汇点项目水源热泵地下水资源监测系统设计方案.docx
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汇点项目水源热泵地下水资源监测系统设计方案
综述
实施方案的建设背景
建筑节能是当前人们谈论最多的话题之一。
一般说来，建筑能耗占人类社会能源总消耗的1／3左右，而建筑物空调系统能耗又占到建筑能耗的40％以上，对于绿色建筑而言，其核心内容之一就是尽量减少能源、资源消耗，减少对环境的影响，尽可能采取、风能、地热、生物能等自然能源。
所以，环保、节能的空调采暖系统对于追求自然、建筑和人三者之间和谐统一的绿色建筑而言其重要性是不言而喻的，而水源系统正是满足这些要求的新兴之一。
水源热泵技术是利用地球表面浅层水源如地下水、河流和湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能资源，并采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。
地下水源热泵从地下水中不断提取能量的过程，正是提升大量的地下水至地面，通过热泵机组提取能量后，再将其回灌到地下的连续运行过程。
因此，对其整个过程必须了解：
1、地下水的回灌，能否补充地下水源、调节水位、维持水的储量平衡，避免在水泵运行抽取地下水期间，在取水井周围形成降水漏斗，造成降水漏斗范围内的建筑沉降。
2、回灌水是否存在污染和破坏，对水质是否存在影响以及影响程度如何。
3、回灌水的温度，若回灌分布密集，则有可能形成局部的高温区域，造成环境热污染。
针对以上需关注的过程，就必须对取水与回灌进行监测。
汇点项目水源热泵地下水资源监测系统的建设，其目标是通过水资源监测系统，利用现代信息技术进行数据采集、传输和报告，在省水文局机房、与企业信息中心连续24小时及时准确地获得取水井、回灌井的水情（水位、水量、水质）数据，为水环境的保护与决策提供科学的依据。
使其达到合理开发、节约用水、有效保护和利用水资源、符合江河流域或区域的综合规划及水资源保护规划等专项规划、遵守经批准的水量分配方案或协议，按规定取用水。
项目的建设地点
滙点项目位于武侯大道，三环路和绕城高速之间，具体地址：
武侯区簇桥乡顺江村2、3组、机头镇果偃村6组，符合城市规划布局要求，交通条件便利，便于利用城市基础设施。
本工程区以东有府河流经，以西有江安河流经，以北有清水河流经，均属岷江水系。
根据《成都市水文地质工程环境地质综合勘察报告》，江安河河长65.5km，河床平均比降1.22%，河口多年平均径流量13.37m3/s；府河河长102.5km，河床平均比降0.98%，河口多年平均径流量102.23m3/s；清水河河长43.2km，河床平均比降1.50%，河口多年平均径流量26.84m3/s；江安河于华阳镇汇入府河干流，，清水河在成都市西郊送仙桥与磨底河汇合进入市区称南河，于安顺桥汇入府河，府河是建设项目区地下水的排泄基准面。
下图为汇点项目地理位置与水系图：
项目区域水资源现状
成都市武侯区现状水资源开发利用程度占水资源总量的83.13%（未计入过境水），在四川省属开发利用程度较高的地区。
但由于县境内无兴建调蓄的骨干水利工程条件，给水资源的利用造成不利因素，全县现状水资源利用程度只占开发量的26.8%，其余水作为弃水流失。
在水资源利用中也存在一些问题，即水资源浪费大，污染日趋严重。
总体来说，本项目区域地表水开发利用程度较高，周围没有大型的地下水取水户，城镇居民水均由市政自来水管网提供，地下水的开发利用较为有序，未出现突出地下水资源开发利用问题。
实施方案的建设原则
项目建设遵循以下原则：
实用性：
满足水资源监测管理系统的功能需求，并能够产生积极的效果。
先进性：
采用成熟可靠的前沿技术，顺应技术发展的主流方向，确保系统整体技术先进。
整体性：
注重整体规划，确保系统各个环节指标协调一致。
经济性：
追求最佳性能/价格比，充分利用已建、在建和后续建设的信息化系统成果，避免重复建设。
可扩展性和兼容性：
保障系统在其生命周期内能够与其主流技术兼容，系统功能可扩充，并能够在不同档次、不同规模的平台上运行。
可靠性：
确保系统整体运行稳定、安全、可靠。
