塔里木河中下游地下水动态在线监测系统的设计与应用
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摘要：针对塔里木河中下游地下水动态在线监测现状，有效利用网络简化数据，增加预报、预警功能及优化供电系统。结果表明，在塔里木河中下游安装设备，完成了远程传输及分析数据，以18 d实时监测数据为依据，地下水位在3.462-3.617m波动。以胡杨生长的地下水位阈值为判断依据，此位置地下水位位于0.50-4.71 m，未越过良好与胁迫生长阈值，在胡杨长势良好范围内，即胡杨长势良好，不产生预报预警信息。该地下水监测系统可以用于塔里木河中下游地下水位动态监测工作。
关键词：塔里木河;地下水位;监测系统;数据采集;模块
中图分类号：TP29
文献标识码：A
文章编号：0439-8114（ 2020）12-0167-04
D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.037
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
塔里木河（简称塔河）流域作为中国西北内陆灌溉规模最大的流域，也是支撑中国科学发展的重要能源、资源战略后备基地，确保沿线林地生态健康是维持干流生态安全和保证区域内绿洲可持续发展的基础。而在塔里木盆地严酷的自然环境中，以胡杨（Populus euphratica）为主体的荒漠河岸林维系着塔河流域绿洲生态系统的结构完整与稳定…，因此对胡杨的保护刻不容缓，地下水作为胡杨生长的主要决定条件被很多学者研究，尤其监测方面引起高度关注。
现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，促进了水资源监测技术自动化的发展[2]，国内地下水监测系统不断在自动化方面取得成就，各类新型地下水监测仪器涌现出来，野外地下水监测工作发展为在线远程传输，极大地减轻了工作量，提高了工作效率[3]。目前，对地下水监测系统的研究主要体现在4个方面：地下水采集模块研究、数据传输模块研究、数据处理监测中心模块研究和远程监测终端模块研究。系统工作流程基本为在系统中数据采集仪进行数据采集，然后根据中心站计算机发出的指令通过GPRS上报所采集到的数据和相关设备参数，中心站计算机系统将接收到的数据进行处理和记录，再发送至检测终端[4-10];但对互联网的使用度不高，如数据处理传输可以依靠互联网平台;一些基本问题也并未深入研究，如系统供电、设备安装和可靠性研究等;对数据利用程度较低，未达到可以预警预报的效果。
该地下水监测系统针对以上不足，免去了数据处理分析，直接由环境监测云平台分析;优化供电系统，以较为容易获取的太阳能作为电能来源，采取双电源供电;数据采集精度更高，且增加了预警预报功能，当地下水位变化达到预警范围时，环境监测云平台自动发送报警信息。
1 地下水动态实时监测系统设计
系统主要包括投入式液位变送器、数据采集模块、供电模块等。投入式液位变送器采集地下水位变化信号，信号通过电缆传输至数据采集模块，数据采集模块中的GPRS流量模块将信号发送至远端环境监测云平台，环境监测云平台对数据分析处理，结果用户可在远端服务器登录查看，同时会发送处理结果至预留手机号的移动设备。系统整体结构如图1。
1.1 GPRS投入式液位计
CPRS投入式液位计主要包括投入式液位变送器和数据采集模块，其在地下水位动态监测过程中最主要的作用就是对水位的变化情况进行检测[11]，采集地下水位变化信号，对数据精度和整个系统运作起重要作用。为了对塔里木河中下游地下水位准确监测，选取由山东奥博赛德自动化科技有限公司出产的型号为ABSD-802-GPRS的GPRS投入式液位计，防水功能强，工作温度范围大（-40-80℃），采用12 V直流电供电，电量损耗低，适用野外地下水位监测工作。
1.2数据传输与处理
数据采集模块通过内置CPRS流量模块将数据传输至环境监测云平台，通信时数据传输速率最高可达到171.2 kb/s，实际传输速率也可达到40 kb/S[12]，满足数据传输需求。
环境监测云平台将得到的数据与地下水位阈值比较，将比对结果以短信形式发送至预留手机号移动设备，或者客户通过服务器登录账号，查看水位变化数值，以塔里木河地下水位对胡杨的生长影响为例，地下水位变化对胡杨生长具有重要影响，胡杨生长的胁迫水位是4.71 m，临界水位是8.62 m，即当地下水位位于0.50-4.71 m范围内时，胡杨生长状态最好;当地下水位的波动范围在4.71-8.62 m时，胡杨生长出现胁迫;当地下水位下降超过8.62 m时，胡杨将会呈现出衰败‘”]。胡杨生长的地下水位阈值如表1所示。
1.3 供电系统
塔里木河中下游流域人迹罕至，地下水监测设备一般也建设在沙漠深处，因此野外交流电的获取有困难，可以采取蓄电池交换使用代替交流电为监测系统供电，且目前为了保证数据的连续性，水位监测点的设备通常采用太阳能供电[14]。该监测系统也采用太阳能供电，一方面容易获取，也免去了获取交流电的大额费用，供电系统包括两个太阳能电池板、两个太阳能电池板控制器、两个蓄电池和一个双電源自动转换开关。一个太阳能电池板与一个太阳能电池板控制器连接，太阳能电池板控制器电池接口与蓄电池连接，负载接口接人双电源自动转换开关输入端，并有相同一路组合接人双电源自动转换开关输入端，自动转换开关输出端接GPRS投入式液位计完成供电。太阳能电池板在光照作用下，将产生的电能通过太阳能电池板控制器传输至蓄电池，储存在蓄电池中，上述太阳能电池板控制器主要起到短路开路保护、过充过放的保护作用（图2）。
