新疆地下水监测网络信息系统建设分析

古丽娅尔·穆合塔尔

（新疆维吾尔自治区水文局信息中心，新疆 乌鲁木齐 830000）

实时掌握地下水动态变化特征以及制定合理开发利用和有效保护措施需要依靠缜密的地下水监测工作来实现，同时地下水监测数据可以为地质灾害防治和生态环境保护等提供科学支持和技术保障。近年来自治区高度重视地下水的开发利用工作，开发力度不断加强。由于没有统一标准的监测站网，无法满足地下水资源利用与管理工作的需要。开展地下水监测规划工作十分必要和迫切。

1 项目背景

新疆维吾尔自治区位于祖国西北边陲，属于干旱半干旱地区，地下水资源在国民经济发展中有举足轻重的作用。全新疆配套机电井约6 万眼。据《2009 年新疆维吾尔自治区水资源公报》，在2009 年全疆地下水开采量为89.96 亿m3。全疆地下水开发情况见表1。

表1 全疆地下水开发情况

新疆原有监测站井312 眼，监测站网缺少统一规划，没有专业的监测井，绝大多数监测井还是人工监测，监测数据时效性差，很难保证监测精度且运行费用高。针对全疆目前地下水监测存在的突出问题，2013 年年底改造完成430 眼监测井（改造原有的312 眼监测井，新建118 眼监测井）。

2 地下水信息网络监测系统建设

新疆省级地下水网络监测信息系统的的建设依托于新疆2013 年年底累计改造建设完成的430 眼监测站井。监测的手段是通过430 个遥测站的有关水位和水温度、电导率的监测采集和实时传输，建立新疆地下水水位监测和水质的自动监测遥测系统;建设自治区水文局地下水信息传输及运行维护中心。

监测信息系统建设按照统一的标准，在全省建立集地下水监测信息采集、传输、管理、分析、共享为一体的网络化工作平台。根据功能分为自动监测系统、数据处理系统、信息服务系统。

2.1 自动监测采集系统

监测系统建设内容包括信息采集设备及监测站点至各级地下水信息站或监测中心的网络通道。在遥测终端机的控制下，按要求自动完成被测参数的采集，将取得的数据预处理后存入遥测数据采集终端机的存贮器，并通过GPRS 通信方式完成定时向水文局地下水监测中心站的数据传输工作。固态存贮器在数据存贮容量用完之后，应能保持数据的持续自动更新，即从最早的数据开始自动覆盖，更新为新数据。每个遥测站RTU 配置4Mb 固态非易失存储模块。

2.1.1 监测站点结构

针对本项目，水位测量误差在10 m 水位变幅内部大于±0.02 m；超过10 m 水位变幅时，不大于±2‰水位变幅，监测站点采用压力式水位传感器测量地下水，设备主要包括：遥测数据采集终端（RTU）、压力式水位计、通信设备（GPRS 模块并具有SMS 功能）、供电系统（太阳能供电系统）、防雷接地设备等组成站点组成结构图见图1。

图1 自动监测站点组成结构图

2.1.2 设备参数

压力式水位计参数：水深量程为0～30 m、0～100 m；水位传感器为压阻式硅传感器；精度为±0.05%全量程；分辨率为24 bit；温度补偿为自动温度补偿；温度补偿范围为0～50℃；温度传感器为电阻式；精度为±0.05℃；分辨率为0.003℃；时钟精度为±1 分钟/年；工作温度为-20～+80℃；数据存储至少存储40000 次水位和温度或120000 线性压缩数据；内存为高可靠只读存储器；通讯为光学红外接口、RS232、USB、SDI-12 可选；耐腐蚀性为钛金属涂层，高防腐；采样方式为用户自定义、线性和基于事件；采样频率为0.125 秒/次～99小时/次。

遥测终端RTU 参数：输入电压采用直流12 V 供电；值守电流小于2.5 mA；工作温度为-20℃～60℃；工作湿度＜95%；平均无故障时间，MTBF 应不小于20000 小时；数据存储容量，固态存储器的存储容量为4 MB，可存储1 年以上的数据；防雷保护，通信接口采用3 级防雷保护；电源、开关量和模拟量接口采用2 级防雷保护。

2.2 数据通信方式

考虑到地理环境和天气条件的限制，以CDMA、GSM/GPRS网络为基础形成的数据服务，组网方便,对应用所需的额外设备要求不高，投资和运行费用低，并且数据传输准确，安全可靠性高，时效性和带宽基本满足大部分业务的信息传输要求，因此采用GPRS/CDMA 无线传输通讯方式。

在本系统中，地下水自动监测站需要同时向各地区信息站和自治区地下水监测中心同时发送水位、水温实时数据，即建立以各地区信息站、自治区地下水监测中心为信息采集中心的星形结构即可满足要求，其结构见图2。

图2 星型结构图

2.3 数据处理系统设计

采用前置机全天候从GPS、CDMA 信道中实时接收所管辖自动水位站的水位、水温等检测信息；水质信息的采集通过定期的人工采样实验室分析后，由具有特定权限管理人员通过电信网络人工输入到系统中；将数据进行入库存储。针对水文自动测报系统数据传输的特点，为了保证系统的兼容性和一致性，本系统采用统一的数据格式。按照规定的数据格式，中心站通过GSM/GPRS 等信道接收短信和GPRS 传过来的数据，并进行远程维护设置等命令下发，保证系统正常运行。其帧格式定义见表2。