实施方案的建设内容
1）项目建设的目标是：
运用先进的信息采集传输技术、水质检测技术、计算机信息系统集成技术，实现对汇点项目水源热泵的取水井、回灌井的流量、水位、取水量、水温、水质等信息的自动、连续、实时地在线监测，为水环境的保护与决策提供科学的依据。
2）项目建设的规模是：
系统建设规模为万元人民币。
3）项目建设的内容是：
（1）水资源监测中心站1个（包括：
中心站机房计算机局域网、水资源监测系统数据、水资源监测系统应用软件、水资源监测系统中心站机房及值班室的配套设备）。
（2）取水井位处监测点2个（从取水井中选取两个作为监测点；实现水温、地下水埋深的在线实时监测）。
（3）取水汇入管网监测点1个（在企业取水汇入管网处对位监测点；实现管道流量、PH、水温、电导率、溶解氧、溶解性总固体TDS的在线实时监测）。
（4）回灌井位处监测点2个（从回灌井中选取两个作为监测点；水温、地下水埋深的在线实时监测）。
（5）企业回灌汇入管网处1个（在企业回灌汇入管网处对位监测点；实现管道流量、PH、水温、电导率、溶解氧、溶解性总固体TDS的在线实时监测）。
（6）高清正投会商系统建设：
会商室中控系统建设；会商室高清（HDMI）视频显示系统建设；会商室音频扩声系统建设。
实施方案的建设标准和依据
本项目建设的标准包括：
1）《中华人民共和国水法》（1988年颁布，2002年修改）；
2）《中华人民共和国环境保护法》（1989年颁布）；
3）《中华人民共和国水污染防治法》（1984年颁布，2008年修改）；
4）《中华人民共和国可再生能源法》（2006年颁布）；
5）《取水许可和水资源费征收管理条例》（中华人民共和国国务院第460号令）；
6）《水资源费征收使用管理办法》（财政部、发改委、水利部［2008］79号文）；
7）《中华人民共各国可再生能源产业发展指导目录》（发改委2005年制订）；
8）《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》（财政部2006年颁布）；
9）《关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》（国土资发［2008］249号）；
10）《取水许可管理办法》（水利部第34号令）；
11）《建设项目水资源论证管理办法》（水利部、国家计委［2002］第15号令）；
12）《四川省<中华人民共和国水法>实施办法》（四川省政府第99号令，2005年）；
13）《四川省人民政府关于加强节能工作的决定》（川府发［2007］8号）；
14）《四川省建设项目水资源论证报告书编制要求（试行）》（四川省水利厅川水函（2004）100号）；
15）《关于全面推进节水型社会建设的意见》（川府发[2011]39号）。
16）《关于调整水资源费征收标准的通知》（川办函（2005）110号）；
17）《四川省城市供水管理条例》（2000年颁布，2011年修正）；
18）《成都市水资源管理条例》（1992年6月实施）；
19）《成都市地下水资源管理办法》（2007年9月实施）；
20）《成都市节约用水管理条例》（2009年1月实施）；
21）《国务院关于实行最严格水资源管理制度》（国发［2012］3号）；
22）《四川省人民政府关于全面推进节水型社会建设的意见》（川府发［2011］39号）；
23）《四川省取水许可和水资源费征收管理办法》（省政府258号令，2012年8月1日实施）；
24）《四川省建设项目水资源论证报告书编制要求（试行）》（四川省水利厅川函（2004年）100号）
25）《建设项目水资源论证导则（试行）》（SL/Z322-2005）；
26）《四川省地源热泵系统工程技术实施细则》（DB51/5067-2010）；
27）《水文调查规范》（SL196-97）；
28）《水资源评价导则》（SL/T322-1999）；
29）《供水水文地质勘查规范》（GB/T50027-2001）；
30）《当前国家鼓励发展的节水设备（产品）目录（第一批）》（公告2001年第5号）；
31）《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）；
