地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件的研發(fā)

1、 課題名稱： 地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件的研發(fā) 編號： 1；項目背景及國內(nèi)外現(xiàn)狀項目背景：地下水是水資源的重要組成部分，在支持經(jīng)濟社會發(fā)展、維護生態(tài)平衡和保障城鄉(xiāng)居民生活等方面具有十分重要的作用。地下水具有水質(zhì)好、分布廣、污染少、供水量穩(wěn)定、可持續(xù)利用時間長等特點，自古以來就得到了廣泛的應(yīng)用，隨著我國工業(yè)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，地下水的開采量越來越大，到1979年底，全國地下水年開采量達(dá)到400億m3左右；進入新世紀(jì)以來，經(jīng)濟迅速發(fā)展，用水量也急劇增加，2008年我國地下水年開采量達(dá)到了1091億m3。現(xiàn)在，我國年供水量約5600億m3，地下水供水量約1l00億m3，占總供水量的近20%，近30年來，我國地下

2、水開采量以每年25億m3的速度遞增，我國70%以上的城市都以地下水作為工業(yè)，農(nóng)業(yè)和生活用水的主要水源，一些地區(qū)，甚至已成為唯一的水。所以，地下水對經(jīng)濟社會的發(fā)展具有重要的支撐作用。但是，地下水在促進社會發(fā)展的同時，也遭到了嚴(yán)重破壞。初步統(tǒng)計，全國已形成大型地下水降落漏斗100多個，面積達(dá)15萬平方公里，超采區(qū)面積62萬平方公里，嚴(yán)重超采城市近60個，造成眾多泉水?dāng)嗔?，部分水源枯竭。地下水超采區(qū)主要分布在華北平原、關(guān)中平原、松嫩平原、遼河平原、西北內(nèi)陸盆地的部分流域（石羊河、吐魯番盆地等）、長江三角洲、東南沿海平原等地區(qū)，其中華北平原最為嚴(yán)重，地下水資源瀕于枯竭。以山西省古交市為例，作為山西省的

3、一個重要能源型城市，轄區(qū)內(nèi)長期、大量開采地下水的煤礦，洗煤廠，焦化廠數(shù)目眾多，短短十年間，地下水水位下將了89cm，不足80平方公里的地上，由地下水超采形成的地面沉降漏斗比比皆是，地下水這一重要資源遭到了嚴(yán)重破壞。 為了防止地下水資源再次遭到毀滅性開采，我們必須對這一重要的水資源進行監(jiān)測，加強管理。通過地下水監(jiān)測,可以獲取地下水水位、開采量、水溫等的動態(tài)信息,用以了解分析地下水與土壤水、地表水三者之間的補給轉(zhuǎn)換關(guān)系,為水循環(huán)規(guī)律研究以及地下水資源合理開發(fā)利用、管理、保護提供基礎(chǔ)信息和決策依據(jù)。美國、荷蘭等發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗表明，在基本掌握地下水的賦存與分布特征的基礎(chǔ)上,建立地下水長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，是提

4、高地下水資源研究水平,做出準(zhǔn)確評價,加以科學(xué)保護和合理利用,避免出現(xiàn)災(zāi)難性后果的最重要手段。 2 因此,為掌握地下水運動規(guī) 律,遏制與之相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題,迫切需要建立完善的地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為地下水的合理開發(fā)利用提供可靠的數(shù)據(jù)參考。 但是，我國監(jiān)測水平非常的低。九十年代以前，全國多數(shù)地下水監(jiān)測工作采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式,使用測繩、皮尺、測鐘等傳統(tǒng)測量手段。人工監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)一般是采用普通信函、電報、電話報送到地級市,地級市再通過信函、電話、傳真、網(wǎng)絡(luò)報送至省里。信息傳輸速度十分緩慢,與水資源信息化的要求尚存在一定差距 。進入新世紀(jì)，雖然監(jiān)測水平有了大幅提高，但是與發(fā)達(dá)國家相比還是存

5、在較大差距。 從國內(nèi)外發(fā)展趨勢看,實現(xiàn)地下水的自動監(jiān)測和信息的自動傳輸是提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和時效性的必要手段。國外地下水水情監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀：地下水是美國水資源的重要組成部分，可為美國提供用水總量的四分之一。美國一半的人口靠地下水供應(yīng)飲用水。正是鑒于地下水資源的寶貴及其特殊性，美國對地下水監(jiān)測極為重視。美國的監(jiān)測手段分為以下三種：第一種，按照選定的間隔，用鋼卷尺或絕緣帶手動測量地下水水位，通常都是按月或按季進行測量，得到的是周期性數(shù)據(jù)。第二種，連續(xù)數(shù)據(jù)是采用自動遙感設(shè)備測量地下水流量，水位等水情信息，通過數(shù)據(jù)記錄器記錄數(shù)據(jù)。最后一種，實時數(shù)據(jù)是通過衛(wèi)星或電話，至少每天一次將水井?dāng)?shù)據(jù)傳送到信息

