國家地下水監(jiān)測工程水位自動監(jiān)測儀器選型分析

李 洋，高 志

(1河南省水文水資源局，河南鄭州 450003;2陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西西安 710003)

國家地下水監(jiān)測工程水位自動監(jiān)測儀器選型分析

李 洋1，高 志2

(1河南省水文水資源局，河南鄭州 450003;2陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西西安 710003)

地下水是重要的供水水源，對地下水動態(tài)進行長期監(jiān)測是科學(xué)管理地下水資源的重要基礎(chǔ)工作，實現(xiàn)地下水信息采集傳輸自動化是解決目前地下水人工監(jiān)測方式落后，信息管理服務(wù)能力薄弱的重要手段。通過調(diào)研市場上滿足地下水監(jiān)測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范常用的地下水自動監(jiān)測儀器，對國家地下水監(jiān)測工程中擬采用的水位自動監(jiān)測設(shè)備從儀器類型、監(jiān)測精度、供電方式以及適用條件等多方面進行綜合分析，最終確定以采用壓力式一體化設(shè)備為優(yōu)選方案，壓力或浮子式分體設(shè)備為備選方案的儀器設(shè)備選型方案，并以此完成各個省區(qū)的儀器配置方案。

地下水監(jiān)測;水位自動監(jiān)測;儀器

2005年以來，在國家發(fā)改委的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和大力支持下，水利部和國土資源部經(jīng)多次協(xié)商，達成了“聯(lián)合規(guī)劃、統(tǒng)一布局、分工協(xié)作、避免重復(fù)、信息共享”的共識，共同編制完成了《國家地下水監(jiān)測工程項目建議書》，2010年11月獲得了國家發(fā)改委正式批復(fù);之后又于2011年11月編制完成《國家地下水監(jiān)測工程可行性研究報告》并通過了兩部聯(lián)合審查。

國家地下水監(jiān)測工程是為解決目前我國地下水監(jiān)測工作中存在的專用井極少、監(jiān)測項目較為單一、信息采集及傳輸手段落后、信息管理服務(wù)能力薄弱、運行維護經(jīng)費嚴重不足等諸多問題而立項的。站網(wǎng)的合理布設(shè)是監(jiān)測工程的基礎(chǔ)，信息采集手段是監(jiān)測工程的重點。地下水自動監(jiān)測首先應(yīng)符合規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求，還應(yīng)根據(jù)監(jiān)測井埋深、監(jiān)測環(huán)境等情況選擇合適的儀器類型。

1 規(guī)范要求和通用性技術(shù)指標(biāo)

1.1 地下水水位監(jiān)測規(guī)范要求

1.1.1 地下水水位的測量精確度

在不同的地下水監(jiān)測相關(guān)規(guī)范里，對地下水水位測量精度的要求也有所不同。SL183－2005《地下水監(jiān)測規(guī)范》要求，人工觀測地下水水位時，“兩次測量允許偏差為±0.02 m;水位自動監(jiān)測時，“允許精度誤差為±0.01 m”。在其附錄中對傳感器規(guī)定“組建系統(tǒng)應(yīng)選用3級以上設(shè)備”，3級精度的水位計水位誤差是±3 cm(10 m水位變幅范圍內(nèi))。在SL360－2006《地下水監(jiān)測站建設(shè)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定“水位監(jiān)測誤差應(yīng)為±0.02 m”。

1.1.2 地下水水位測量的頻次

現(xiàn)有規(guī)范對各地下水參數(shù)的監(jiān)測頻次提出了要求，但大部分要求是針對人工觀測站的。地下水水位自然變化緩慢，原來又多是人工測量，每次觀測都需要測量人員在現(xiàn)場進行，所以觀測頻次較低。

按地下水監(jiān)測站點重要性的不同，對監(jiān)測頻次做了不同規(guī)定:國家級水位基本監(jiān)測站實行自動監(jiān)測，每日6次;省級重點水位基本監(jiān)測站每日監(jiān)測一次;普通水位基本監(jiān)測站汛期宜每日一次，非汛期宜每5日一次;水位統(tǒng)測站每年監(jiān)測3次。

1.2 地下水水位自動監(jiān)測設(shè)備通用性技術(shù)指標(biāo)分析

地下水水位自動監(jiān)測設(shè)備通用性技術(shù)指標(biāo)一般主要包括可靠性、環(huán)境及防護、電源、數(shù)據(jù)記錄和傳輸四個方面，而目前尚未有專門針對地下水監(jiān)測設(shè)備的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)做出具體的通用性技術(shù)要求，更沒有針對地下水自動監(jiān)測設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，只有《地下水監(jiān)測站建設(shè)技術(shù)規(guī)范》中，對地下水“自動監(jiān)測與采集子系統(tǒng)設(shè)計”做出了要求。其中要求系統(tǒng)設(shè)計“應(yīng)選擇確保電壓波動不超過額定電壓的±20%和連續(xù)工作時間不少于3個月的電源”，“應(yīng)制定保溫、防凍和除濕措施，使自動監(jiān)測與采集子系統(tǒng)在溫度為－10～45℃、相對濕度小于95%的溫濕條件下正常運行”，“應(yīng)制定確保自動監(jiān)測與采集子系統(tǒng)的平均無故障時間不少于10 000 h的措施”。

