天津市地下水监测站运行维护问题应对与管理对策探讨

吴 逊，郭建琴

（天津市水文水资源管理中心，天津 300061）

天津市从20 世纪六七十年代开展地下水水位分层组监测。最初，地下水位监测站网中多以生产井和民用井为主，监测方式以人工监测为主。天津市地下水管理部门自20 世纪90 年代末期开始不断推进地下水监测站自动化进程，逐步提高地下水监测站自动化比例。近几年来，随着国家地下水监测工程建设项目的正式落地，天津市建成了大量国家级地下水自动监测站，在不断完善天津市地下水监测站网的同时，进一步提升了地下水自动监测站所占比例。在省级监测中心的加持下，实现了地下水监测数据自动采集传输、接收处理、交换共享、分析评价等全业务流程信息化。

随着地下水自动监测站点所占比重的不断提高，人工监测手段也逐渐被大量全天候运行的自动仪器取代。伴随观测精度的提升和站网密度的增加，新的运行维护管理问题也随之被提出。例如，如何保障部署分散、数量庞大的监测站点的安全运行，如何应对各种突发情况以及如何建立有效的管理架构，最终保证地下水监测站网的稳定运行。这都是面对自动化地下水监测站网运行管理工作时，所需要重点研究和讨论的内容。

1 安全问题

现有监测设备大多布设在地广人稀之处，往往缺乏有效的监督管理环境保障设备自身的安全。在以往自动监测站的建设中，会随站配置太阳能板、增益天线等设备，以满足供电和数据收发的需要，这些附属设备往往会配置在距离地面较近的位置。在监测站运行过程中，这些附属设施也是最容易受到外力破坏的。以往的经验是，在监测设备周围搭建一个临时站房，配上安全锁甚至是视频监控设备，以实现全方位的安全保护。但是这也带来建设成本高、占地成本高以及临时站房安全性等问题。同时，相关附属设施的配置复杂度不断提高，配置成本也随之提升，后期养护成本也在不断增加。

2 通信问题

通信不畅是自动监测站在发送数据时会遇到的一个最典型的问题[1]，其主要原因有3个。

2.1 数据包过大或收发机制不完善

以前，由于缺乏标准化的数据收发规范和专线网络带宽限制等原因，数据在报送时会出现大量设备同时报送数据阻塞带宽现象。如果某个站点早先数据发送失败，它会在下一时段将过去未发送数据打包一起发出，这就导致产生庞大的数据包进一步阻塞专线带宽。为解决数据发送阻塞的问题，一般会将站点数据报送时间分散在某个时间段内。这样的举措是可以减缓数据阻塞的情况，但会延迟数据接收时间，降低数据的时效性。

2.2 监测站地处偏远或省区交接、基站交接处

因地下水数据监测需求，部分监测站会配置在天津市区边界或人烟较为稀少的偏远地区。这些地区的通信信号一般会较弱[2]。这部分站点一般会采用加装增益天线或选用服务范围更广的数据卡等措施以改善信号发送情况，但效果往往较弱。

2.3 通信网络迭代导致支持基站数量减少

随着4G 移动网络的基本普及，以往2G 移动网络基站设备逐步被4G 所替代。早先建设的自动监测设备配置的RTU 模块大多只兼容GPRS 无线通信网络。在2G网络基站规模不断收缩的情况下，部分站点已经开始出现信号变差、数据报送率降低的情况。以往的解决措施是加装天线或更换移动运营商来改善数据发送情况。目前在2G∕3G 网络减频、退网的大趋势下，仅靠更换移动运营商基本已无法满足未来网络变化的需要。

3 环境变化问题

在地下水监测站建设期间，需要根据水文地质单元分布及地下水流向特征进行站点的选取和布设。这使得监测数据更有代表性，但周围环境却往往在人为活动过程中发生变化，从而影响监测站点的正常运行。比如，所在区域土地用途被重新规划，所在地人工建筑物的拆除与搭建；周边植被增长，导致枝叶屏蔽信号传输；洼地灌区水位上涨，导致设备被淹等。这些环境变化事件往往是不可预测和不可抵抗的，以往一般会通过数据传输稳定性和在设备周围标识信息来保护设备不被直接破坏，但往往收效甚微。

4 应对方案的提出

4.1 应对安全问题

相对于以往建造“大而全”的自动监测站来说，目前水文自动监测站特别是地下水自动监测站开始寻找一种“小而精”的建设思路。这一思路在国家地下水监测工程中得到了进一步的深化和完善，最终采用以下措施：以坚固抗压的保护筒或保护箱为外壳，内部设置增益天线和带有高防水保护壳的仪器设备，最后在保护筒四周浇筑足够深度的混凝土以形成稳固结实的基座。这种措施最直接的收益就是大幅降低建设与维护成本：厚实的保护筒在后期除了需要定期喷漆之外几乎不需要维护；足够深的混凝土浇筑底座可以应对大部分的地形变化，即使遇到挖掘机等大型机械的直接破坏拆解也可以保证保护筒内监测设备的安全；高防水保护壳可以保护仪器设备不被桶内湿气侵蚀；将保护筒固定在监测井之上也可以确保监测井内不会有异物落下伤害到内部监测探头。这一整套保护措施将监测站的占地面积从以往至少3～4 m2精减为不足0.3 m2。这一改进在节省土地面积的同时还增强了仪器设备的安全性，降低了建设维护成本。地下水监测站保护筒占地情况如图1所示，大型机械挖掘后仍保存的地下水监测站如图2 所示。

