青岛市大沽河地下水文监测系统设计

李 磊 ，雒义全 ，姜尚堃

（1.青岛水文水资源勘测局，山东 青岛 266071;2.山东省淮河流域水利管理局，山东 济南 250100）

大沽河流域是青岛市最大的流域,位于山东胶东半岛的西部，北部为山区和浅山丘陵区，南部为山麓平原和平原洼地。大沽河地下水源地位于大沽河中下游段，自店埠——古岘一线以南至青岛——胶州公路，南北长约45km，宽约 8～12km，河谷冲积层总面积约421km2，砂层厚度大，颗粒粗且质纯，富水性好，1981年后逐渐开辟为青岛市城市供水水源地。

20世纪70年代中期，大沽河水源地开始开展地下水监测工作，当时多借用农用大口井观测，普遍采用测绳、皮尺加吊锤等传统监测手段，数据误差大。

鉴于大沽河地下水水文监测设施存在上述诸多问题，加大监测设施密度和对老设施进行改造是非常必要的，而自动监测系统的实施，不仅能解决现有观测系统数据的可靠性和数据传输的时效性问题，还可大大提高地下水管理及监测的现代化水平。

地下水文监测系统包含：水位监测与传输系统和信息中心两部分。水位监测与传输系统主要由监测井、压力式水位计、数据采集远程测控终端组成。系统自动采集地下水水位等信息，并自动传输到信息中心。信息中心对获得的数据进行分析整理、入库并输出结果。

1 水位监测与传输系统设计

1.1 地下水观测井建设

根据中华人民共和国水利行业标准 《地下水监测站建设技术规范》，大沽河水源地地下水监测井建设遵循以下要求：

观测井深约在7.0～15.0m，井开孔至终孔直径为450～500mm，井管采用内径 200mm、耐压强度为 4～6大气压的PVC管材，开孔率 10%～15%，圆孔直径 8～14mm，滤网为20～60目，动水位以下全部安装过滤器，滤料选用磨圆度好、直径0.4～1.0cm的硅质砂、砂砾石，滤料填至距地面1.00m处，上部填加0.6m的粘土封闭止水，监测井施工结束后测量其固定点及附近地面高程。

成井工艺流程：钻机安装定孔位→ 钻进清孔→下放井管填砾石滤料→洗井→抽水实验→井口安装。

1.2 压力式水位计原理及优势

压力式水位计是根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器的水位计。当传感器固定在水下某一测点时，该测点以上水柱压力高度加上该点高程，即可间接地测出水位。其工作优势有以下几点：

1）输出信号稳定、灵敏度高。采用的传感器芯片满量程输出为100mV左右，抗干扰能力强，信号输出比同类产品稳定，线形优良。

2）变送器精度高。由于压力式水位计的变送器在芯体上对压力的感受、敏感转换和监测三部分由一个元件来实现，没有中间转换环节，所以重复性和延迟等误差都极小，综合静态精度相对较高。

3）产品耐用性能高。由于压力式水位计传感器工作时形变为亚微米数量级，因而无磨损、无疲劳、无老化、寿命长，可达107压力循环次。

4）压力式水位计具有低电流、低电压、低功耗的特点。

5）安装便捷。采用直接投入式安装，设备在投入后可直接测试数据。

1.3 数据采集测控终端配置及特点

数据采集测控终端采用超低功耗高性能的嵌入式处理器，与公共网通讯处理器采用西门子产品。2×3.6V一次性锂电池供电，可以选配，电池寿命1～5年左右，内嵌看门狗，不死机，掉线自动恢复，标准工业接线端子，RS485接口，液晶显示屏，大容量用户数据缓存区，支持大数据量传输，标准工业模块和安装附件，安装方便，2路差分输入模拟信号；+24V输出：可为外部电路DC24V电源；采样分辨率：16bit；支持拨号，短信数据传输方式，GPRS远程在线设置和短信息远程设置功能。

1.4 安全问题

大沽河水源保护区，位于大沽河两岸的农田中，远离村庄、城镇，对其水资源进行远程监控，需要解决的问题有如下几项：

1）电源问题。所采集的水源参数变化缓慢数据采集远程监控终端产品为微功耗产品，如一天采集一次数据，则只需一年更换一次电池，方便实用。同时数据采集远程监控终端产品体积较小，可方便的进行防潮防水及防盗处理，因此，本方案采用电池供电方式。

2）防水防潮问题。由于水源监测点数据采集远程监控终端系统是长期不间断工作在恶劣的野外条件下，同时电子产品又要求工作在干燥的环境中，因此在本方案中为数据采集远程监控终端产品设计了黑匣子装置，达到IP68防尘防水等级水平。

