周口市土壤墑情地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)施工技術(shù)探討

□張鐵印 （河南省周口水文水資源勘測(cè)局）

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，也隱藏著水資源緊缺制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展這一重大問(wèn)題。河南省是產(chǎn)糧大省，糧食安全已上升到國(guó)家安全的戰(zhàn)略高度，近幾年，干旱天氣頻繁發(fā)生，而與抗旱保豐收緊密相關(guān)的地下水和土壤墑情監(jiān)測(cè)明顯滯后，其落后的監(jiān)測(cè)手段已不能適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要，因此，建立土壤墑情地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取代人工觀測(cè)很有必要。建成后，能及時(shí)準(zhǔn)確、全面掌握土壤墑情和地下水位變化動(dòng)態(tài)，為合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

一、水資源概況

周口市多年平均降水量為772.5mm，水資源量23.1×108m3。其中地表水資源量10.8×108m3，地下水資源量14.3×108m3（重復(fù)計(jì)算量為2×108m3），人均占有水資源量211.9m3，耕地畝均占有水資源量178.8m3；水資源量約占全省水資源總量的6%，為水資源較匱乏地區(qū)。周口市多年地下水平均埋深2～4m，淺井單井出水量一般在每小時(shí)50m3左右。

二、地下水、土壤墑情監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

周口市現(xiàn)有地下水監(jiān)測(cè)井148眼，人工觀測(cè)，頻次為逐日觀測(cè)或每月1、6、11、16、21、26日觀測(cè),主要測(cè)量工具為測(cè)繩，各縣、市、區(qū)水利局負(fù)責(zé)管理與觀測(cè)工作，周口市水務(wù)局、河南省周口水文水資源勘測(cè)局負(fù)責(zé)資料收集、整編匯編、刊印與發(fā)布等工作。由于觀測(cè)經(jīng)費(fèi)偏低，長(zhǎng)期投入不足等原因，造成部分地下水監(jiān)測(cè)井淤積，觀測(cè)人員不穩(wěn)定、責(zé)任心不強(qiáng)等情況，因此地下水監(jiān)測(cè)工作時(shí)斷時(shí)續(xù)，監(jiān)測(cè)資料代表性差。全市現(xiàn)有土壤墑情監(jiān)測(cè)站9處，人工取樣測(cè)驗(yàn)，每月監(jiān)測(cè)3次，測(cè)驗(yàn)過(guò)程較長(zhǎng)，時(shí)效性差。

三、項(xiàng)目來(lái)源及目的意義

近年來(lái)，干旱天氣頻繁發(fā)生，2008、2009年冬春和2010、2011年冬春的干旱天氣都超過(guò)110d，全省小麥產(chǎn)量受到嚴(yán)重影響；隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，土壤墑情地下水位信息采集與傳輸明顯不能適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要。為此，省委省政府委托水利廳實(shí)施《河南省土壤墑情地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一期工程建設(shè)》。至2010年底，已建成1個(gè)省中心、9個(gè)地市級(jí)分中心和198處土壤墑情地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，并投入試運(yùn)行。周口市共建成分中心1處，土壤墑情地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站54處。項(xiàng)目的建成，實(shí)現(xiàn)了土壤墑情地下水位信息的自動(dòng)采集和傳輸、遠(yuǎn)程召測(cè)和異地會(huì)商，土壤墑情地下水監(jiān)測(cè)的時(shí)效性、可靠性以及信息量都有較大提高，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)正確指導(dǎo)農(nóng)業(yè)抗旱、確保全省糧食穩(wěn)產(chǎn)豐收具有十分重要的意義。

四、站網(wǎng)布設(shè)及站址選擇

（一）站網(wǎng)布設(shè)

以基本均勻?yàn)椴荚O(shè)原則，確?？陀^真實(shí)反映全市地下水位、土壤墑情平均水平。

（二）站址選擇基本要求

一是宜選擇大塊農(nóng)田，今后或至少5年內(nèi)不被非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占用；二是遠(yuǎn)離高大樹(shù)木，與建筑物距離不少于50m；三是遠(yuǎn)離坑塘河流等水體，與灌溉機(jī)井距離不少于30m；四是站址地塊平整，雨后無(wú)積水；五是交通便利，易于施工和管理。

五、土建工程

土建工程包括：成井技術(shù)、井臺(tái)預(yù)制與埋置、附屬設(shè)施施工3方面內(nèi)容。

（一）成井技術(shù)