32）《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）；
33）《环境影响评价技术导则》（HJ/T2.1-2.3-93、2.4-1890）；
34）《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）；
35）《居住建筑节能设计标准》（JGJ134-2001）；
36）《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）；
37）《注水试验规程》（YS5214-2000）；
38）《地下水资源勘察规范》（SL454-2010）；
39）《水资源监控设备基本技术条件》（SL426-2008）；
40）《水资源实时监控系统建设技术导则》（SL349-2006）；
41）《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134-2010）；
42）《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T91-2002）
43）《PH水质自动分析仪技术要求》（HJ/T96-2003）
44）《电导率水质自动分析仪技术要求》（HJ/T97-2003）
45）《浊度水质自动分析仪技术要求》（HJ/T98-2003）
46）《溶解氧（DO）水质自动分析仪技术要求》（HJ/T99-2003）
47）《氨氮水质自动分析仪技术要求》（HJ/T101-2003）
实施方案的需求分析
实施方案的功能需求
1）业务功能：
实现水位检测、水量检测（电磁流量计检测水量）、水质检测、检测数据自动上传上位机、实时数据超阈值报警、数据处理整编入库、数据高级应用。
2）业务流程：
地下水资源监测项目的核定—→监测点的建设—→监测点验收投运—→监测数据（水位、水量、水质）上传。
3）业务处理量：
2个进水井监测管理、1个取水汇入管网处监测管理、2个回灌井监测管理、1个回灌汇入管网处监测管理。
实施方案的信息量指标
1.1.1系统数据处理量的分析
现场机数据处理任务包括通信协议解析、传感器数据采集标定、报警条件判断、历史数据存储查询和工况监视管理等，地下水资源监测系统采集周期一般设为5分钟，通过高效的程序设计，一般处理能力为8MIPS的MCU均能在20秒内完成20路传感器的巡测和数据处理存储，应答上位机历史数据召测的时间一般小于10秒。
上位机数据处理任务包括以下内容：
1）接收解码存储来自监测点现场机的监测数据；
2）对接收到的水情水质数据和工况数据进行监视预警；
3）指定时间内最大，最小，平均，折算，累计；
4）查询统计，图形图表的生成显示和打印；
5）正常运行网络操作系统、数据库管理系统和WEB服务器软件等应用软件。
其中最后一项与应用软件的功能和开发运行方式有很大关系，并随时有修改扩充的可能，对上位机处理能力有较高要求，方案设计中由专用服务器充当。
1.1.2系统数据存储量的分析
现场机的存储量需求与历史数据库的构成、监测指标数、存储周期、要求最长存储时间有关，如要求现场机最多可监测30个理化指标（实际只测五参数，这里按30个理化指标计算，是为了增加存储容量的充分冗余度），每小时带时标存储一次数据，存储时间1年以上；则容量应大于：
30×4×8760≈1MB
考虑时间戳、标志和报警数据等的存储，现场机历史数据存储器应大于1.2MB。
上位机数据存储量与监测范围（现场机数量），监测频次（现场机存储上传周期）有关，设现场机上传周期为60分钟，现设计现场机总数为6台，考虑到扩展性按20台计算，每台现场机可采样的理化指标项数为30项；则每项数据（8字节）加时间戳（8字节）和设备标识（14字节）、测站编号（8字节）后占用：
8+8+14+8=38字节
污染物超限和设备故障等报警数据按15%估算；
上位机招测产生的数据按15%估算；
则每小时数据库入库数据量约为：
（20×30×38）×1.3=29.64KB
上位机存一年历史数据需存储量：
29.64KB×8760≈0.26GB
真实的存储量需求还与具体的数据库管理系统的实现有关。
如果再考虑来自绵竹市防汛抗旱指挥中心的数据，一年历史数据可能会大于1GB.