通過研究市場常見地下水水位自動監(jiān)測儀器的類型以及其他水文儀器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中通用性技術(shù)指標(biāo)，地下水水位自動監(jiān)測儀器產(chǎn)品在性能指標(biāo)和功能需求上應(yīng)滿足以下幾個方面:

1)能定時自動測量地下水監(jiān)測井的水位(埋深)和水溫。水位測量誤差在10 m水位變幅內(nèi)不大于±0.02 m;超過10 m水位變幅時，不大于±2‰水位變幅。

2)具有監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期自記、固態(tài)存儲功能。監(jiān)測時間間隔以小時為單位，監(jiān)測頻次可設(shè)置。在一般的存儲要求時，存儲周期大于400天，能夠方便地從固態(tài)存儲器中提取數(shù)據(jù)。

3)如采用浮充直流供電方式，應(yīng)能保證儀器不間斷正常工作。優(yōu)先采用直流電池(不浮充)供電方式，供電能力應(yīng)能保證監(jiān)測站發(fā)送數(shù)據(jù)1 000次和相應(yīng)的存儲記錄需要。

4)設(shè)備可靠性要求。設(shè)備的平均無故障時間MTBF應(yīng)超過25 000小時，復(fù)雜設(shè)備可按16 000小時要求。工作溫度、濕度等能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境。

其它數(shù)據(jù)顯示、響應(yīng)召測等功能，由于所建地下水監(jiān)測井為專用井，日水位變化不大，所以對單一的監(jiān)測地下水而言，具有召測功能增加了電源功耗，使電源維護成本增加，一般不建議采用這些功能;如地下水監(jiān)測信息與降水、土壤墑情等共用一個RTU傳輸數(shù)據(jù)，則可以增加召測功能。

2 常用地下水水位自動監(jiān)測儀器選型分析

水位自動監(jiān)測儀器的基本部件是水位傳感器，根據(jù)市場調(diào)研，按照產(chǎn)品組件(傳感器、存儲器、控制電路、電源等)集成程度的不同市場上產(chǎn)品大致可分為一體式和分體式。按照水位傳感器采集數(shù)據(jù)原理的不同，自動測量地下水位的儀器又分為壓力式、浮子式、超聲波式等多種類型。目前常見的用于地下水水位自動監(jiān)測的儀器設(shè)備按傳感器類型分，主要有壓力式地下水位計和浮子式地下水位計。

2.1 壓力式地下水位計主要類型

2.1.1 一體式壓力水位計

這類儀器將壓力測量、水位轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、控制電路、內(nèi)置電池甚至數(shù)傳儀等模塊集成為一個整體，封裝在密封、耐壓、抗腐蝕的殼體內(nèi)。用專用纜索掛在地下水測井內(nèi)的最低水位以下。儀器按設(shè)定時間間隔自動采集、存貯水位數(shù)據(jù)。內(nèi)置存儲器可存儲數(shù)據(jù)3年以上，具有標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，其存貯的水位數(shù)據(jù)可以通過專用電纜或光纖在地面上采集，采集時使用一般電腦或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)收集器，也可通過無線傳輸模塊發(fā)送到遠端接收裝置。這類產(chǎn)品功能完整、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確性高、抗干擾性強、應(yīng)用方便，可以用于不同井徑、所有埋深的監(jiān)測。國外產(chǎn)品基本上是這種一體式形式，一般價格相對較高。

2.1.2 壓力傳感器+主機形式的地下水位計

這類儀器是由壓力傳感器和測量控制裝置組成，用專用電纜聯(lián)接。壓力傳感器用專用纜索懸掛在地下水測井內(nèi)的最低水位以下，測控裝置在地面上。電源和記錄裝置也可能是單獨的，和測控裝置相聯(lián)。主機必須具有長期數(shù)據(jù)存儲功能，能顯示水位，通過輸出接口可以聯(lián)接數(shù)傳儀，擴充遙測功能。該產(chǎn)品基本能滿足測量、記錄地下水位的要求。國內(nèi)產(chǎn)品目前都是這種形式，傳感器和主機的價格合計不高于一體化產(chǎn)品。

2.2 浮子式地下水位計主要類型

2.2.1 一體式浮子水位計

這類產(chǎn)品只有國外產(chǎn)品，完全能滿足地下水位測量記錄要求?？梢杂糜谛】趶降纳罹?，整個儀器，包括水位感應(yīng)、編碼器、固態(tài)存貯、電源等所有部分都懸掛在井中水面上自動工作。除了測量水位的影響因素少于壓力式外，其它性能不優(yōu)于高質(zhì)量的壓力式水位計，且價格較貴。

