地下水动态监测系统软件的研发

课题名称：地下水动态监测系统软件的研发编号：1；项目背景及国内外现状项目背景：地下水是水资源的重要组成部分，在支持经济社会发展、维护生态平衡和保障城乡居民生活等方面具有十分重要的作用。地下水具有水质好、分布广、污染少、供水量稳定、可持续利用时间长等特点，自古以来就得到了广泛的应用，随着我国工业农业的发展，地下水的开采量越来越大，到1979年底，全国地下水年开采量达到400亿m3左右；进入新世纪以来，经济迅速发展，用水量也急剧增加，2008年我国地下水年开采量达到了1091亿m3。现在，我国年供水量约5600亿m3，地下水供水量约1l00亿m3，占总供水量的近20%，近30年来，我国地下水开采量以每年25亿m3的速度递增，我国70%以上的城市都以地下水作为工业，农业和生活用水的主要水源，一些地区，甚至已成为唯一的水。所以，地下水对经济社会的发展具有重要的支撑作用。但是，地下水在促进社会发展的同时，也遭到了严重破坏。初步统计，全国已形成大型地下水降落漏斗100多个，面积达15万平方公里，超采区面积62万平方公里，严重超采城市近60个，造成众多泉水断流，部分水源枯竭。地下水超采区主要分布在华北平原、关中平原、松嫩平原、辽河平原、西北内陆盆地的部分流域（石羊河、吐鲁番盆地等）、长江三角洲、东南沿海平原等地区，其中华北平原最为严重，地下水资源濒于枯竭。以山西省古交市为例，作为山西省的一个重要能源型城市，辖区内长期、大量开采地下水的煤矿，洗煤厂，焦化厂数目众多，短短十年间，地下水水位下将了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，地下水这一重要资源遭到了严重破坏。为了防止地下水资源再次遭到毁灭性开采，我们必须对这一重要的水资源进行监测，加强管理。通过地下水监测,可以获取地下水水位、开采量、水温等的动态信息,用以了解分析地下水与土壤水、地表水三者之间的补给转换关系,为水循环规律研究以及地下水资源合理开发利用、管理、保护提供基础信息和决策依据。美国、荷兰等发达国家的经验表明，在基本掌握地下水的赋存与分布特征的基础上,建立地下水长期监测网络，是提高地下水资源研究水平,做出准确评价,加以科学保护和合理利用,避免出现灾难性后果的最重要手段。[2]因此,为掌握地下水运动规律,遏制与之相关的地质灾害和生态环境问题,迫切需要建立完善的地下水监测网络，为地下水的合理开发利用提供可靠的数据参考。但是，我国监测水平非常的低。九十年代以前，全国多数地下水监测工作采用传统的人工监测方式,使用测绳、皮尺、测钟等传统测量手段。人工监测得到的数据一般是采用普通信函、电报、电话报送到地级市,地级市再通过信函、电话、传真、网络报送至省里。信息传输速度十分缓慢,与水资源信息化的要求尚存在一定差距。进入新世纪，虽然监测水平有了大幅提高，但是与发达国家相比还是存在较大差距。从国内外发展趋势看,实现地下水的自动监测和信息的自动传输是提高监测数据的可靠性和时效性的必要手段。国外地下水水情监测技术发展现状：地下水是美国水资源的重要组成部分，可为美国提供用水总量的四分之一。美国一半的人口靠地下水供应饮用水。正是鉴于地下水资源的宝贵及其特殊性，美国对地下水监测极为重视。美国的监测手段分为以下三种：第一种，按照选定的间隔，用钢卷尺或绝缘带手动测量地下水水位，通常都是按月或按季进行测量，得到的是周期性数据。第二种，连续数据是采用自动遥感设备测量地下水流量，水位等水情信息，通过数据记录器记录数据。最后一种，实时数据是通过卫星或电话，至少每天一次将水井数据传送到信息中心，实时数据反映了测点水井状况。后两种方式是现行发达国家主要的监测和传输手段，但是仪器非常的昂贵，光使用卫星通讯一项就需要上千万美元。地下水量监测在欧洲有很久的历史。最早的地下水监测网是在1845年建立的，大多数是在20世纪初建立的。平均记录时间在20～35年之间。除法国和德国外，大多数监测网是由单个机构负责，监测网范围是全国性的。