6、中心，實時數(shù)據(jù)反映了測點水井狀況。后兩種方式是現(xiàn)行發(fā)達(dá)國家主要的監(jiān)測和傳輸手段，但是儀器非常的昂貴，光使用衛(wèi)星通訊一項就需要上千萬美元。地下水量監(jiān)測在歐洲有很久的歷史。最早的地下水監(jiān)測網(wǎng)是在1845年建立的，大多數(shù)是在20世紀(jì)初建立的。平均記錄時間在2035年之間。除法國和德國外，大多數(shù)監(jiān)測網(wǎng)是由單個機構(gòu)負(fù)責(zé)，監(jiān)測網(wǎng)范圍是全國性的。大多數(shù)地下水觀測點均勻分布在各個地下水含水層上，如多孔介質(zhì)含水層、巖溶含水層、自流含水層和深層地下水含水層等。取樣點的數(shù)量、總面積和密度變化很大、這些差異通常是各國情況不同，還有地質(zhì)條件的不同造成的。舉例來說，對于多孔介質(zhì)含水層，調(diào)查面積最大的是西班牙，為79258

7、km2，最小的是德國北威斯特法倫州，取樣最多的有42900 個取樣點，最少的是愛爾蘭，只有2 個取樣點。取樣點的密度變化從挪威的0.004 到芬蘭的7.3 個。其他類型的地下水資源的對比也表明了相同的結(jié)果。 監(jiān)測網(wǎng)由多種類型的觀測點組成，大部分為鉆井和挖掘井，還有打入管井和泉水井。觀測變量大多數(shù)相同：地下水位（所有國家）、地下水溫（幾乎所有）、泉水位和泉水流量。所有國家都有觀測水位的觀測點，其他觀測點的頻率是不同的，比如：對于地下水位，它在每周1 至2 次之間變化。觀測質(zhì)量和取樣方法由不同國家標(biāo)準(zhǔn)決定。質(zhì)量保證方法對每個監(jiān)測網(wǎng)都是關(guān)鍵，他們使得獲得的數(shù)據(jù)更加可靠和更具可比性.國內(nèi)地下水水情監(jiān)測

8、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀： 新中國建立后，我國的地下水監(jiān)測方法和監(jiān)測設(shè)備得到不斷改進和發(fā)展。五、六十年代， 地下水儲量大，埋深較淺， 用人工方式容易觀測， 有的地區(qū)甚至可直接用直尺測得。當(dāng)時的測量手段為人工測量, 使用原始的直尺、測鐘，后來改為電表、電線，不管天氣如何都要到現(xiàn)場操作，而且效率、頻率低, 誤差大。監(jiān)測時間因受當(dāng)時條件限制，一般五天監(jiān)測一次，利用步行、自行車做交通工具。用紙質(zhì)表格記錄, 通過郵寄方式報送總站。監(jiān)測資料集中后, 由技術(shù)人員進行整理存檔，以待備用。地下水水位地下水開采量的監(jiān)測基本處于啟蒙狀態(tài)，少數(shù)地區(qū)采用是在開采井的出水管上裝傳統(tǒng)式流量測量儀器。地下水水情的數(shù)據(jù)傳輸多以郵

9、寄方式，速度慢，容易出差錯 6 。 進入新世紀(jì)，地下水水情數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)有了新的發(fā)展。 智能傳感器大量的應(yīng)用于地下水監(jiān)測領(lǐng)域：在流量數(shù)據(jù)采集方面，孔板式、電磁式、超聲波式等新式傳感器得到了廣泛應(yīng)用，這些傳感器具有適應(yīng)性強，精度高等特點。以超聲波傳感器為例，不僅能測量普通鐵質(zhì)管道內(nèi)流體的流量，還能用于如水泥管等其他材質(zhì)的管道內(nèi)的流體流量的測量；水位傳感器方面，基于微電子技術(shù)的傳感器層出不窮，結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高和便于安裝是這些新式水位傳感器的突出特點。 隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸在地下水監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，具有代表性的通信方式是基于無線GSM網(wǎng)絡(luò)的短消