1.鉆井工藝

本次地下水監(jiān)測(cè)井屬于管井，設(shè)計(jì)井深35m。鉆井施工首先要在給定的區(qū)域選定井位，然后進(jìn)行鉆探作業(yè)。周口市由于是平原區(qū)，基本都可以在設(shè)計(jì)深度找到水源，因此成井對(duì)水文地質(zhì)條件要求不高。鉆探時(shí)必須對(duì)巖層進(jìn)行采樣留存，并詳細(xì)記錄，以了解含水層巖性及顆粒組成，為全面評(píng)價(jià)含水層特征、校正井管設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

2.過(guò)濾器結(jié)構(gòu)及安裝

本次選用纏絲過(guò)濾器，即圓孔狀墊筋、纏絲、包網(wǎng)式。表層孔隙率15%至25%。施工中，過(guò)濾器安裝位置的上下偏差不得超過(guò)30cm。

3.井管結(jié)構(gòu)及安裝

井管分別由井壁管、過(guò)濾管和沉淀管組成。本次采用混凝土井管，內(nèi)徑30cm，外徑36cm，每節(jié)長(zhǎng)度0.8～1.0m，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按照《混凝土和鋼筋混凝土井管標(biāo)準(zhǔn)》（SL/T154-95）執(zhí)行。

井管安裝前要稀釋泥漿和清除井底沉渣，要按照鉆孔取得的實(shí)際地層資料校正井管設(shè)計(jì)，安裝時(shí)要及時(shí)矯正井管，防止傾斜和錯(cuò)位。

4.濾料要求及填充

按照《機(jī)井技術(shù)規(guī)范》（SL256—2000）的要求，濾料選擇質(zhì)地堅(jiān)硬，大小均勻，形狀圓滑，粒徑在3～5mm之間的新鮮石英砂，采用動(dòng)水投入法圍填。施工中，由于監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)有高1.1m、重800kg的圓筒形井臺(tái)保護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)備，因此濾料按要求填充壓實(shí)后，濾料上部至井口段應(yīng)選用碎石填充并壓實(shí)，防止雨季沉陷導(dǎo)致井臺(tái)傾斜或下沉，進(jìn)而損壞井臺(tái)內(nèi)的監(jiān)測(cè)設(shè)備。

5.井管外部封閉

井口周?chē)捎靡话阏惩梁粚?shí)，厚度≥20cm。對(duì)于松散易于沉陷的地塊，可夯實(shí)后用混凝土硬化，厚度≥20cm。

6.洗井和抽水試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行洗井和抽水試驗(yàn)。以增大濾水管周?chē)臐B透能力和進(jìn)水能力，從而使監(jiān)測(cè)井能夠得到最大的出水量，保證水位監(jiān)測(cè)值的代表性和靈敏性。

（二）井臺(tái)預(yù)制與埋置

1.井臺(tái)分護(hù)管和蓋板兩部分，二者以標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六方螺栓連接。

2.護(hù)管高110cm，內(nèi)徑70cm，外徑90cm，配置防護(hù)筋。預(yù)制時(shí)，在護(hù)管頂面兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置預(yù)埋2個(gè)內(nèi)徑為22mm的標(biāo)準(zhǔn)螺母，螺母上端與護(hù)管頂面平齊；在護(hù)管上部預(yù)留4個(gè)透氣孔，以便通風(fēng)干燥。

3.蓋板直徑100cm，厚度10cm，配置防護(hù)筋。預(yù)制時(shí)，預(yù)留2個(gè)與護(hù)管上螺母位置相應(yīng)的螺栓穿接孔，螺栓應(yīng)與護(hù)管上的螺母相配套，并預(yù)埋2個(gè)鋼筋環(huán)形套，以便工作人員打開(kāi)蓋板。

4.埋置時(shí)，井臺(tái)埋入地面下30cm，內(nèi)用混凝土灌注與井口齊并抹平，預(yù)埋地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀支架并整平，預(yù)埋穿線(xiàn)管1個(gè)。

（三）附屬設(shè)施施工

1.電桿埋設(shè)

本次采用標(biāo)準(zhǔn)8m空心鋼筋混凝土電桿2根，靠近監(jiān)測(cè)井一側(cè)，沿農(nóng)田耕作方向或垂直方向埋設(shè)，間距1.4m，埋深1.5m。埋前在電桿下端1.2m和6.0m處各打一個(gè)20mm的圓孔，兩孔在同一側(cè)同一垂線(xiàn)上；埋設(shè)時(shí)將電桿上下兩孔分別相對(duì)，埋后夯實(shí)，確保電桿垂直豎立堅(jiān)固牢靠。