1.1.3系统数据传输量的分析
项目的信息传输包括以下两类：
（1）上位机与现场机（监测站）之间的信息传输（通过CDMA，GSM，PSTN等）；
（2）计算机之间通过TCP/IP进行的信息传输，例如数据接收机与通信服务器之间，数据库服务器与客户端之间的通信；B/S结构中WEB服务器与浏览器之间的信息传输；C/S结构中服务器与客户端之间的通信。
上位机与现场机之间的数据传输量与监测范围（现场机数量）和监测频次成正比关系，其主要部分是现场机的自动上传，外加不定期出现的远程参数设置和数据召测操作。
如果采用《HJ/T212-2005污染源在线自动监测系统数据传输标准》作为应用层协议进行通信，上传数据通讯包结构如下：
包头
（2）+数据段长度（4）+数据段+CRC校验（4）+包尾
（2）
数据段构成如下：
请求编号（20）+系统编号（5）+命令编号（7）+设备标识（14）+密码（6）+总包号（4）+包号（4）+数据
可算出每次传输由协议附加的字节数为73字节；
由于数据区采用的结构形式为“字段名=字段值”的格式，“字段名=”和‘，’分隔符号平均长度约6个字符。
如每台现场机采集30个理化指标，平均每个指标长度为5字符，则每次传输的数据包长度约为：
（6+5）×30+73=403字节
如采用GPRS方式上报，中心站接收全部监测站数据总量约为：
403×20≈8KB
GPRS传输速率按30kbps计算，20各监测站的数据传输时间小于1分钟。
企业信息监测中心站采用2M带宽接入网络INTERNET。
1.1.4系统采集与共享的信息量的分析
系统需要采集的信息分为实时信息、基础信息两类。
实时信息是指水位、水量、水温、水质等实时监测信息。
基础信息指水工程、地理信息、整编后的水文及水资源信息、社会经济等基础信息。
监测点要求支持如下实时信息的采集：
水位、供排水量等水情信息及PH值、水温、电导率、溶解氧等水质信息以及信道质量、蓄电池电压等工情信息。
如每个监测站采集20路水情水质信息，每项信息平均占用4字节，考虑系统今后扩展的可能，按100个监测站计算，则系统每采集周期（假设平均为60分钟，各遥测站/监测项可能不同）采集的信息量为：
20×20×4=1.6KB；
系统中存在一些在目前技术条件下无法做到自动采集或采用自动采集方式成本过高的信息项，主要是一些水质监测项，如氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、挥发性酚、总氰化物、氟化物、砷、汞、镉、六价铬、铁、锰、大肠菌群等参数，拟通过现场采样、实验室测定分析；采用人工方式完成。
除自动采集设备采集的数据以外，系统中还存在一些通过人工方式录入的数据，系统共享的信息量为自动采集量加人工录入的数据量，若人工录入数据量按100条/小时计算，共享信息量为：
1.6KB+100×4=2KB。
1.1.5系统汇集与传输的信息量的分析
GPRS通信设备的传输指标如下：
理论值：
172Kbps;实际：
约40Kbps,
上位机之间通信信道指标如下：
企业信息中心站—Internet：
2Mbps,
1.1.6系统存储与备份的信息量的分析
按一年1G计算，采用160G硬盘（RAID），完全能存储10年以内的历史数据。
1.1.7系统处理与展示的信息量的分析
系统需要的处理能力指标应为：
中心站服务器为DELL机架2950服务器，CPU为两颗四核Xeon54052.0GHz处理器，内存2GB全缓冲。
1.1.8系统存储能力的需求总量
监测点：
1MB/年、--存储周期1小时，30采样参数
中心站数据库服务器：
2G/年、--20个监测站，存储周期小于1小时。
实施方案的配置设计
实施方案的总体构架
地下水水资源监测信息系统包括以下部分：
信息采集传输系统、计算机网络系统、监控中心和会商系统。