2.2.2 浮子感應(yīng)+地上水位編碼器形式的地下水位計

多為國產(chǎn)產(chǎn)品，價格相對較低。性能穩(wěn)定，水位測量準(zhǔn)確性能達到±2‰，具有標(biāo)準(zhǔn)的輸出接口，可連接數(shù)傳儀和存儲器。浮子直徑大多在6～10 cm，不能用于管徑較小的監(jiān)測井，由于懸掛浮子的懸索有形變和絞纏的可能性，因此該產(chǎn)品不適用于埋深較大的監(jiān)測井。

3 國家地下水監(jiān)測工程水位自動監(jiān)測儀器選型初步方案

國家地下水監(jiān)測工程是全國性地下水監(jiān)測工程項目，僅水利部門在全國范圍就建設(shè)10 251個水位自動監(jiān)測站。選用的儀器設(shè)備應(yīng)具有一定的技術(shù)先進性，環(huán)境適用性以及兼容性，考慮如此大范圍的儀器設(shè)備采購需求，設(shè)備選型應(yīng)確定多種方案，適用不同監(jiān)測需要。經(jīng)過市場調(diào)研，目前市場常見的地下水水位自動監(jiān)測儀器一體式比分體先進、壓力式比浮子式先進，先進產(chǎn)品價格也相應(yīng)較高。以上四類產(chǎn)品中，除一體式浮子水位計因性能不優(yōu)于高質(zhì)量的壓力式水位計且價格較貴而本工程不予選用外，其他三種類型儀器市場上均有多種能滿足工程要求的產(chǎn)品可選用。在滿足需求的前提下，根據(jù)各類產(chǎn)品的優(yōu)缺點和適用條件，綜合考慮地理環(huán)境、地質(zhì)條件、水位埋深、儀器性價比、工程需求、總投資額等多方面因素，提出了本工程儀器優(yōu)選方案。在地下水超采區(qū)等特殊類型區(qū)的監(jiān)測站和需要自動測量水溫的站，以及布設(shè)在地處偏遠地區(qū)、電源維護成本高的監(jiān)測站，應(yīng)優(yōu)先推薦選用一體式壓力地下水位計產(chǎn)品;地下水最大埋深小于15 m和不需要自動測量水溫的監(jiān)測站，推薦選用浮子感應(yīng)+地上編碼器形式的地下水位計。此外，地下水最大埋深小于20 m監(jiān)測站，也可選用壓力傳感器+主機形式的地下水位計。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地下水監(jiān)測井所在地情況和設(shè)計井深，《可研報告》初步確定了水利部門的儀器配置方案。詳見表1。

4 結(jié)語和建議

滿足適用于國家地下水監(jiān)測工程的儀器設(shè)備，首先應(yīng)符合規(guī)范中要求的精確度和頻次要求，符合信息采集傳輸設(shè)備的通用性技術(shù)指標(biāo)，再根據(jù)市場上常見地下水位自動監(jiān)測儀器類型和性能參數(shù)進行分析比較，最終確定以采用壓力式一體化設(shè)備為優(yōu)選方案，以壓力或浮子式分體設(shè)備為備選方案的儀器設(shè)備選型方案，并以此完成各個省區(qū)的儀器配置方案。

在今后的初步設(shè)計過程中，對儀器設(shè)備選型時，應(yīng)對性能價格比、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度、售后服務(wù)和維護要求等進行充分的調(diào)研和論證。在確定產(chǎn)品類型和廠家之前，應(yīng)選定不同埋深的一個或多個監(jiān)測站點，邀請不同廠家開展比測實驗，對其產(chǎn)品的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度進行對比。若經(jīng)費允許，在滿足需求的情況下可考慮選擇更先進的產(chǎn)品。同時鑒于現(xiàn)有地下水監(jiān)測儀器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中對儀器設(shè)備的要求較嚴重地落后于技術(shù)發(fā)展和實際情況，有關(guān)部門應(yīng)加緊開展地下水自動監(jiān)測儀相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的編制和修訂工作。

［1］SL183－2005，地下水監(jiān)測規(guī)范［S］.

［2］SL360－2006，地下水監(jiān)測站建設(shè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］水利部國家地下水監(jiān)測工程項目建議書編寫組.國家地下水監(jiān)測工程項目建議書.2008.

［4］水利部國家地下水監(jiān)測工程項目可行性研究報告編寫組.國家地下水監(jiān)測工程可行性研究報告.2012.

［5］姚永熙.地下水監(jiān)測方法和儀器概述.水利水文自動化，2010(1).

［6］高志.國家地下水監(jiān)測工程站網(wǎng)布設(shè)淺析［J］.地下水，2012，(5).

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1004－1184(2013)05－0070－02

2013-06-08

李洋(1979-)，男，河南駐馬店人，工程師，主要從事水資源調(diào)查評價、地下水監(jiān)測評價工作。