自動化地下水位計在北疆某水源地的應(yīng)用

【摘要】針對北疆某水源地地下水位埋深較大，井內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人工監(jiān)測水位困難，為改善地下水位監(jiān)測條件，特引進(jìn)自動化地下水位計監(jiān)測系統(tǒng)在水源地使用，通過對18眼監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)和儀器故障分析，認(rèn)為該地下水位計測量精度滿足規(guī)范要求，能夠在北疆這種冬季嚴(yán)寒的環(huán)境下使用，如果在耐腐蝕方面有所提高，那么該自動化地下水位計在北疆地區(qū)的應(yīng)用是可以大范圍推廣的。

【關(guān)鍵詞】自動化地下水位計；嚴(yán)寒；腐蝕

1、前言

水源地位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前戈壁灘上，地貌單元主要為南部高山區(qū)，中部山前戈壁帶，北部沖洪積細(xì)土平原區(qū)和沙漠區(qū)。研究區(qū)屬典型的大陸性干旱氣候區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，相對濕度小，年內(nèi)溫差變幅大，最低氣溫-40℃，最高氣溫40℃，年降水量150.9mm，，年蒸發(fā)能力1812.13mm。區(qū)內(nèi)及其邊緣地帶分布有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系、第四系地層。地下水主要為孔隙潛水。第四系含水層由上更新統(tǒng)沖積物組成，巖性多為灰黑色中細(xì)砂含礫石，含水層厚度100～200m，靜水位埋深由南向北逐漸變淺，由80m～30m。該水源地供水對象為北疆某油田，為保證供水要求以及合理開發(fā)利用地下水，需對地下水位進(jìn)行實時監(jiān)測。

水源地機(jī)井全年運行，常規(guī)觀測水位為每天中午12時，最初采取原始的人工觀測辦法困難很多，一方面，水源地較大，各機(jī)井之間路途遙遠(yuǎn)，特別是冬季大雪封山，現(xiàn)場觀測不便且具有一定的危險性，另一方面，水源地機(jī)井深度都在180m以上，地下水位埋深都在40m以下，井內(nèi)線纜眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人工觀測過程經(jīng)常發(fā)生被卡住等情況，保證不了水位觀測的及時準(zhǔn)確。

水源地自2014年3月正式采用自動化地下水位計觀測以來，現(xiàn)在只需在辦公室內(nèi)打開電腦，所需的地下水位就會自動傳輸進(jìn)來，大大減少了外業(yè)工作量，并且保證了水位監(jiān)測的及時準(zhǔn)確，經(jīng)過二年運行，該地下水位計使用方便，簡化管理，可靠地指導(dǎo)運行調(diào)度，大大提高了水源地經(jīng)濟(jì)效益。

2、自動化地下水位計概況

自動化地下水位計整套儀器主要由壓力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸電纜和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備三部分組成。

3、壓力傳感器工作原理

壓力傳感器和測量存儲儀器安裝在一個耐壓密封的機(jī)殼內(nèi)，然后用傳輸數(shù)據(jù)線將其掛在地下水監(jiān)測井內(nèi)的最低動水位以下，傳感器按設(shè)定時間間隔自動采集、存貯水位數(shù)據(jù)。

壓力傳感器安裝之前首先應(yīng)該測定好井口處的大氣壓力Pa和井水密度ρ水。該壓力傳感器采用固態(tài)壓阻式感應(yīng)芯片，這種感應(yīng)芯片是采用集成電路的工藝，在硅片上擴(kuò)散成電阻條形成一組電阻，組成惠斯登全電橋。由于硅晶體具有壓阻效應(yīng)，當(dāng)硅晶體受到壓力P作用后，其中兩個對應(yīng)的應(yīng)變電阻變大，而另兩個對應(yīng)的應(yīng)變電阻變小，致使惠斯登電橋失去平衡，輸出一個對應(yīng)于壓力大小的電壓信號，再用精密的數(shù)字測量電路即可精確測量出信號電壓值，由此即可轉(zhuǎn)換成傳感器所在點的壓力P，自動削減大氣壓力Pa，則為傳感器位置以上水壓力，再根據(jù)水體的密度換算得到此測量點以上水深，最后，用壓力傳感器距離孔口距離A減去其在水下深度，從而得到地下水位埋深H。