图1 地下水监测站保护筒占地示意

图2 大型机械挖掘后仍保存的地下水监测站

4.2 应对通信问题

对于通信问题，一般通过2 方面措施解决现有问题。

4.2.1 建立标准规范，约束数据发送流程

首先，在数据发送环节，通过建立标准通信规约来规范监测数据发送流程。在已有通信规约基础上，参照早先地下水监测数据动态变化情况，对每日报送数据量、设备召测机制等内容进行约束管理，建立统一、标准的数据发送规范[3]。其次，将原先采用的数据卡和固定带宽专线传送数据的方式改成物联卡和互联网传送数据的方式，从而大幅缓解了因固定时段传输大量数据导致的带宽阻塞问题。

4.2.2 升级通信模块，改善通信质量

面对如今较大范围的2G∕3G移动通信网络减频退网趋势，采取2步走的策略：一方面在通信运营商中进行比较筛选，选择现有2G网络覆盖密度最高的作为主要物联卡服务提供商；另一方面及时开发采用4G 或NB-loT 网络制式的RTU 设备。相比较而言，采用4G网络制式仅需要对现有设备基板进行小幅度升级即可实现。而采用NB-loT 网络制式则需要对设备基板进行重新开发，会产生较大成本。但是，NB-loT 带来的低功耗、高连接特性将成为水文监测设备数据通信的一个重要发展方向。在较低功耗下，配以高容量固态电池，即使面对水文监测的密集数据通信，也可以实现1 a 1～2 次的低频率运行维护成本。

4.3 应对环境问题

相对于安全和通信问题，环境问题对地下水监测设备产生的影响往往是事后的，因此解决此类问题一般采用“预防”和“止损”2种方式。

（1）在预防方面，一般采用宣传和标识2 种措施。一方面在区一级地下水管理部门的协助下，建立地下水监测站管护人台账，普及管护知识、签订管护协议、明确管护责任。在各区各站管护人大力协助下，在监测站所在地发生土地用途变更和环境变化之前与省级监测平台进行联络备案，从而给设备保护、迁移留足准备时间。另一方面，在地下水监测站的醒目位置上，预留警示标志和联系方式，给监测站留下专属的“名片”。地下水监测站警示标志，如图3所示。

图3 地下水监测站警示标志

（2）在止损方面，根据设备每日报送的各个部件的参数状态来综合判断设备是否完好运行，结合巡检工作实现24 h 内全市范围内的紧急响应，在设备出现疑似损坏后抵达现场排除故障，及时恢复数据正常报送，保证地下水监测数据完整。

5 管理策略的探索

5.1 设备保护策略探索

目前，虽然地下水监测站建设得足够坚固和耐用，但是其占地面积很小，仍有被忽视的可能。为此，扩大监测站占地区域的策略逐渐被各省采用。这种策略在不改变监测站保护筒（箱）原有大小的基础上，在其周围圈出约4～6 m2面积的区域，并加以围栏保护，一方面可以保证运行维护人员的正常进入，另一方面也可以提示非运行维护人员该设备的重要性。由于各省市各监测站建设环境千差万别，所以这种保护策略仅在少数监测站进行了初步应用。2种扩大占地面积的监测站保护措施，如图4所示。

图4 2种扩大占地面积的监测站保护措施

5.2 联动管理机制探索

为保障地下水监测站的稳定运行，离不开多方的协作和共同努力。其中，区一级管理部门协助完成了很大一部分现场协调工作。天津市作为直辖市更应该尽可能发挥区一级地下水主管部门的作用，根据实际需要，将部分管理权限下放，使管理职能进一步下沉。例如，在年度“千眼大检查”中，区级地下水主管部门展现了强有力的管理能力，在短时间内完成了地下水监测站的排查工作。

5.3 管理制度探索

相比临时的应对策略和管理手段，建立长久有效的管理制度是完善地下水监测站运行维护管理的最终目的。经过多年的探索和改进，水利部信息中心发布了《国家地下水监测工程（水利部分）运行维护管理办法》（水信息〔2018〕322 号）。各省市包括天津市也建立了一系列的地下水监测站运行维护管理制度。山东省水利厅更是建立了《地下水水文资料整编管理办法（试行）》（鲁水资〔2020〕2 号），以整编工作推进运行维护管理工作的有序实施。

6 结语

水文监测是水务管理工作的“耳目”和“尖兵”。作为各项监督、考核以及防汛抗旱管理工作的基础，水文监测在基层默默发挥着自身的作用。地下水监测作为水文监测的一项，是超采区治理、最严格水资源考核管理等工作的数据基础和管理依据。而地下水监测站的运行维护工作则是地下水监测的根本保障。

笔者从多个角度对地下水监测站运行维护工作所遇到的问题进行了分析，提出了应对方案，并在保护策略、联动管理机制以及管理制度3 个方面对运行维护工作管理策略提出了探索性的论述。通过以上方案和策略，可以进一步提升地下水监测站运行维护管理能力，使地下水监测站网充分发挥自身作用，为水务管理工作提供坚实、稳定的支撑。