天津市地下水監(jiān)測站運行維護問題應(yīng)對與管理對策探討

吳 遜，郭建琴

（天津市水文水資源管理中心，天津 300061）

天津市從20 世紀(jì)六七十年代開展地下水水位分層組監(jiān)測。最初，地下水位監(jiān)測站網(wǎng)中多以生產(chǎn)井和民用井為主，監(jiān)測方式以人工監(jiān)測為主。天津市地下水管理部門自20 世紀(jì)90 年代末期開始不斷推進地下水監(jiān)測站自動化進程，逐步提高地下水監(jiān)測站自動化比例。近幾年來，隨著國家地下水監(jiān)測工程建設(shè)項目的正式落地，天津市建成了大量國家級地下水自動監(jiān)測站，在不斷完善天津市地下水監(jiān)測站網(wǎng)的同時，進一步提升了地下水自動監(jiān)測站所占比例。在省級監(jiān)測中心的加持下，實現(xiàn)了地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集傳輸、接收處理、交換共享、分析評價等全業(yè)務(wù)流程信息化。

隨著地下水自動監(jiān)測站點所占比重的不斷提高，人工監(jiān)測手段也逐漸被大量全天候運行的自動儀器取代。伴隨觀測精度的提升和站網(wǎng)密度的增加，新的運行維護管理問題也隨之被提出。例如，如何保障部署分散、數(shù)量龐大的監(jiān)測站點的安全運行，如何應(yīng)對各種突發(fā)情況以及如何建立有效的管理架構(gòu)，最終保證地下水監(jiān)測站網(wǎng)的穩(wěn)定運行。這都是面對自動化地下水監(jiān)測站網(wǎng)運行管理工作時，所需要重點研究和討論的內(nèi)容。

1 安全問題

現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備大多布設(shè)在地廣人稀之處，往往缺乏有效的監(jiān)督管理環(huán)境保障設(shè)備自身的安全。在以往自動監(jiān)測站的建設(shè)中，會隨站配置太陽能板、增益天線等設(shè)備，以滿足供電和數(shù)據(jù)收發(fā)的需要，這些附屬設(shè)備往往會配置在距離地面較近的位置。在監(jiān)測站運行過程中，這些附屬設(shè)施也是最容易受到外力破壞的。以往的經(jīng)驗是，在監(jiān)測設(shè)備周圍搭建一個臨時站房，配上安全鎖甚至是視頻監(jiān)控設(shè)備，以實現(xiàn)全方位的安全保護。但是這也帶來建設(shè)成本高、占地成本高以及臨時站房安全性等問題。同時，相關(guān)附屬設(shè)施的配置復(fù)雜度不斷提高，配置成本也隨之提升，后期養(yǎng)護成本也在不斷增加。

2 通信問題

通信不暢是自動監(jiān)測站在發(fā)送數(shù)據(jù)時會遇到的一個最典型的問題[1]，其主要原因有3個。

2.1 數(shù)據(jù)包過大或收發(fā)機制不完善

以前，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)范和專線網(wǎng)絡(luò)帶寬限制等原因，數(shù)據(jù)在報送時會出現(xiàn)大量設(shè)備同時報送數(shù)據(jù)阻塞帶寬現(xiàn)象。如果某個站點早先數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，它會在下一時段將過去未發(fā)送數(shù)據(jù)打包一起發(fā)出，這就導(dǎo)致產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)包進一步阻塞專線帶寬。為解決數(shù)據(jù)發(fā)送阻塞的問題，一般會將站點數(shù)據(jù)報送時間分散在某個時間段內(nèi)。這樣的舉措是可以減緩數(shù)據(jù)阻塞的情況，但會延遲數(shù)據(jù)接收時間，降低數(shù)據(jù)的時效性。

2.2 監(jiān)測站地處偏遠或省區(qū)交接、基站交接處

因地下水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測需求，部分監(jiān)測站會配置在天津市區(qū)邊界或人煙較為稀少的偏遠地區(qū)。這些地區(qū)的通信信號一般會較弱[2]。這部分站點一般會采用加裝增益天線或選用服務(wù)范圍更廣的數(shù)據(jù)卡等措施以改善信號發(fā)送情況，但效果往往較弱。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)迭代導(dǎo)致支持基站數(shù)量減少

隨著4G 移動網(wǎng)絡(luò)的基本普及，以往2G 移動網(wǎng)絡(luò)基站設(shè)備逐步被4G 所替代。早先建設(shè)的自動監(jiān)測設(shè)備配置的RTU 模塊大多只兼容GPRS 無線通信網(wǎng)絡(luò)。在2G網(wǎng)絡(luò)基站規(guī)模不斷收縮的情況下，部分站點已經(jīng)開始出現(xiàn)信號變差、數(shù)據(jù)報送率降低的情況。以往的解決措施是加裝天線或更換移動運營商來改善數(shù)據(jù)發(fā)送情況。目前在2G∕3G 網(wǎng)絡(luò)減頻、退網(wǎng)的大趨勢下，僅靠更換移動運營商基本已無法滿足未來網(wǎng)絡(luò)變化的需要。

