基于水文地质条件的广州市地下水自动监测系统的设计与实现

宋子龙

(广州市地质调查院，广东 广州 510440)

0 引言

广州市是广东省的省会，国家中心城市，位于中国南部、珠江下游、濒临南海，具有南亚热带季风气候特点，地势东北高西南低，自北向南依次为低山丘陵区、广花盆地、三角洲平原，各具有不同的含水介质、水动力、水化学特征以及补径排特点。受地形影响，广州的降雨量呈现北部多于南部，山区多于平原等特点。广州市地下水资源丰富，具有广花盆地岩溶水、流溪河水源地、增江水源地、南部孔隙水等几个重要地下水水功能区，地下水开发利用程度高，主要用于城市工业、生产、生活、绿化等。水是广州城市的灵魂，对广州经济社会的平稳高速发展有不可替代的保障作用。而当下，广州市仍然面临突发性地下水水质恶化风险隐患。

地下水作为应急的淡水资源，监测其动态变化，是保护和利用这项资源的前提。广州市地下水资源存在水质状况较难控制的现象，甚至存在突发性的水质恶化隐患。为了实现广州市地下水监测信息实时、精准地采集与传输，进一步搞清和摸透广州市的区域水文地质环境，尤其是地下水的径流、补给、排泄过程和环境条件，适时获取科学、详实的地下水动态数据，为相关主管部门决策研判提供科学参考，必须建立切实可行的地下水监测自动监测系统。

通过地下水监测站，获取地下水动态信息，对监测站实现自动监测，完成地下水信息的自动采集和信息传输；实时、精准获取地下水的变化数据，获得反映地下水变化的水位、水质、水温和流量等信息的数据，将获取到的地下水数据适时传输至终端管理中心，并对地下水数据开展分析和预测预报，实现数据和信息共享，为相关部门和公众提供一手情报，为水文、水利、排涝抗旱、科学开发和保护广州市的地下水资源提供数据支撑。

1 地下水资源监测站网布设

地下水监测网点的布置应体现三个基本原则，代表性、效率性和联系性。一方面每个监测点都能真实代表其所处水文地质单元的水文地质特征，另一方面则要求以最少的控制点反映全市地下水信息状况，其次，要建立区域内相互关联的地下水监测网络。地下水监测站网布设以沿地下水流向为主、垂直地下水流向为辅。

地下水动态监测对广花盆地、流溪河流域等重点区域开展监测。城区建筑物密布，地下空间开发日益广阔，大大改变地下水环境，地下水监测孔暂不考虑布设在高密度建成区内。地下水监测孔布设综合考虑广州市的水功能区划和行政区划，相互结合，确定监测点分布，确保每个行政区内和水功能区关键节点均布置监测点。以水文地质单元为基础，叠加地貌单元分区、补给分区、人类工程活动影响分区，权衡区域、供水水源地的重要性统一取值确定。

2 地下水监测系统功能要求

（1）具有地下水监测信息自动定时采集功能[1-5]。

（2）具有自动上报数据的功能。按预先设置的时间间隔向终端管理中心传输地下水信息，包括反映地下水变化的气温、水温、流量、矿化度、电导率、PH值和ORP等信息的数据。

（3）具有数据存储功能。按照标准和数据将地下水监测数据传输并存储于终端服务器，供应用软件统计分析和查询。

（4）具有实时告警功能。在定时采集地下水信息期间，在某参数达到预定阈值后接收预警或报警信息，自动告警并加报。

（5）具有趋势变化分析功能。可选择多个类型传感器数据，在特定时间范围区间，用折线图的方式按天展示最小值，最大值，平均值。用于预测各类数据的趋势变化。

（6）具有变化率统计功能。选择单个传感器数据，在选定时间范围区间内，用折线图的方式按天展示变化加速度，用于对变化率的分析。

3 地下水监测系统功能结构

广州市地下水自动监测系统可分为两大功能模块，包括系统管理模块和地下水监测管理模块。系统管理模块包括菜单管理、用户管理和角色权限管理等功能，管理员根据不同身份设置不同的权限，分配不同的功能。

4 地下水监测系统功能设计

4.1 数据采集功能

应严格统一数据格式标准，确保采集到的数据在入库前标准及格式的一致性和衔接性，在定期监测数据可与地下水监测数据库中数据无缝集成，以便于进行数据统计分析、操作、查询和共享。

图1 功能结构图Fig.1 functional structure diagram

4.2 网络传输功能

地下水监测系统可以整合各个地下水监测点及各种地下水监测设备、传输网络，人工定期和实时自动传输各种类型的监测信息。

4.3 动态监测管理功能

对全市地下水自动化监测点、监测设备等进行登记管理，并基于数据库，利用各监测点隐含的地理位置信息，实现地下水自动化监测点的空间可视化。在监测系统中，能以可视化的方式显示监测设备的状态信息，以便能及时对设备状态进行维护。

4.4 其他专业应用功能

支持人工录人数据，提供数据文件的导人和导出，具有统计分析、趋势变化、变化率统计、实时告警等功能；提供图形化显示的地下水信息动态过程。数据使用者可按需求生成年报表、月报表、日报表和指定时间段的地下水位或地下水温度变化曲线。

5 地下水监测设备选型原则

硬件设备的选择应能满足广州市地下水监测的功能需求，能保障数据采集的精准性，设备维修的简便性，设备使用的耐久性。设备要安装环境适应性强，安装简易，扩展性和兼容性好，并支持软硬件升级换代[1]。

地下水监测设备设计和选型关键是做好地下水信息采集器、传输网络和终端管理中心等模块的设计。

5.1 地下水信息采集器

地下水信息采集器是一款自动测量、记录地下水参数的仪器。地下水位采集器应选择耐用、可靠、稳定、性价比高、安装简便、功能完善、采集精度高的产品。

5.2 通讯网络

传输网络应具有数据传输速率高、数据传输实时性、误码率低、覆盖范围广、运行稳定、通信质量可靠、安全性和可靠性高，使用成本比较低，安装调试方便简单等特点。

5.3 终端管理中心

终端管理中心从各个监测点收集得到的地下水水位和水质数据全部进入终端管理中心，进行数据分析与预警。终端管理中心应具有远程服务器、云平台、监控中心、各类应用软件等模块。

6 信息流程

地下水监测站将气温、水温、流量、水矿化度、电导率、PH值和ORP等自动监测信息通过无线网络、短信、高线传输发送到终端管理中心实现动态监测管理和专业应用。信息传输流程见图2。

图2 信息流程图Fig.2 information flow chart

将地下水监测数据传输到终端管理中心生成各种数据报表和曲线，实现统计分析、趋势变化、变化率统计、实时告警等功能，达到掌握地下水实时动态的目地。

7 结论

（1）广州市的地势东北高西南低，自北向南依次为低山丘陵区、广花盆地、三角洲平原，各具有不同的含水介质、水动力、水化学特征以及补径排特点。

（2）地下水监测网点的布置应体现三个基本原则，代表性、效率性和联系性。

（3）广州市地下水自动监测系统主要分为系统管理和地下水监测管理两大功能模块。

（4）地下水监测设备设计和选型关键是做好地下水信息采集器、传输网络和终端管理中心等模块的设计。

（5）通过地下水动态监测，可以按期获得反映地下水变化的气温、水温、流量、水矿化度、电导率、PH值和ORP等信息，使用这些数据，可以实时反映地下水动态变化状况，指导地下水资源的管理和保护。