其中：
信息采集传输系统，包括监测点、GSM/GPRS网络、中心站数据接收机等信息采集与传输部分，采集的信息包括水位、流量、等水资源信息及PH值、水温、电导率、TDS、溶解氧等水质信息以及信道质量、蓄电池电压等工情信息。
信息传输包括通信方式选择、路由组织和信息质量控制等内容。
计算机网络系统，包括局域网和广域网，涉及监控中心、相关业务部门和省水文局的计算机网络互联，实现信息共享。
监控中心，包括支撑系统运行的硬件、软件环境，是系统监控信息的最终汇集、数据交换共享、辅助决策和指挥调度的中心。
以及支撑系统运行的平台。
高清正投会商系统，包括会商室中控系统建设；会商室高清（HDMI）视频显示系统建设；会商室音频扩声系统建设。
信息资源规划和数据库设计
1.1.9水资源监测系统的通信组网设计
1）各类监测点数据的传输路径、入网节点、网络路由
汇点项目地下水水资源企业信息中心通过路由器接入Internet，并在Internet上具有固定IP地址，数据接收工作站接收数据的TCP/UDP端口映射到路由器的某个固定端口上。
各监测点配置的GSM/GPRS通信设备通过GPRS网络接入Internet，与该路由器端口建立连接，与数据接收工作站进行数据通信，自动上传数据并接收召测命令。
数据接收工作站负责监测站点的认证和连接链路的维持。
此方式为监测站点与中心站之间通信的主信道。
汇点项目地下水水资源企业信息中心的数据接收工作站同时连接一部GSM通信设备，当Internet连接出现问题时可临时以SMS短信方式直接与监测站点进行通信。
各监测站在通过GPRS网络与中心站通信失败时会自动转入SMS方式工作，并自动定期检测尝试主信道的恢复情况。
2）系统中心站的通信网关的配置
路由器主要性能指标：
（1）、处理器：
RISC新一代处理器（400MHz）；
（2）、转发性能：
180Kpps；
（3）、固定以太网路由端口：
2个百兆接口；
（4）、固定以太网交换端口：
8个百兆以太网接口；
（5）、模块插槽：
2个SIC插槽；
（6）、ESM插槽：
1；
（7）、USB：
1；
（8）、AUX：
1；
（9）、配置口：
1；
（10）、硬件加密：
支持；
（11）、内存（缺省/最大）：
256M/384M（SDRAM）；
（12）、CF：
256M/1G；
（13）、最大功耗：
54W；
（14）、电源（AC）：
输入额定范围：
100～240V50/60Hz；
（15）、环境温度：
0～40℃；
（16）、环境相对湿度：
5～90%（不结露）。
交换机主要性能指标:
（1）固定端口：
24个10/100Base-TX自适应端口；2个Combo口；
（2）管理端口：
1个Console口；
（3）交换容量：
所有端口支持线速转发5.20Gbit/s；
（4）包转发率：
3.72Mpps；
（5）VLAN；最多支持4K个符合IEEE802.1Q标准的VLAN；支持基于端口的vlan；
（6）VLAN接口：
支持一个VLAN虚接口；
（7）GVRP：
支持；
（8）广播风暴抑制：
支持基于端口带宽百分比的广播风暴抑制；
（9）组播：
IGMPv1/v2/v3Snooping；MVR；256个二层组播表项；
（10）端口汇聚：
支持LACP；支持手动端口汇聚；支持最多三个聚合组；每个聚合组支持8个端口；
（11）MAC地址表：
支持地址自学习；符合IEEE802.1D标准；最多支持8K个MAC地址；支持1K个静态MAC地址；支持添加动态/静态单播MAC地址、多播MAC地址和黑洞MAC地址；
（12）管理：