大多数地下水观测点均匀分布在各个地下水含水层上，如多孔介质含水层、岩溶含水层、自流含水层和深层地下水含水层等。取样点的数量、总面积和密度变化很大、这些差异通常是各国情况不同，还有地质条件的不同造成的。举例来说，对于多孔介质含水层，调查面积最大的是西班牙，为79258km2，最小的是德国北威斯特法伦州，取样最多的有42900个取样点，最少的是爱尔兰，只有2个取样点。取样点的密度变化从挪威的0.004到芬兰的7.3个。其他类型的地下水资源的对比也表明了相同的结果。监测网由多种类型的观测点组成，大部分为钻井和挖掘井，还有打入管井和泉水井。观测变量大多数相同：地下水位（所有国家）、地下水温（几乎所有）、泉水位和泉水流量。所有国家都有观测水位的观测点，其他观测点的频率是不同的，比如：对于地下水位，它在每周1至2次之间变化。观测质量和取样方法由不同国家标准决定。质量保证方法对每个监测网都是关键，他们使得获得的数据更加可靠和更具可比性.国内地下水水情监测技术发展现状：新中国建立后，我国的地下水监测方法和监测设备得到不断改进和发展。五、六十年代，地下水储量大，埋深较浅，用人工方式容易观测，有的地区甚至可直接用直尺测得。当时的测量手段为人工测量,使用原始的直尺、测钟，后来改为电表、电线，不管天气如何都要到现场操作，而且效率、频率低,误差大。监测时间因受当时条件限制，一般五天监测一次，利用步行、自行车做交通工具。用纸质表格记录,通过邮寄方式报送总站。监测资料集中后,由技术人员进行整理存档，以待备用。地下水水位地下水开采量的监测基本处于启蒙状态，少数地区采用是在开采井的出水管上装传统式流量测量仪器。地下水水情的数据传输多以邮寄方式，速度慢，容易出差错[6]。进入新世纪，地下水水情数据采集监测系统有了新的发展。智能传感器大量的应用于地下水监测领域：在流量数据采集方面，孔板式、电磁式、超声波式等新式传感器得到了广泛应用，这些传感器具有适应性强，精度高等特点。以超声波传感器为例，不仅能测量普通铁质管道内流体的流量，还能用于如水泥管等其他材质的管道内的流体流量的测量；水位传感器方面，基于微电子技术的传感器层出不穷，结构简单，测量精度高和便于安装是这些新式水位传感器的突出特点。随着电子信息技术的飞速发展，无线远程数据传输在地下水监测网数据通信领域得到了广泛应用，具有代表性的通信方式是基于无线GSM网络的短消息数据传输和GPRS无线数据传输。这种数据传输方式具有数据传输可靠、实现简单、不受地域环境限制等特点，但是由于网络容量的限制，在速率、延时和效率方面存在着不足，不适合不定期和长时期的数据传输。而GPRS无线分组通信业务，不仅克服了短消息实时性不强的缺点，而且以覆盖面广、传输速率高、易于维护和扩展的特点，受到了更多的关注。2；立项目的意义：地下水是水资源的重要组成部分。进入新世纪以来，我国地下水开采量以每年25亿m3的速度递增，保证了经济的快速发展和人民生活的稳步提高，却也遭到了严重的破坏。以山西省古交市为例，辖区内煤矿，洗煤厂，焦化厂数目众多且位置分散，近十年来，由于这些企业对地下水的长期过度开采，地下水水位下降明显，古交市已属于地下水严重超采的城市之一。本论文针对以上情况，以古交市地下水开采量较大的六个开采点为应用背景，结合目前地下水监测技术现状，以MSP430微处理器为核心，融合GPRS移动通信技术设计了一套地下水水情动态监测系统。本项目首先介绍了课题的研究背景及国内外地下水水情数据采集传感器及监测技术的发展现状；在参阅大量文献资料的基础上提出了地下水水情监测系统的总体设计方案，并介绍了系统工作原理及其主要功能；继而分别就监测终端的硬件设计和软件设计进行了详细的论述；针对本系统测点多且分布广的特点，设计了独特的数据传输方式,重点讲述了水情数据传输的通信协议；随后介绍了信息中心监控软件的编写过程和功能结构；在介绍完整个系统之后，本文说明了系统调试和安装应用情况，并就安装及使用过程中发现的一些问题进行了分析与总结；最后总结了系统的特点，并对系统将来的发展进行了展望。