基于水文地質條件的廣州市地下水自動監測系統的設計與實現

宋子龍

(廣州市地質調查院，廣東 廣州 510440)

0 引言

廣州市是廣東省的省會，國家中心城市，位于中國南部、珠江下游、瀕臨南海，具有南亞熱帶季風氣候特點，地勢東北高西南低，自北向南依次為低山丘陵區、廣花盆地、三角洲平原，各具有不同的含水介質、水動力、水化學特征以及補徑排特點。受地形影響，廣州的降雨量呈現北部多于南部，山區多于平原等特點。廣州市地下水資源豐富，具有廣花盆地巖溶水、流溪河水源地、增江水源地、南部孔隙水等幾個重要地下水水功能區，地下水開發利用程度高，主要用于城市工業、生產、生活、綠化等。水是廣州城市的靈魂，對廣州經濟社會的平穩高速發展有不可替代的保障作用。而當下，廣州市仍然面臨突發性地下水水質惡化風險隱患。

地下水作為應急的淡水資源，監測其動態變化，是保護和利用這項資源的前提。廣州市地下水資源存在水質狀況較難控制的現象，甚至存在突發性的水質惡化隱患。為了實現廣州市地下水監測信息實時、精準地采集與傳輸，進一步搞清和摸透廣州市的區域水文地質環境，尤其是地下水的徑流、補給、排泄過程和環境條件，適時獲取科學、詳實的地下水動態數據，為相關主管部門決策研判提供科學參考，必須建立切實可行的地下水監測自動監測系統。

通過地下水監測站，獲取地下水動態信息，對監測站實現自動監測，完成地下水信息的自動采集和信息傳輸；實時、精準獲取地下水的變化數據，獲得反映地下水變化的水位、水質、水溫和流量等信息的數據，將獲取到的地下水數據適時傳輸至終端管理中心，并對地下水數據開展分析和預測預報，實現數據和信息共享，為相關部門和公眾提供一手情報，為水文、水利、排澇抗旱、科學開發和保護廣州市的地下水資源提供數據支撐。

1 地下水資源監測站網布設

地下水監測網點的布置應體現三個基本原則，代表性、效率性和聯系性。一方面每個監測點都能真實代表其所處水文地質單元的水文地質特征，另一方面則要求以最少的控制點反映全市地下水信息狀況，其次，要建立區域內相互關聯的地下水監測網絡。地下水監測站網布設以沿地下水流向為主、垂直地下水流向為輔。

地下水動態監測對廣花盆地、流溪河流域等重點區域開展監測。城區建筑物密布，地下空間開發日益廣闊，大大改變地下水環境，地下水監測孔暫不考慮布設在高密度建成區內。地下水監測孔布設綜合考慮廣州市的水功能區劃和行政區劃，相互結合，確定監測點分布，確保每個行政區內和水功能區關鍵節點均布置監測點。以水文地質單元為基礎，疊加地貌單元分區、補給分區、人類工程活動影響分區，權衡區域、供水水源地的重要性統一取值確定。

2 地下水監測系統功能要求

（1）具有地下水監測信息自動定時采集功能[1-5]。

（2）具有自動上報數據的功能。按預先設置的時間間隔向終端管理中心傳輸地下水信息，包括反映地下水變化的氣溫、水溫、流量、礦化度、電導率、PH值和ORP等信息的數據。

（3）具有數據存儲功能。按照標準和數據將地下水監測數據傳輸并存儲于終端服務器，供應用軟件統計分析和查詢。

（4）具有實時告警功能。在定時采集地下水信息期間，在某參數達到預定閾值后接收預警或報警信息，自動告警并加報。

（5）具有趨勢變化分析功能。可選擇多個類型傳感器數據，在特定時間范圍區間，用折線圖的方式按天展示最小值，最大值，平均值。用于預測各類數據的趨勢變化。

（6）具有變化率統計功能。選擇單個傳感器數據，在選定時間范圍區間內，用折線圖的方式按天展示變化加速度，用于對變化率的分析。

3 地下水監測系統功能結構

廣州市地下水自動監測系統可分為兩大功能模塊，包括系統管理模塊和地下水監測管理模塊。系統管理模塊包括菜單管理、用戶管理和角色權限管理等功能，管理員根據不同身份設置不同的權限，分配不同的功能。