支持命令行接口（CLI）配置；支持Telnet远程配置；支持通过Console口配置；支持SNMP（SimpleNetworkManagementProtocol）；支持RMON（RemoteMonitoring）1，2，3，9组MIB；支持H3CQuidView网管系统；支持WEB网管；支持系统日志；支持分级告警；
（13）电源：
采用交流输入：
额定电压范围：
100V～240VAC；50/60Hz；最大电压范围：
90V～264VAC；47Hz～63Hz；
整机最大功耗：
14W；工作环境温度：
0℃～45℃。
GSM/GPRS通信终端，其主要性能指标如下：
频段：
900/1800MHZ
发射功率：
2W（GSM900MHzClass4）1W（GSM1800MHzClass1）
最高DTE速率：
115200bps；工作电压：
7.5V-24V；
待机功耗：
3mA；工作功耗：
<20mA；
数据传输标准：
RS-232C；工作温度：
-20℃～55℃；
工作湿度：
≤95%RH（40℃）；可靠性：
MTBF≥25000H；
支持功能：
GPRS，短信双向收发且最大长度70个汉字或160个ASCII字符\掉电工作模式\可控电源开关\射频模块监测电路自动复位\看门狗和应用层的双层外部复位\RS232C串口控制信号复位
3）系统通信组网拓扑图
1.1.10汇点项目地下水资源监测系统数据库的配置设计
系统数据库包括实时数据库、基础数据库、模型库、方法库和知识库。
实时数据库、基础数据库、模型库的设计应符合“统一规划、统一标准、统一设计、数据共享”原则。
1.1.10.1数据库的物理与逻辑结构
1）系统数据库的物理结构如下图所示：
1）系统数据库的逻辑结构
系统数据库的逻辑结构是在客户端与数据库之间加入了一个“中间层”，也叫组件层。
这里所说的三层体系，不是指物理上的三层，不是简单地放置三台机器就是三层体系结构，也不仅仅有B/S应用才是三层体系结构，三层是指逻辑上的三层，即使这三个层放置到一台机器上。
三层体系的应用程序将业务规则、数据访问、合法性校验等工作放到了中间层进行处理。
开发人员可以将应用的商业逻辑放在中间层应用服务器上，把应用的业务逻辑与用户界面分开。
在保证客户端功能的前提下，为用户提供一个简洁的界面。
这意味着如果需要修改应用程序代码，只需要对中间层应用服务器进行修改，而不用修改成千上万的客户端应用程序，从而使开发人员可以专注于应用系统核心业务逻辑的分析、设计和开发，简化了应用系统的开发、更新和升级工作。
通常情况下，客户端不直接与数据库交互，而是通过COM/DCOM通讯与
中间层建立连接，再经由中间层与数据库进行交互。
这样的好处主要有：
■由于数据访问是通过中间层进行的，因此客户端不再与数据库直接建立数据连接。
也就是说，建立在数据库服务器上的连接数量将大大减少。
例如一个500个客户端的应用系统，500个客户端分别与中间层服务器建立DCOM连接，而DCOM通讯所占用的系统资源极为有限，并且是动态建立与释放连接，因此客户端数量将不再受到限制。
同时，中间层与数据库服务器之间的数据连接通过“连接池”进行连接数量的控制，动态分配与释放数据连接，因此数据连接的数量将远远小于客户端数量。
■可维护性得以提高。
因为业务规则、合法性校验存在于中间层，因此当业务规则发生改变时，只需更改中间层服务器上的某个组件（如某个DLL文件），而客户端应用程序不需做任何处理，有些时候，甚至不必修改中间层组件，只需要修改数据库中的某个存储过程就可以了。
■良好可重用性。
同样；如果需要开发B/S应用，则不必要重新进行数据
访问、业务规则等的开发，可以直接在WEB服务器端调用现有的中间层（如可以采用基于IIS的WebClass开发，或直接编写ASP代码）．
■事务处理更灵活，可在数据库端、组件层、MTS
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