4、應(yīng)用情況

該水源地自動化地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)，在正常情況下監(jiān)測頻率按照國家級水位自動監(jiān)測站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，采集頻率按4h間隔；對異常情況下設(shè)定自動觸發(fā)式信息報送，兩次監(jiān)測水位相差0.3m以上時自動按1h 間隔監(jiān)測，以避免在數(shù)據(jù)信息急劇變化的緊急情況時出現(xiàn)數(shù)據(jù)短缺現(xiàn)象。在突發(fā)應(yīng)急狀態(tài)下的采集頻率可通過發(fā)送指令臨時調(diào)整為0.5h間隔或更短；在固定監(jiān)測點不能滿足應(yīng)對要求時，可設(shè)立移動監(jiān)測點，對水位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以滿足監(jiān)測要求。

SL183-2005《地下水監(jiān)測規(guī)范》要求，地下水位自動監(jiān)測時，“允許精度誤差為±0.01m”，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±0.03m（10m水位變幅范圍內(nèi)），該水源地機(jī)井深度均達(dá)到180m，水位動態(tài)變幅范圍均在到40m左右，且井內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在此安裝的自動化地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)誤差在±0.05m范圍內(nèi)均視為滿足規(guī)范要求。

2014年5月對水源地G1#監(jiān)測井進(jìn)行了人工觀測，以此來校核自動化地下水位計。從表 1可知2014年5月4日8點地下水位埋深42.73m，12點52.12m，在后面的12個小時里，水位一直在下降，直至24點才穩(wěn)定下來，這表明在8點到12點之間有一次開泵的過程，井內(nèi)地下水位先下降后趨于穩(wěn)定；5月12日12點地下水位埋深62.48m，16點地下水位埋深57.89m，在未來的25個小時里地下水位一直在上升，最終在42.98m左右穩(wěn)定下來。根據(jù)本月的開關(guān)泵記錄，確實在5月4日11點開泵，5月12日13點關(guān)泵，與自動監(jiān)測記錄完全吻合。

15日的人工監(jiān)測記錄里，靜水位記錄6次，6次記錄中人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)最大相差0.03m，均值相差0.0183m；動水位記錄9次，9次記錄中人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)最大相差0.05m，均值相差0.0233m，因此該水位計的精度完全滿足規(guī)范要求。

5、嚴(yán)寒及礦化度對其影響

水源地冬季氣溫較低，最低氣溫達(dá)-40℃，在設(shè)備安裝前曾考慮該設(shè)備可能會因低溫發(fā)生故障，但經(jīng)過二個冬季運行發(fā)現(xiàn)，該自動化地下水位計受低溫影響較小，18眼監(jiān)測井中僅有一眼監(jiān)測井在2014年冬季發(fā)生過無法傳輸數(shù)據(jù)的問題，經(jīng)過分析，該井所處位置地勢較低，在-38℃的情況下導(dǎo)致電路短路，致使信號無法傳輸，在對設(shè)備進(jìn)行保溫處理后，就再也沒有發(fā)生過因為低溫導(dǎo)致的故障了。

在二年的使用過程中，水源地第一期安裝的18眼監(jiān)測井中4眼發(fā)生過數(shù)據(jù)故障，通過對4份故障件的拆解發(fā)現(xiàn)，所有故障件表面進(jìn)水孔處均有有銹蝕現(xiàn)象，拆開之后發(fā)現(xiàn)其中2件壓力傳感器的波紋片有空洞現(xiàn)象，充油腔內(nèi)硅油已經(jīng)干涸，感應(yīng)芯片直接浸泡在水中；剩余2件在波紋片的焊接點處發(fā)生腐蝕，從而滲漏，充油腔內(nèi)既有硅油又有水，感應(yīng)芯片直接與油水混合物相接觸，通過對這4眼井的井水取樣化驗，發(fā)現(xiàn)其礦化度均達(dá)到2g/L，因此可以確定含鹽量高的井水，在銹蝕完表面進(jìn)水孔后，進(jìn)入傳感器充油腔內(nèi)腐蝕感應(yīng)芯片導(dǎo)致了傳感器故障。

因此，下一步在改進(jìn)壓力傳感器如何防止銹蝕，尤其是波紋片的焊接位置上，如果能夠在這方面有所突破，那么定會大大延長壓力傳感器在高礦化度水中的使用壽命。

6、結(jié)語

自動化地下水位計經(jīng)過在該水源地二年的運行表明，該儀器精度滿足地下水位監(jiān)測規(guī)范要求，能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)貒?yán)寒的地理環(huán)境，但是壓力傳感器在防止腐蝕方面仍然薄弱，如果這方面得到加強(qiáng)，那么一定會大大延長儀器的使用壽命，從而能夠更好的保證水位觀測的及時準(zhǔn)確，更可靠地指導(dǎo)水源地運行調(diào)度。

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作者簡介：秦國強(qiáng)（1988—），男，湖北紅安人，主要從事水文地質(zhì)工作。