3 環(huán)境變化問題

在地下水監(jiān)測站建設(shè)期間，需要根據(jù)水文地質(zhì)單元分布及地下水流向特征進行站點的選取和布設(shè)。這使得監(jiān)測數(shù)據(jù)更有代表性，但周圍環(huán)境卻往往在人為活動過程中發(fā)生變化，從而影響監(jiān)測站點的正常運行。比如，所在區(qū)域土地用途被重新規(guī)劃，所在地人工建筑物的拆除與搭建；周邊植被增長，導(dǎo)致枝葉屏蔽信號傳輸；洼地灌區(qū)水位上漲，導(dǎo)致設(shè)備被淹等。這些環(huán)境變化事件往往是不可預(yù)測和不可抵抗的，以往一般會通過數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和在設(shè)備周圍標(biāo)識信息來保護設(shè)備不被直接破壞，但往往收效甚微。

4 應(yīng)對方案的提出

4.1 應(yīng)對安全問題

相對于以往建造“大而全”的自動監(jiān)測站來說，目前水文自動監(jiān)測站特別是地下水自動監(jiān)測站開始尋找一種“小而精”的建設(shè)思路。這一思路在國家地下水監(jiān)測工程中得到了進一步的深化和完善，最終采用以下措施：以堅固抗壓的保護筒或保護箱為外殼，內(nèi)部設(shè)置增益天線和帶有高防水保護殼的儀器設(shè)備，最后在保護筒四周澆筑足夠深度的混凝土以形成穩(wěn)固結(jié)實的基座。這種措施最直接的收益就是大幅降低建設(shè)與維護成本：厚實的保護筒在后期除了需要定期噴漆之外幾乎不需要維護；足夠深的混凝土澆筑底座可以應(yīng)對大部分的地形變化，即使遇到挖掘機等大型機械的直接破壞拆解也可以保證保護筒內(nèi)監(jiān)測設(shè)備的安全；高防水保護殼可以保護儀器設(shè)備不被桶內(nèi)濕氣侵蝕；將保護筒固定在監(jiān)測井之上也可以確保監(jiān)測井內(nèi)不會有異物落下傷害到內(nèi)部監(jiān)測探頭。這一整套保護措施將監(jiān)測站的占地面積從以往至少3～4 m2精減為不足0.3 m2。這一改進在節(jié)省土地面積的同時還增強了儀器設(shè)備的安全性，降低了建設(shè)維護成本。地下水監(jiān)測站保護筒占地情況如圖1所示，大型機械挖掘后仍保存的地下水監(jiān)測站如圖2 所示。

圖1 地下水監(jiān)測站保護筒占地示意

圖2 大型機械挖掘后仍保存的地下水監(jiān)測站

4.2 應(yīng)對通信問題

對于通信問題，一般通過2 方面措施解決現(xiàn)有問題。

4.2.1 建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，約束數(shù)據(jù)發(fā)送流程

首先，在數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)，通過建立標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約來規(guī)范監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送流程。在已有通信規(guī)約基礎(chǔ)上，參照早先地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)變化情況，對每日報送數(shù)據(jù)量、設(shè)備召測機制等內(nèi)容進行約束管理，建立統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)范[3]。其次，將原先采用的數(shù)據(jù)卡和固定帶寬專線傳送數(shù)據(jù)的方式改成物聯(lián)卡和互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)的方式，從而大幅緩解了因固定時段傳輸大量數(shù)據(jù)導(dǎo)致的帶寬阻塞問題。

4.2.2 升級通信模塊，改善通信質(zhì)量

面對如今較大范圍的2G∕3G移動通信網(wǎng)絡(luò)減頻退網(wǎng)趨勢，采取2步走的策略：一方面在通信運營商中進行比較篩選，選擇現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)覆蓋密度最高的作為主要物聯(lián)卡服務(wù)提供商；另一方面及時開發(fā)采用4G 或NB-loT 網(wǎng)絡(luò)制式的RTU 設(shè)備。相比較而言，采用4G網(wǎng)絡(luò)制式僅需要對現(xiàn)有設(shè)備基板進行小幅度升級即可實現(xiàn)。而采用NB-loT 網(wǎng)絡(luò)制式則需要對設(shè)備基板進行重新開發(fā)，會產(chǎn)生較大成本。但是，NB-loT 帶來的低功耗、高連接特性將成為水文監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)通信的一個重要發(fā)展方向。在較低功耗下，配以高容量固態(tài)電池，即使面對水文監(jiān)測的密集數(shù)據(jù)通信，也可以實現(xiàn)1 a 1～2 次的低頻率運行維護成本。

