器通過防火墻接入Internet 網(wǎng)，地下水管理人員就可以通過Internet 在任何一個地點進行查詢。

2.4.1 基礎(chǔ)信息查詢

地下水監(jiān)測工作需要大量的基礎(chǔ)信息支持，基礎(chǔ)信息查詢模塊，實現(xiàn)能隨時向地下水管理部門提供各類基礎(chǔ)信息，實現(xiàn)對地下水管理工作的基礎(chǔ)信息支持。

基礎(chǔ)信息查詢分為信息查詢服務(wù)和信息維護管理兩部分。信息查詢服務(wù)主要完成基礎(chǔ)信息的檢索、查詢、統(tǒng)計和分析任務(wù)；信息維護管理主要實現(xiàn)信息的維護管理，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的不斷更新。

2.4.2 監(jiān)測信息服務(wù)

監(jiān)測信息服務(wù)主要利用遠程監(jiān)控設(shè)備和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將前端測站的各類監(jiān)測信息進行分類存儲，并以多媒體和直觀的專業(yè)圖表方式展示給用戶地下水的發(fā)展形勢。按照數(shù)據(jù)的時間不同，又可分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

（1）實時水位、水溫動態(tài)監(jiān)測

通過預(yù)設(shè)的固定時間長度，實時監(jiān)測各個站點的站點編號、水位值、水溫值以及變化趨勢等信息，并可按照需要以表格或直接在電子地圖上顯示。

（2）GIS 綜合查詢

結(jié)合電子地圖的強大功能，綜合查詢、統(tǒng)計、展示水位信息。

（3）任意時段水位過程線

按照給定的任意時段，繪制各站點的水位過程線（含歷史最高水位、正常水位、歷史最低水位及相應(yīng)提示信息和當(dāng)前水位值信息，并提供打印輸出功能。

（4）地下水埋深等值線面

可根據(jù)地下水位埋深數(shù)據(jù)繪制各地區(qū)以及下轄7 個區(qū)縣的地下水埋深等值線面圖，并提供打印輸出功能。

（5）任意時段水位報表

提供各測站任意時段水位報表的查詢和打印功能，以站點名稱、上報時間、上報數(shù)值的形式展現(xiàn)，可提供導(dǎo)出Excel 和Word 兩種功能。

（6）日水位報表

提供各測站日水位報表的查詢和打印功能，按給定的時間段，以站點名稱、時間、水位的形式展現(xiàn)水位的過程，提供導(dǎo)出Excel 及 Word 的功能。

2.5 信息系統(tǒng)能力建設(shè)

在充分利用各地區(qū)已有信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自治區(qū)地下水管理監(jiān)測機構(gòu)設(shè)置和運行模式的特點，開展相應(yīng)的信息系統(tǒng)能力建設(shè)。其主要建設(shè)內(nèi)容包括各地區(qū)地下水監(jiān)測信息站計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)。各地區(qū)信息站擬建設(shè)在各地區(qū)水利局辦公樓內(nèi)，主要負責(zé)接收和匯總本地區(qū)范圍內(nèi)的各自動監(jiān)測站采集的地下水水位、水溫、水質(zhì)實時數(shù)據(jù)，同時構(gòu)建各地區(qū)地下水監(jiān)測軟件系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡(luò)、硬件和基礎(chǔ)軟件環(huán)境，從而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效的運行。各地區(qū)信息站計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)交換技術(shù)，拓撲結(jié)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。

2.6 地下水監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)完成效應(yīng)

所有監(jiān)測站點統(tǒng)一規(guī)劃，監(jiān)測井產(chǎn)權(quán)歸各地區(qū)地下水監(jiān)測部門，由專業(yè)人員統(tǒng)一維護，保證了監(jiān)測資料的連續(xù)性和系列性，大幅度提升監(jiān)測資料的使用價值。全部監(jiān)測數(shù)據(jù)通過信息系統(tǒng)最終匯總至自治區(qū)水文局地下水監(jiān)測中心，保證了數(shù)據(jù)的實效性和有效性。避免監(jiān)測過程出現(xiàn)缺報問題，保證了監(jiān)測質(zhì)量。

3 結(jié)語

新疆地下水監(jiān)測信息系統(tǒng)全面建設(shè)完善后：自治區(qū)地下水中心可以依據(jù)信息系統(tǒng)，實時整合各個地下水信息站上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)和省級重點站每日傳送的監(jiān)測信息實現(xiàn)地下水監(jiān)測信息共享。從而保證了新疆維吾爾族自治區(qū)地下水的合理開發(fā)利用，同時為地質(zhì)災(zāi)害防治和生態(tài)環(huán)境保護等提供科學(xué)支持和技術(shù)保障。