10、息數(shù)據(jù)傳輸和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸。這種數(shù)據(jù)傳輸方式具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、實現(xiàn)簡單、不受地域環(huán)境限制等特點，但是由于網(wǎng)絡(luò)容量的限制，在速率、延時和效率方面存在著不足，不適合不定期和長時期的數(shù)據(jù)傳輸。而GPRS無線分組通信業(yè)務(wù)，不僅克服了短消息實時性不強的缺點，而且以覆蓋面廣、傳輸速率高、易于維護和擴展的特點，受到了更多的關(guān)注。2；立項目的意義：地下水是水資源的重要組成部分。進入新世紀(jì)以來，我國地下水開采量以每年25億 m3 的速度遞增， 保證了經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活的穩(wěn)步提高，卻也遭到了嚴(yán)重的破壞。以山西省古交市為例，轄區(qū)內(nèi)煤礦，洗煤廠，焦化廠數(shù)目眾多且位置分散，近十年來，由于這些企業(yè)對地下水的長

11、期過度開采，地下水水位下降明顯，古交市已屬于地下水嚴(yán)重超采的城市之一。本論文針對以上情況，以古交市地下水開采量較大的六個開采點為應(yīng)用背景，結(jié)合目前地下水監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀，以MSP430微處理器為核心，融合GPRS移動通信技術(shù)設(shè)計了一套地下水水情動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。 本項目首先介紹了課題的研究背景及國內(nèi)外地下水水情數(shù)據(jù)采集傳感器及監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；在參閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上提出了地下水水情監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并介紹了系統(tǒng)工作原理及其主要功能；繼而分別就監(jiān)測終端的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行了詳細(xì)的論述；針對本系統(tǒng)測點多且分布廣的特點，設(shè)計了獨特的數(shù)據(jù)傳輸方式,重點講述了水情數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議；隨后介紹了信

12、息中心監(jiān)控軟件的編寫過程和功能結(jié)構(gòu)；在介紹完整個系統(tǒng)之后，本文說明了系統(tǒng)調(diào)試和安裝應(yīng)用情況，并就安裝及使用過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題進行了分析與總結(jié)；最后總結(jié)了系統(tǒng)的特點，并對系統(tǒng)將來的發(fā)展進行了展望。3，本課題的簡要說明分析二、主要研究內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及研究方法（本地方請詳細(xì)說明一下）（主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點，擬采用的關(guān)鍵技術(shù)，要解決的主要技術(shù)難點以及采用的研究試驗方法等）本文將超聲波與移動通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種智能型，數(shù)字化，實時可靠的地下水水情動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無需重新安裝管道、外夾式超聲波探頭作為流量數(shù)據(jù)采集傳感器，地下水水情信號傳輸采用GPRS通信技術(shù)，具有覆蓋范圍廣，可靠性高，不受地

13、理位置的限制等優(yōu)點；由于信息傳輸按流量的計費，在保證數(shù)據(jù)傳輸及時、準(zhǔn)確的前提下，可以將運行費用降到最低，很好的解決了以后系統(tǒng)擴展，監(jiān)測項目增多，數(shù)據(jù)量加大所帶來的費用問題。主要研究內(nèi)容：結(jié)合監(jiān)測地下水的各類傳感器與計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對地下水的精準(zhǔn)監(jiān)控。傳感器類型如下：流量傳感器：孔板式流量傳感器 、電磁流量傳感器、超聲波傳感器水位傳感器：電容式水位傳感器、電阻式水位傳感器、溫度傳感器 ：基于鉑電阻PT100的溫度傳感器、DS18B20溫度傳感器以上傳感器的選用和結(jié)合使用，都需要在項目中逐一檢驗效果后確定。技術(shù)創(chuàng)新點：1、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站所實現(xiàn)的主要功能有： 1）、流量、水位、水溫信息自

14、動采集、轉(zhuǎn)換、存儲，現(xiàn)場顯示。 2）、根據(jù)設(shè)定時間，定時向信息管理中心發(fā)送實時水情信息。 3）、根據(jù)信息管理中心的需要，隨時發(fā)送實時水情信息。 2、信息管理中心監(jiān)控軟件所實現(xiàn)的主要功能有： 1）、與數(shù)據(jù)采集站進行基于GPRS技術(shù)的無線通信,實現(xiàn)水情信息的遠(yuǎn)程實時傳輸。 2）、通過程序設(shè)計將收到的實時水情信息自動轉(zhuǎn)換為可以進行顯示、存儲、后期處理的數(shù)據(jù)格式。 3）、通過程序設(shè)計在無人值守的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、存儲、顯示及生成報表；能夠自動監(jiān)測到非正常狀態(tài)的發(fā)生，并自動生成報警報表。 4）、實現(xiàn)便于用戶操作的人機交互界面，實現(xiàn)水情信息的多類型顯示、查詢、存儲、打印、報警輸出等功能。關(guān)鍵技術(shù)