4.3 應(yīng)對環(huán)境問題

相對于安全和通信問題，環(huán)境問題對地下水監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的影響往往是事后的，因此解決此類問題一般采用“預(yù)防”和“止損”2種方式。

（1）在預(yù)防方面，一般采用宣傳和標(biāo)識2 種措施。一方面在區(qū)一級地下水管理部門的協(xié)助下，建立地下水監(jiān)測站管護人臺賬，普及管護知識、簽訂管護協(xié)議、明確管護責(zé)任。在各區(qū)各站管護人大力協(xié)助下，在監(jiān)測站所在地發(fā)生土地用途變更和環(huán)境變化之前與省級監(jiān)測平臺進行聯(lián)絡(luò)備案，從而給設(shè)備保護、遷移留足準(zhǔn)備時間。另一方面，在地下水監(jiān)測站的醒目位置上，預(yù)留警示標(biāo)志和聯(lián)系方式，給監(jiān)測站留下專屬的“名片”。地下水監(jiān)測站警示標(biāo)志，如圖3所示。

圖3 地下水監(jiān)測站警示標(biāo)志

（2）在止損方面，根據(jù)設(shè)備每日報送的各個部件的參數(shù)狀態(tài)來綜合判斷設(shè)備是否完好運行，結(jié)合巡檢工作實現(xiàn)24 h 內(nèi)全市范圍內(nèi)的緊急響應(yīng)，在設(shè)備出現(xiàn)疑似損壞后抵達現(xiàn)場排除故障，及時恢復(fù)數(shù)據(jù)正常報送，保證地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)完整。

5 管理策略的探索

5.1 設(shè)備保護策略探索

目前，雖然地下水監(jiān)測站建設(shè)得足夠堅固和耐用，但是其占地面積很小，仍有被忽視的可能。為此，擴大監(jiān)測站占地區(qū)域的策略逐漸被各省采用。這種策略在不改變監(jiān)測站保護筒（箱）原有大小的基礎(chǔ)上，在其周圍圈出約4～6 m2面積的區(qū)域，并加以圍欄保護，一方面可以保證運行維護人員的正常進入，另一方面也可以提示非運行維護人員該設(shè)備的重要性。由于各省市各監(jiān)測站建設(shè)環(huán)境千差萬別，所以這種保護策略僅在少數(shù)監(jiān)測站進行了初步應(yīng)用。2種擴大占地面積的監(jiān)測站保護措施，如圖4所示。

圖4 2種擴大占地面積的監(jiān)測站保護措施

5.2 聯(lián)動管理機制探索

為保障地下水監(jiān)測站的穩(wěn)定運行，離不開多方的協(xié)作和共同努力。其中，區(qū)一級管理部門協(xié)助完成了很大一部分現(xiàn)場協(xié)調(diào)工作。天津市作為直轄市更應(yīng)該盡可能發(fā)揮區(qū)一級地下水主管部門的作用，根據(jù)實際需要，將部分管理權(quán)限下放，使管理職能進一步下沉。例如，在年度“千眼大檢查”中，區(qū)級地下水主管部門展現(xiàn)了強有力的管理能力，在短時間內(nèi)完成了地下水監(jiān)測站的排查工作。

5.3 管理制度探索

相比臨時的應(yīng)對策略和管理手段，建立長久有效的管理制度是完善地下水監(jiān)測站運行維護管理的最終目的。經(jīng)過多年的探索和改進，水利部信息中心發(fā)布了《國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）運行維護管理辦法》（水信息〔2018〕322 號）。各省市包括天津市也建立了一系列的地下水監(jiān)測站運行維護管理制度。山東省水利廳更是建立了《地下水水文資料整編管理辦法（試行）》（魯水資〔2020〕2 號），以整編工作推進運行維護管理工作的有序?qū)嵤?/p>

6 結(jié)語

水文監(jiān)測是水務(wù)管理工作的“耳目”和“尖兵”。作為各項監(jiān)督、考核以及防汛抗旱管理工作的基礎(chǔ)，水文監(jiān)測在基層默默發(fā)揮著自身的作用。地下水監(jiān)測作為水文監(jiān)測的一項，是超采區(qū)治理、最嚴(yán)格水資源考核管理等工作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和管理依據(jù)。而地下水監(jiān)測站的運行維護工作則是地下水監(jiān)測的根本保障。

筆者從多個角度對地下水監(jiān)測站運行維護工作所遇到的問題進行了分析，提出了應(yīng)對方案，并在保護策略、聯(lián)動管理機制以及管理制度3 個方面對運行維護工作管理策略提出了探索性的論述。通過以上方案和策略，可以進一步提升地下水監(jiān)測站運行維護管理能力，使地下水監(jiān)測站網(wǎng)充分發(fā)揮自身作用，為水務(wù)管理工作提供堅實、穩(wěn)定的支撐。