4 地下水監測系統功能設計

4.1 數據采集功能

應嚴格統一數據格式標準，確保采集到的數據在入庫前標準及格式的一致性和銜接性，在定期監測數據可與地下水監測數據庫中數據無縫集成，以便于進行數據統計分析、操作、查詢和共享。

圖1 功能結構圖Fig.1 functional structure diagram

4.2 網絡傳輸功能

地下水監測系統可以整合各個地下水監測點及各種地下水監測設備、傳輸網絡，人工定期和實時自動傳輸各種類型的監測信息。

4.3 動態監測管理功能

對全市地下水自動化監測點、監測設備等進行登記管理，并基于數據庫，利用各監測點隱含的地理位置信息，實現地下水自動化監測點的空間可視化。在監測系統中，能以可視化的方式顯示監測設備的狀態信息，以便能及時對設備狀態進行維護。

4.4 其他專業應用功能

支持人工錄人數據，提供數據文件的導人和導出，具有統計分析、趨勢變化、變化率統計、實時告警等功能；提供圖形化顯示的地下水信息動態過程。數據使用者可按需求生成年報表、月報表、日報表和指定時間段的地下水位或地下水溫度變化曲線。

5 地下水監測設備選型原則

硬件設備的選擇應能滿足廣州市地下水監測的功能需求，能保障數據采集的精準性，設備維修的簡便性，設備使用的耐久性。設備要安裝環境適應性強，安裝簡易，擴展性和兼容性好，并支持軟硬件升級換代[1]。

地下水監測設備設計和選型關鍵是做好地下水信息采集器、傳輸網絡和終端管理中心等模塊的設計。

5.1 地下水信息采集器

地下水信息采集器是一款自動測量、記錄地下水參數的儀器。地下水位采集器應選擇耐用、可靠、穩定、性價比高、安裝簡便、功能完善、采集精度高的產品。

5.2 通訊網絡

傳輸網絡應具有數據傳輸速率高、數據傳輸實時性、誤碼率低、覆蓋范圍廣、運行穩定、通信質量可靠、安全性和可靠性高，使用成本比較低，安裝調試方便簡單等特點。

5.3 終端管理中心

終端管理中心從各個監測點收集得到的地下水水位和水質數據全部進入終端管理中心，進行數據分析與預警。終端管理中心應具有遠程服務器、云平臺、監控中心、各類應用軟件等模塊。

6 信息流程

地下水監測站將氣溫、水溫、流量、水礦化度、電導率、PH值和ORP等自動監測信息通過無線網絡、短信、高線傳輸發送到終端管理中心實現動態監測管理和專業應用。信息傳輸流程見圖2。

圖2 信息流程圖Fig.2 information flow chart

將地下水監測數據傳輸到終端管理中心生成各種數據報表和曲線，實現統計分析、趨勢變化、變化率統計、實時告警等功能，達到掌握地下水實時動態的目地。

7 結論

（1）廣州市的地勢東北高西南低，自北向南依次為低山丘陵區、廣花盆地、三角洲平原，各具有不同的含水介質、水動力、水化學特征以及補徑排特點。

（2）地下水監測網點的布置應體現三個基本原則，代表性、效率性和聯系性。

（3）廣州市地下水自動監測系統主要分為系統管理和地下水監測管理兩大功能模塊。

（4）地下水監測設備設計和選型關鍵是做好地下水信息采集器、傳輸網絡和終端管理中心等模塊的設計。

（5）通過地下水動態監測，可以按期獲得反映地下水變化的氣溫、水溫、流量、水礦化度、電導率、PH值和ORP等信息，使用這些數據，可以實時反映地下水動態變化狀況，指導地下水資源的管理和保護。