2.金屬橫擔(dān)與設(shè)備框

金屬橫擔(dān)采用長(zhǎng)1.8m，∠40×40×4鍍鋅角鋼2根，施工時(shí)，將金屬橫擔(dān)用螺栓固定在兩電桿上離地面4m處。金屬橫擔(dān)上固定設(shè)備框，設(shè)備框采用不銹鋼焊接，規(guī)格為：1.1m×0.6m×0.6m,設(shè)備框上一面掛XXX土壤墑情地下水監(jiān)測(cè)站牌，一面掛警示標(biāo)識(shí)牌。

3.防雷接地體布設(shè)

本次防雷接地體裝置采用一字形地網(wǎng)，垂直接地體采用3根長(zhǎng)1.5m，∠50×50×5鍍鋅角鋼，角鋼一端切割成尖狀，便于打入地下，垂直接地體間距為3m；水平接地體采用1根長(zhǎng)6m，50×5型鍍鋅扁鋼。水平接地體與垂直接地體在地面以下0.8m處以不銹鋼螺栓緊固，其兩端留有接線(xiàn)孔。埋設(shè)后，用搖表測(cè)量其接地電阻值不得大于5Ω。

六、信息采集、傳輸與設(shè)備安裝

地下水位信息采集采用浮子式水位傳感器，土壤墑情信息采集采用土壤水分傳感器；信息數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)通訊設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，通訊設(shè)備配置包括數(shù)據(jù)采集終端、通信模塊、供電設(shè)備、避雷針及下桿線(xiàn)、野外防銹設(shè)備箱等。

施工時(shí)，浮子式水位傳感器安裝在井臺(tái)內(nèi)預(yù)埋的支架上，土壤水分傳感器3個(gè)一組埋設(shè)在監(jiān)測(cè)井一側(cè)選定的地塊上，埋深分別為10cm、20cm、40cm；避雷針固定在電桿頂端，最高點(diǎn)應(yīng)比天線(xiàn)高出2m以上；將數(shù)據(jù)采集終端、通信模塊等固定在野外防銹設(shè)備箱內(nèi)，將野外防銹設(shè)備箱固定在電桿橫擔(dān)上的設(shè)備框內(nèi)；太陽(yáng)能電池板向陽(yáng)安裝在電桿上部；傳感器線(xiàn)纜、避雷針下桿線(xiàn)等通過(guò)電桿上的預(yù)留孔穿入電桿內(nèi)進(jìn)行上下連接，起到保護(hù)作用。

七、水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置與高程測(cè)量

按國(guó)家四等水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立水準(zhǔn)點(diǎn)，水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)在地面以下60cm處，并做好詳細(xì)記錄，便于今后查找。水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)穩(wěn)定后，從三等水準(zhǔn)點(diǎn)以不低于三等水準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其高程進(jìn)行引測(cè)，進(jìn)而測(cè)定監(jiān)測(cè)井井口高程。

八、觀測(cè)場(chǎng)地保護(hù)設(shè)置

為了保護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)備不被破壞，觀測(cè)場(chǎng)四周應(yīng)設(shè)立防護(hù)網(wǎng)。一般監(jiān)測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)1.5m×2.5m，防護(hù)網(wǎng)高1m，四周用4根長(zhǎng)2m、10cm×10cm鋼筋混凝土柱支撐，將該柱埋入地下80cm，四周用鐵絲網(wǎng)或刺絲圍起來(lái)。設(shè)立的防護(hù)網(wǎng)應(yīng)將電桿、監(jiān)測(cè)井和土壤水分傳感器圍在其中。

施工實(shí)踐中，可先將鋼筋混凝土柱預(yù)制好，地上部分刷以長(zhǎng)10cm紅白相間的外墻漆，埋設(shè)時(shí)做到垂直豎立，間距方正，工程結(jié)束后，再將鐵絲網(wǎng)或刺絲圍上。這樣做一方面不影響儀器安裝，另一方面混凝土柱經(jīng)過(guò)沉降不易傾斜，可保證防護(hù)網(wǎng)整體美觀。

九、結(jié)語(yǔ)

在地下水土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)中，成井工藝是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地下水監(jiān)測(cè)井不同于普通的灌溉井，要防止雨后沉降造成井臺(tái)傾斜或下沉，因此工程監(jiān)理人員要及時(shí)深入工地，加強(qiáng)監(jiān)督指導(dǎo)，尤其監(jiān)督濾料填充要按要求足額到位、濾料上部到井口段要用碎石填充并壓實(shí)，防止偷工減料或用粘土填充給工程留下隱患。