2 设备的安装
地下水监测仪器安装主要包括地下水观测井修建、GPRS投入式液位计和供电模块安装，地下水观测井为GPRS投入式液位计提供安装平台，供电模块为GPRS投入式液位计提供电能。 1）观测井。国内大部分的地下水监测设备使用或需要使用专用观测井[15]，在现代化打井设备的辅助下，对井壁固化防水处理，既要保证井壁不坍塌，也要防止外界水进入对地下水水位变化产生影响，造成数据采集不准，观测井底部需采取防止泥沙进入的工程措施（多层土工布包裹），以免泥沙堵塞投入式液位变送器采集孔，且为保证地下水位实时变化，底部应设置地下水渗流通道（均匀透水孔）。
2） CPRS投入式液位计的安装。将投入式液位变送器投入观测井中，观测井顶端采取防水措施，避免外界水进入对地下水水位变化产生干扰，数据采集模块与供电模块相连置于保护箱中，保护箱用不锈钢材质制作，底部设有电线孔和漏水孔，对GPRS投入式液位计和供电设备起到保护作用。
3）供电模块的安装。将两个太阳能电池板固定于不锈钢架子上，面向正南方向，且与水平夹角保持45℃，便于更大程度接受光能，提高光能转为电能的效率，转化的电能通过太阳能电池板控制器储存在蓄电池中，蓄电池连接到双电源自动转换开关输入端，双电源自动转换开关输出端接GPRS投入式液位计，完成系统供电。
3 设备的可靠性分析
塔里木河及周边区域环境复杂，置于野外的地下水动态监测系统面临很大考验，为了确保得到地下水实时监测数据，设备的可靠性是研究的重要内容。
1）设备的耐用性。长期暴露在野外的设备经常因昼夜和季节的变化，工作在高温与低温的转化之中，对设备工作温度区间有很高要求。在野外，设备也易受到化学腐蚀，设备材料的选取和保护措施显得极其重要，设备材料的选取应适合野外环境（耐腐蚀抗高温），且对重要设备应采取集中保护，如用不锈钢密码盒将其收纳起来，防止日晒和雨水对仪器的危害。
2）设备的供电系统。目前，已有很多为野外设备供电的单路供电系统，即一个太阳能电池板和一个蓄电池组合对设备供电，对供电系统加以改进，采用双电源自动转换供电系统，由太阳能电池板连接太阳能电池板控制器再接蓄电池，并有相同组合的一路（太阳能电池板连接太阳能电池板控制器再接蓄电池）与其共同接人双电源自动转换开关，自动转换开关将一路接人数据采集设备，完成供电工作。当一路蓄电池供电不足时，自动转换开关自动跳转到另一路，完成持续供电，其中蓄电池选用12 V 80 A-h容量，即蓄电池在额定电压情况下以1A电流进行供电可以工作80 h，以保证设备供电系统正常运行。
3）设备的数据传输。随着互联网的快速进步，数据传输都采用无线远程传输，地下水动态在线监测设备也是如此，投入式液位变送器采集到的数据，由电缆传输至数据采集模块，数据采集模块中的GPRS无线传输模块传输至远端环境监测云平台。
4 实际应用
在塔里木河中下游安装地下水位监测设备，客户端服务器远程登录环境监测云平台，查看实时数据，移动设备接受预报预警信息。
实际监测数据为投入式液位变送器至地下水水面的距离，地下水位应为地面至投入式液位变送器的距离减去实时监测数据。以实时监测数据计算地下水位。如图4以18 d实时监测数据为依据，实际安装中投入式液位变送器距地面3.73 m，计算得仪器安装位置地下水位在3.462-3.617 m波动。以胡杨生长的地下水位阈值表为判断依据，此位置地下水位位于0.50 - 4.71 m，未越过良好与胁迫生长阈值，且在胡杨长势良好范围内，即胡杨长势良好，不产生预报预警信息。该区域胡杨长势良好，且有较多新生苗萌发，与数据判断相符。
5 小结与讨论
为了深入研究塔里木河中下游地下水动态变化，本研究采用GPRS投入式液位计采集和发送数据，供电采用双路自动切换供电系统，环境监测云平台处理数据，以短信形式发送至预留号码的移动设备，发送时间间隔用户可依据需求设定，用户也可登录账号，在远端服务器中查看，预报预警也是以短信方式发送至移动设备，当地下水位变化达到预警范围时，会以不同的短信内容预警地下水当前状况;最后模拟观测井，对系统运行做检测，系统可以正常运行，且数据精度高，免去了数据的采集和分析，为地下水动态监测提供方便。
地下水位监测是一个长期过程，获取大量数据，加以正确处理分析，才能对实际应用有所帮助，因此地下水监测系统的稳定运行是重要挑战，需要投入更多的时间做稳定研究，保证数据的连续性，且将监测工作有效与互联网结合，做到稳定、省时、省力和高效监测地下水动态变化。
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基金项目：塔里木河中下游胡杨生态修复研究与示范项目（2017-HY）
作者简介：杨磊（1995-），男，甘肃平凉人，硕士研究生，研究方向为水土保持研究，（电话）18706706064（电子信箱）1847587673@qq.com;通信作者，霍艾迪（1971-），男，陕西渭南人，博士，教授，研究方向为水土保持与荒漠化研究，（电话）15829799036（电子信箱）huoaidi@163.com。
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