3，本课题的简要说明分析二、主要研究内容、关键技术及研究方法（本地方请详细说明一下）（主要研究内容及创新点，拟采用的关键技术，要解决的主要技术难点以及采用的研究试验方法等）本文将超声波与移动通信技术相结合，设计了一种智能型，数字化，实时可靠的地下水水情动态监测系统。系统采用无需重新安装管道、外夹式超声波探头作为流量数据采集传感器，地下水水情信号传输采用GPRS通信技术，具有覆盖范围广，可靠性高，不受地理位置的限制等优点；由于信息传输按流量的计费，在保证数据传输及时、准确的前提下，可以将运行费用降到最低，很好的解决了以后系统扩展，监测项目增多，数据量加大所带来的费用问题。主要研究内容：结合监测地下水的各类传感器与计算机监控系统实现对地下水的精准监控。传感器类型如下：流量传感器：孔板式流量传感器、电磁流量传感器、超声波传感器水位传感器：电容式水位传感器、电阻式水位传感器、温度传感器：基于铂电阻PT100的温度传感器、DS18B20温度传感器以上传感器的选用和结合使用，都需要在项目中逐一检验效果后确定。技术创新点：1、系统数据采集站所实现的主要功能有：1）、流量、水位、水温信息自动采集、转换、存储，现场显示。2）、根据设定时间，定时向信息管理中心发送实时水情信息。3）、根据信息管理中心的需要，随时发送实时水情信息。2、信息管理中心监控软件所实现的主要功能有：1）、与数据采集站进行基于GPRS技术的无线通信,实现水情信息的远程实时传输。2）、通过程序设计将收到的实时水情信息自动转换为可以进行显示、存储、后期处理的数据格式。3）、通过程序设计在无人值守的情况下，实现数据的自动采集、存储、显示及生成报表；能够自动监测到非正常状态的发生，并自动生成报警报表。4）、实现便于用户操作的人机交互界面，实现水情信息的多类型显示、查询、存储、打印、报警输出等功能。关键技术：各类传感器的结合能实现资源利用最大化，并且能与地下水动态监测系统软件无缝连接。解决的主要技术难点：数据采集终端的电路结构流量传感器的选型水位传感器的选型温度传感器的选型监测系统与各类传感器的连接，通讯方式选用采用的研究试验方法：本地下水动态监测系统软件的研发会不断地对各类传感器的选型进行试验性探究，记录好每一种选型的测试数据，并进行相应分类，最后结合地下水动态监测系统计算机软件的设计部分得出最终的监测系统设计方案。三、课题预期目标、技术经济指标和成果形式（主要包括①预期目标：预期达到的宏观目标及用途、范围等；②主要技术指标：如形成的专利、新技术、新产品、新装置、论文专著等的指标、水平及数量等；③主要经济指标：如技术及产品应用所形成的市场规模、效益等；④课题实施中形成的示范基地、中试线、生产线及其规模等；⑤成果形式：课题研究最终实现的成果，如完成：样机研制、新工艺及设备改进、产品改进或质量攻关、专利、研究报告、试验报告、论文、专著及其达到的技术鉴定或评审级别。）预期达到的效果：地下水动态监测系统软件能在在相应的工程项目中投入使用，可以对地下水动态进行实时准确的监测并能快速有效地传递到系统控制端，整套系统运行稳定、可靠，使用方便简单。主要技术指标：对地下水的动态监测能可靠准确，反映及时，能够运用到相应的工程项目中，并且可以对工程项目起到非常好的帮助。主要经济指标：1.该软件系统为工程项目所带来的直接经济效益，因为获取地下水水位、开采量、水温等的动态信息,用以了解分析地下水与土壤水、地表水三者之间的补给转换关系,可以为水循环规律研究以及地下水资源合理开发利用、管理、保护提供基础信息和决策依据，节省项目开发成本2.防止地下水资源再次遭到毁灭性开采，实现环保经济效益。成果形式：得到各类传感器在结合地下水动态监测系统软件下的最佳选型，和地下水动态监测系统软件的软件设计，得出一整套地下水动态监测系统软件包括从数据监测采集到数据处理传输的设计方案，该方案已经实际地进行过试验并已经取得很好的成效，完