15、： 各類傳感器的結(jié)合能實現(xiàn)資源利用最大化，并且能與地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件無縫連接。解決的主要技術(shù)難點：數(shù)據(jù)采集終端的電路結(jié)構(gòu) 流量傳感器的選型水位傳感器的選型溫度傳感器的選型監(jiān)測系統(tǒng)與各類傳感器的連接，通訊方式選用采用的研究試驗方法：本地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件的研發(fā)會不斷地對各類傳感器的選型進行試驗性探究，記錄好每一種選型的測試數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)分類，最后結(jié)合地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)計算機軟件的設(shè)計部分得出最終的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。三、課題預(yù)期目標(biāo)、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和成果形式（主要包括預(yù)期目標(biāo)：預(yù)期達(dá)到的宏觀目標(biāo)及用途、范圍等；主要技術(shù)指標(biāo)：如形成的專利、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新裝置、論文專著等的指標(biāo)、水平及數(shù)量等

16、；主要經(jīng)濟指標(biāo)：如技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用所形成的市場規(guī)模、效益等；課題實施中形成的示范基地、中試線、生產(chǎn)線及其規(guī)模等；成果形式：課題研究最終實現(xiàn)的成果，如完成：樣機研制、新工藝及設(shè)備改進、產(chǎn)品改進或質(zhì)量攻關(guān)、專利、研究報告、試驗報告、論文、專著及其達(dá)到的技術(shù)鑒定或評審級別。）預(yù)期達(dá)到的效果： 地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件能在在相應(yīng)的工程項目中投入使用，可以對地下水動態(tài)進行實時準(zhǔn)確的監(jiān)測并能快速有效地傳遞到系統(tǒng)控制端，整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，使用方便簡單。主要技術(shù)指標(biāo)： 對地下水的動態(tài)監(jiān)測能可靠準(zhǔn)確，反映及時，能夠運用到相應(yīng)的工程項目中，并且可以對工程項目起到非常好的幫助。主要經(jīng)濟指標(biāo)：1. 該軟件系統(tǒng)為工程

17、項目所帶來的直接經(jīng)濟效益，因為獲取地下水水位、開采量、水溫等的動態(tài)信息,用以了解分析地下水與土壤水、地表水三者之間的補給轉(zhuǎn)換關(guān)系,可以為水循環(huán)規(guī)律研究以及地下水資源合理開發(fā)利用、管理、保護提供基礎(chǔ)信息和決策依據(jù)，節(jié)省項目開發(fā)成本2. 防止地下水資源再次遭到毀滅性開采，實現(xiàn)環(huán)保經(jīng)濟效益。成果形式：得到各類傳感器在結(jié)合地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件下的最佳選型，和地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件的軟件設(shè)計，得出一整套地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件包括從數(shù)據(jù)監(jiān)測采集到數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)脑O(shè)計方案，該方案已經(jīng)實際地進行過試驗并已經(jīng)取得很好的成效，完全可以直接投入到相應(yīng)的工程中進行使用。四：項目簡介一， 項目簡介（400字） 為保護國

18、家地下水資源，并實現(xiàn)資源利用最大利益化，本項目將超聲波與移動通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種智能型，數(shù)字化，實時可靠的地下水水情動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無需重新安裝管道、外夾式超聲波探頭作為流量數(shù)據(jù)采集傳感器，地下水水情信號傳輸采用GPRS通信技術(shù)，具有覆蓋范圍廣，可靠性高，不受地理位置的限制等優(yōu)點；且將智能傳感器應(yīng)用到其中，智能傳感器大量的應(yīng)用于地下水監(jiān)測領(lǐng)域：在流量數(shù)據(jù)采集方面，孔板式、電磁式、超聲波式等新式傳感器得到了廣泛應(yīng)用，這些傳感器具有適應(yīng)性強，精度高等特點。以超聲波傳感器為例，不僅能測量普通鐵質(zhì)管道內(nèi)流體的流量，還能用于如水泥管等其他材質(zhì)的管道內(nèi)的流體流量的測量；水位傳感器方面，基于微電子技術(shù)的傳感器層出不窮，結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高和便于安裝是這些新式水位傳感器的突出特點。此外，隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸在地下水監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，具有代表性的通信方式是基于無線GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息數(shù)據(jù)傳輸和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸。這種數(shù)據(jù)傳輸方式具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、實現(xiàn)簡單、不受地域環(huán)境限制等