表2 帧格式定义

2.3.1 数据处理软件

采用J2EE 技术架构，涉及大量数据吞吐和频繁数据交换的模型计算模块部署成B/S 方式。数据接收处理软件负责将前端监测站传回来的数据进行解码、纠错和甄别后，归入地下水监测数据库，并可通过信息服务软件进行数据的分析、查询和展示，并可按照用户的实际要求，形成相应的统计图表，满足地下水业务管理的需要，见图3。

图3 数据接收处理软件工作流程图

2.3.2 设备技术参数

为了确保本系统在未来五年的技术领先，最大限度的保证系统良好的更新升级、扩展能力。采用最新32 位内嵌式微处理器，处理速度210 MIPS,最高可达533 MIPS，完全具备行业技术发展应用的前瞻性。

标配内存8M SDRAM，可扩展至32 M；8 路独立可编程RS-232 控制DB9 公型接口，可以双向收发RS232、RS485、RS422 格式数据；8 路独立可编程IR 红外发射凤凰插口；8 路数字I/0 输入输出控制口，带保护电路，支持0～5V 数字输入信号；8 路弱电继电器控制接口，额定1A/5V 数字输入信号；支持3 路CRE-NET 控制总线，可任意并联扩展至256 个控制模块；内嵌智能红外学习功能模块，无须配置专业学习器；2U 高度，19 英寸标准机箱外壳,电子元器件采用SMT 贴片式生产工艺。

2.4 信息服务系统设计

信息服务系统采用B/S 标准三层结构，通过浏览器在不同客户端进行查询。WEB 服务器通过防火墙接入Internet 网，地下水管理人员就可以通过Internet 在任何一个地点进行查询。

2.4.1 基础信息查询

地下水监测工作需要大量的基础信息支持，基础信息查询模块，实现能随时向地下水管理部门提供各类基础信息，实现对地下水管理工作的基础信息支持。

基础信息查询分为信息查询服务和信息维护管理两部分。信息查询服务主要完成基础信息的检索、查询、统计和分析任务；信息维护管理主要实现信息的维护管理，保障系统数据的不断更新。

2.4.2 监测信息服务

监测信息服务主要利用远程监控设备和无线传输网络将前端测站的各类监测信息进行分类存储，并以多媒体和直观的专业图表方式展示给用户地下水的发展形势。按照数据的时间不同，又可分为实时数据和历史数据。

（1）实时水位、水温动态监测

通过预设的固定时间长度，实时监测各个站点的站点编号、水位值、水温值以及变化趋势等信息，并可按照需要以表格或直接在电子地图上显示。

（2）GIS 综合查询

结合电子地图的强大功能，综合查询、统计、展示水位信息。

（3）任意时段水位过程线

按照给定的任意时段，绘制各站点的水位过程线（含历史最高水位、正常水位、历史最低水位及相应提示信息和当前水位值信息，并提供打印输出功能。

（4）地下水埋深等值线面

可根据地下水位埋深数据绘制各地区以及下辖7 个区县的地下水埋深等值线面图，并提供打印输出功能。

（5）任意时段水位报表

提供各测站任意时段水位报表的查询和打印功能，以站点名称、上报时间、上报数值的形式展现，可提供导出Excel 和Word 两种功能。

（6）日水位报表

提供各测站日水位报表的查询和打印功能，按给定的时间段，以站点名称、时间、水位的形式展现水位的过程，提供导出Excel 及 Word 的功能。

2.5 信息系统能力建设

在充分利用各地区已有信息系统的基础上，结合自治区地下水管理监测机构设置和运行模式的特点，开展相应的信息系统能力建设。其主要建设内容包括各地区地下水监测信息站计算机网络系统建设。各地区信息站拟建设在各地区水利局办公楼内，主要负责接收和汇总本地区范围内的各自动监测站采集的地下水水位、水温、水质实时数据，同时构建各地区地下水监测软件系统所需的网络、硬件和基础软件环境，从而保证整个系统的稳定、高效的运行。各地区信息站计算机网络系统采用以太网交换技术，拓扑结构采用星形结构，网络协议为TCP/IP协议。

2.6 地下水监测系统建设完成效应

所有监测站点统一规划，监测井产权归各地区地下水监测部门，由专业人员统一维护，保证了监测资料的连续性和系列性，大幅度提升监测资料的使用价值。全部监测数据通过信息系统最终汇总至自治区水文局地下水监测中心，保证了数据的实效性和有效性。避免监测过程出现缺报问题，保证了监测质量。

3 结语

新疆地下水监测信息系统全面建设完善后：自治区地下水中心可以依据信息系统，实时整合各个地下水信息站上传的监测数据和省级重点站每日传送的监测信息实现地下水监测信息共享。从而保证了新疆维吾尔族自治区地下水的合理开发利用，同时为地质灾害防治和生态环境保护等提供科学支持和技术保障。