3）防盗问题。本方案采用水泥制作井盖及仪表仓，具有较小的经济价值，降低犯罪分子盗窃的欲望。同时安装警示牌。明示破坏水文设备将面临的法律制裁，以震慑犯罪分子

4）通讯问题。本方案采用GPRS通讯方式。

5）防雷避雷问题。电子设备损坏大多来自于感应雷，而少部分来自直击雷。本方案通过设置针形避雷的形式来防直击雷；通过在设备电线上安装避雷器的形式来防感应雷。但不管如何防雷，可靠的接地是最为关键的一环。在本系统中，接地系统接地电阻应不大于1Ω，方能满足避雷要求。

2 信息中心设计

2.1 软件功能

系统以Windows2003为工作平台，采用提供了开放、全面和集成信息管理方法的Oracle数据库来处理数据信息，该数据库具有极好的可用性、可扩展性、数据安全性以及稳定性，可实现数据存储透明。

系统同时使用Tomcat接收BTU所传输的地下水信息，相比普遍采用的软件如组态王等，能同时正确接收较多的数据而不产生数据的冲突与丢失，保证了数据的正确性与完整性。

2.2 软件特点与构架

软件开发工具用Java Studio Enterprise 8.1；信息发布工具用WebLogic 9；数据库用 Oracle10g；操作系统用Windows Server 2003。

软件系统遵循开放标准XML技术，实现未来整个系统的无缝集成和数据共享，因为所用的平台和开发工具都是基于XML文件标准格式，J2EE标准保证了本系统可以跨平台运行，不管系统多么离散，都可以在XML和WEB SERVICES的标准体系下实现集成。

简单来说，就是每个不同的子系统都对外提供访问接口，凡是授权的用户（指其他应用系统）都可以访问提供的接口，然后用一个统一的应用层平台来访问许多不同的子系统，以达到全部数据的共享。

1）主站系统通讯服务器采用TCP/IP数据加密通信，即应用https协议。软件采用多线程并发的TCP/IP通信机制，服务器端采用多线程Servlet技术，保证多个测量点数据的同时接收和处理。

2）主站系统软件采用 B/S架构，WEB发布使用Web Services技术，客户权限分级管理，实现和上级MIS的跨平台数据交换。

3）监测数据能够真实准确地传输到数据库中，名称、类型和精度按照部颁标准存储，数据关系实现数据库规范的第三范式（保证数据冗余度最低）。

4）数据库采用Oracle数据库，Oracle数据库是当今最卓越的数据管理平台，其处理并发事件的能力强大，保证数据不丢失，响应速度快。

5）客户端浏览软件主要是Microsoft公司的Internet Explorer，由于服务器端跨平台的特性，客户端也可兼容众多的浏览器类型，只要是支持HTTP标准协议。

6）通讯服务器采用组态技术，能将全部远程测量点的数据实时准确地传输到数据库服务器。

3 系统功能及应用

3.1 系统功能

软件系统主要分为以下10个功能模块。

1）数据采集。运行于服务端的接收部分，负责所有站点数据的接收、分析与存储。系统接收到下位监测点发上来的数据并经过对数据的合理性验证后进行数据解析、纠错处理并分别存入数据库的相关表中。

2）设备维护。设备维护部分指通过GPRS可以对设备进行远程的参数设置维护工作，工作人员可以设置所有监测点的上传间隔、校地时间、报警界限、差值上报等功能进行设置。

3）电子地图。电子地图上可显示大沽河水源地地下水监测网所有的50个地下水位点的分布位置，并在图上显示当前各个水位点的站点名称、上报时间、埋深等数据信息，可以对电子地图进行放大、缩小、漫游及全屏显示、分层显示等操作。

4）数据查询。可以对所有监测点的实时数据、原始数据、历史数据等进行单点某时间、单点时间段、单点全部数据、多点某时间、多点时间段、多点全部数据、分行政区等查询。

5）数据分析。可以对所有监测点进行月度数据分析和年度数据分析，可以对全部监测点进行综合分析，也可以分行政区进行数据分析。

6）资料整编。对各监测点的观测井资料、数据资料分年度或月度进行资料的整理。

7）图形分析。可以对所有观测点进行等值线、等面线及趋势线等图形分析。

8）打印输出。系统所设计到的报表图表等内容都可以进行打印及输出到EXCEL文档中。

9）系统管理。包括监测点的资料管理、用户管理、及系统的操作项管理等内容。

10）数据维护。可以查询没有上传数据的点并对该点进行数据补充，可以对历史数据进行修改或删除操作，可以对数据库进行备份中恢复操作。

3.2 系统应用情况

地下水现场测控终端采用双中心广播模式，自动采集大沽河地下水水位信息，并同时上传至青岛市地下水监测中心和青岛市水资源实时监测。

现场测控终端可实现自动采集、固态存储和自动传输，现场测控终端每天8时、20时采集两次数据，并于每天的8时将采集的数据自动传输到青岛市地下水监测中心和青岛市水资源监控调度中心。

地下水监测软件目前实现了监测信息查询、数据统计分析、基础信息维护和系统管理四大功能。

通过监测信息查询功能可方便的查询水井的信息，能够实现水位数据查询、水位柱状图、水位曲线图、电池电压报表、综合报表查询等功能。