地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用探討

劉雅欣

（1.太原理工大學(xué)，太原 030024；2.山西省水利水電科學(xué)研究院，太原030002）

20世紀(jì)70年代以來，為滿足能源基地建設(shè)用水的需求，山西省地下水開采量開始逐年增加。1971年，山西全省地下水用水量僅為11億m3，如今，山西省地下水的年用水量已攀升到40億m3，占全省總用水量的61.5%，地下水開采程度高達(dá)77.42%。為實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和水環(huán)境的可持續(xù)維系，必須大力控制地下水的開采。為了及時(shí)準(zhǔn)確地掌握地下水的變化情況，必須對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)在我省對(duì)地下水位的監(jiān)測(cè)，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)仍以傳統(tǒng)的人工定時(shí)測(cè)量方法（電表、測(cè)鐘、測(cè)繩等）為主，不僅會(huì)占用大量的人力，而且存在人為誤差。地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅避免了人工監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，而且具有及時(shí)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因此利用地下水水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行地下水的監(jiān)測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

地下水水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件和數(shù)據(jù)處理控制中心兩部分組成。系統(tǒng)硬件由XYX-DS26投入式壓力硅液位傳感器、A/D變送器、XYX-WX-MIDEM無線通訊模塊等組成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理控制中心由PLC可編程智能控制器、數(shù)據(jù)分析處理軟件等組成。

1.2 工作原理

地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由XYX-DSC地下水位自動(dòng)采集器、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等對(duì)地下水位進(jìn)行全面監(jiān)控，實(shí)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等。

在晉中祁縣的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)有多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)（監(jiān)測(cè)井），在每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)（監(jiān)測(cè)井）上安裝專用的數(shù)據(jù)采集器（XYXDS26投入式壓力硅液位傳感器），實(shí)時(shí)采集地下水位數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D變送器把所采集的數(shù)據(jù)傳輸給智能控制器；智能控制器利用XYX-WX-MIDEM無線通訊模塊，借助無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇偪刂剖遥豢偪刂剖业臒o線接收模塊接受到數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析處理，并可以真實(shí)地在顯示屏上模擬當(dāng)前的靜態(tài)水位、動(dòng)態(tài)水位和片區(qū)水位曲線等。其工作原理圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

1.3 系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)可靠、方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況，并可及時(shí)地通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到總控制室?？梢愿鶕?jù)需要隨時(shí)采集數(shù)據(jù)，既可以滿足長期數(shù)據(jù)采集需求，又可以滿足抽水實(shí)驗(yàn)等水位降落過程的觀測(cè)需要。

2 應(yīng)用效果分析

2001年在晉中祁縣試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的21眼機(jī)井全部安裝了地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)配有一套計(jì)量控制系統(tǒng)，對(duì)地下水位實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。水行政授權(quán)管理部門以獲得的水位數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算出可以開采的水量，在分析水資源承載能力的基礎(chǔ)上，根據(jù)用水計(jì)劃及干旱程度合理分配用水指標(biāo)，對(duì)用水總量進(jìn)行控制。為水行政主管部門制定取水計(jì)劃提供了科學(xué)依據(jù)，并在保護(hù)地下水方面取得了明顯的效果。

2.1 水位變化及節(jié)水效果分析

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，試驗(yàn)區(qū)的地下水位由1980年的768～769 m下降到2000年的712～726 m，地下水位下降近50 m，平均地下水位下降的速率為2 m/a左右，有部分地區(qū)出現(xiàn)了漏斗區(qū)，地下水環(huán)境遭到了嚴(yán)重的破壞。至2001年使用地下水水位監(jiān)控系統(tǒng)后，該區(qū)的地下水位在2004年開始停止下降，到2009年水位累計(jì)上升了1.5m。1990年至2009年試驗(yàn)區(qū)地下水位變化狀況見圖2。

圖2 1990～2009年試驗(yàn)區(qū)地下水位變化圖

2.2 社會(huì)效益

通過對(duì)地下水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不僅可以掌握地下水的水位、水量，同時(shí)達(dá)到下列社會(huì)效益：

（1）預(yù)測(cè)下一年的可用水量。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的水位變化情況，在分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以預(yù)測(cè)下一年的水量情況，便于制定下一年的地下水開采計(jì)劃。

（2）指導(dǎo)地面水的合理配置。根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)變化情況，以保護(hù)水環(huán)境為目標(biāo)，有目的有計(jì)劃地調(diào)節(jié)和控制地面水的配置方案。

（3）能夠有效地保護(hù)水源地。該系統(tǒng)能準(zhǔn)確掌握地下水環(huán)境真實(shí)狀態(tài)，為水環(huán)境的保護(hù)提供了可靠的技術(shù)資料。水行政主管部門可以根據(jù)地下水長期觀測(cè)的動(dòng)態(tài)情況，及時(shí)制定合理的方案來調(diào)整區(qū)域供水保護(hù)范圍和保護(hù)強(qiáng)度。

3 存在問題及建議

3.1 存在的問題

（1）經(jīng)費(fèi)投入不足。由于各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，儀器設(shè)備及安裝費(fèi)用較高，很多地方的經(jīng)費(fèi)不足，使得地下水位監(jiān)測(cè)設(shè)備得不到廣泛的使用，也使地下水位監(jiān)測(cè)工作進(jìn)展緩慢。

（2）專用觀測(cè)井?dāng)?shù)量不足。實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)有大部分監(jiān)測(cè)井為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水井，在監(jiān)測(cè)過程中有持續(xù)抽水的現(xiàn)象，這樣就增加了觀測(cè)的難度，影響了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確程度。

3.2 建議

（1）建議上級(jí)有關(guān)部門，加大地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的資金投入，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，保證地下水監(jiān)測(cè)的質(zhì)量。另外可以利用監(jiān)測(cè)成果，積極開展有償服務(wù)，來彌補(bǔ)資金上的困難。

（2）建議開辟專用的監(jiān)測(cè)井，淘汰用于工農(nóng)業(yè)用水的生產(chǎn)井。如果實(shí)現(xiàn)專井專用，這樣就能使監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，資料更加可靠。

（3）建議對(duì)地下水嚴(yán)重超采區(qū)和出現(xiàn)漏斗區(qū)的地方進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以便更好地保護(hù)地下水。

4 結(jié)論

地下水位動(dòng)態(tài)變化是一個(gè)比較漫長的過程，只有通過準(zhǔn)確、長期、系統(tǒng)的地下水位監(jiān)測(cè)，不斷地累計(jì)資料，正確地分析計(jì)算，才能了解其變化規(guī)律。地下水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)是直接獲得地下水位動(dòng)態(tài)變化的有效方法。不斷完善地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重視和加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè)資料的分析工作，對(duì)地下水資源的合理開發(fā)利用、管理和保護(hù)具有重要意義。同時(shí)也為水行政主管部門提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，便于他們根據(jù)地下水總量，提出合理的用水計(jì)劃，使得經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和地下水資源開發(fā)利用協(xié)調(diào)發(fā)展，為科學(xué)地指導(dǎo)地下水的開發(fā)、利用、保護(hù)、治理、修復(fù)及加強(qiáng)地下水管理提供依據(jù)。如果該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，將會(huì)對(duì)保護(hù)地下水起到非常重要作用。