地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)在羅布泊地下鹵水監(jiān)測中的應用

（國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司礦產(chǎn)資源部 新疆哈密839000）

（國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司礦產(chǎn)資源部 新疆哈密839000）

羅布泊現(xiàn)有的地下水觀測主要是由人工觀測和自動觀測混合組成，但是現(xiàn)有的地下水自動觀測系統(tǒng)只能監(jiān)測，不具有強大的分析拓展和管理功能。要想科學合理地管理地下水資源，就離不開地下水監(jiān)測軟件及相關(guān)分析工作的支持。本系統(tǒng)的開發(fā)突破了現(xiàn)有地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)的單一功能，能夠在結(jié)合人工監(jiān)測的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于地圖表征的建議數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理分析、基站管理及用戶管理等多功能應用，該技術(shù)將可為羅布泊水文監(jiān)測、地下水管理和分析決策提供極大的技術(shù)支撐。

地下水自動監(jiān)測管理系統(tǒng)

羅布泊鉀鹽礦位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古族自治州若羌縣，塔里木盆地東部。地理坐標東經(jīng)90°00′00″～ 91° 45′00″，北緯39°50′00″～41°05′00″。北部以庫魯克塔格山山前洪積扇為界，南至阿爾金山，東邊為北山，西邊為庫魯克沙漠。礦區(qū)面積6000km2，是世界上最大的液體鉀鹽礦之一[1]。

1 目前羅布泊地下鹵水水位觀測存在的主要問題

液體鉀鹽資源的合理、可持續(xù)開發(fā)利用，對鹵水資源使用情況的精確把握是公司生存和發(fā)展的關(guān)鍵條件，對鹵水資源精細化管理的要求也日益提高[2]。

公司現(xiàn)有羅北、騰龍、新慶三大鹵水鉀鹽礦區(qū)，覆蓋面積超過6000平方公里，有120個觀測點，只有簡易便道通行。前期，公司鉀鹽三大礦區(qū)的地下水位監(jiān)測采用人工到現(xiàn)場觀測及少量的自動觀測。在每月一次的監(jiān)測周期內(nèi)，人工到現(xiàn)場觀測水位，每天只能平均完成7個觀測點水位的觀測，完成所有120個觀測點的水位觀測需20天，數(shù)據(jù)的及時性、準確性較差，人為因素影響很大。

2 地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)介紹

2013年8月19日，在公司召開的“羅布泊礦區(qū)地下水水位自動監(jiān)測設(shè)備使用方案匯報及專家論證會議”上，通過公司領(lǐng)導和相關(guān)專家的論證認可，該系統(tǒng)于2014年12月開始實施，2015年8月底首先應用到羅北、騰龍、新慶三大礦區(qū)的70口觀測井。

地下鹵水水位動態(tài)監(jiān)測是公司鹵水資源使用管理的一項重要的基礎(chǔ)性工作和前提條件，地下水水位自動監(jiān)測系統(tǒng)應用到羅布泊礦區(qū)地下鹵水水位動態(tài)監(jiān)測，突破了原有的人工監(jiān)測方式的局限性，地下水水位數(shù)據(jù)能在同一時刻獲得。由于采用更加先進的資源管理模式，使資源管理水平得到極大提高[3]。

地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，主要由地下水自動監(jiān)測信息采集子系統(tǒng)（野外數(shù)據(jù)采集部分）、北斗數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸部分）、地下水自動監(jiān)測信息管理子系統(tǒng)（監(jiān)測中心管理軟件部分）三大部分構(gòu)成，這三大部分相輔相成，密切配合，共同保障羅布泊礦區(qū)地下水自動監(jiān)測工作的正常運行。

3 地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)應用功能

（1）地下水自動監(jiān)測信息采集子系統(tǒng)（野外數(shù)據(jù)采集部分）主要由數(shù)據(jù)采集儀器（壓力傳感器）及數(shù)據(jù)采集傳輸模塊構(gòu)成，主要是實現(xiàn)通過數(shù)據(jù)采集儀器對地下水水位、水溫、鹵水密度等參數(shù)的定時自動采集，并將信息傳送到北斗數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)。

壓力傳感器采用k1485型擴散硅絕壓傳感器芯片（進口）。

全量程壓力精度為：0.05%FS

量程為：0-20米

測量水位精度為：20米X 0.05%=1厘米（此精度優(yōu)于業(yè)主要求精度2厘米）

溫度傳感器測量精度：±0.2攝氏度

以上參數(shù)指標優(yōu)于或滿足要求。

傳感器材質(zhì)為耐腐蝕316L不銹鋼，數(shù)據(jù)接口為RS485數(shù)字量，可直接為系統(tǒng)主板采集，避免了由模擬量信號轉(zhuǎn)數(shù)字量信號的精度損失。

該傳感器內(nèi)部的溫度傳感器可實時對壓力傳感器進行溫度補償，降低了壓力傳感器因溫度變化產(chǎn)生的精度漂移現(xiàn)象。

鹵水密度是通過兩只壓力傳感器所測壓力的壓力差來計算獲得。在液體中，處在不同深度的壓強不同，根據(jù)物理公式P=ρgH，其中，P為壓強，ρ為液體密度，g為重力加速度，H為液柱高度。兩只壓力傳感器所測的壓強為：

P1=ρ鹵水*g*H1

P2=ρ鹵水*g*H2

ρ鹵水=（P1-P2）/g(H1-H2)

當兩只傳感器之間的深度差值已知時，即H1-H2為已知，g為常數(shù)，P1和P2可通過傳感器讀數(shù)測得。所以鹵水的密度就可以計算出。為了方便計算和保證測量精度，我們采用不銹鋼支架，將兩只傳感器通過固定螺紋固定到1米間距。從而保證了鹵水的水密度精度與壓力精度直接相關(guān)。當壓力精度為0.05%時，所測量計算得出的水密度精度遠高于5%的要求。

大氣壓計也是絕壓壓力傳感器的一種，為了保證水位測量值的準確性，以及各個壓力傳感器的一致性，大氣壓傳感器也選用同一廠家生產(chǎn)的大氣壓傳感器。大氣壓傳感器測量范圍為0.8-1.3Bar，測量精度為0.05%FS，輸出為RS485數(shù)字量輸出。

（2）北斗數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)(4)（數(shù)據(jù)傳輸部分）主要由北斗通信設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸鏈路構(gòu)成，主要負責將地下水自動監(jiān)測信息采集子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過北斗數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

北斗通信機選用兩個型號，一種是用在各個監(jiān)測井口的水文監(jiān)測專用機型，第二種是用在數(shù)據(jù)中心接收數(shù)據(jù)的指揮機。

（3）地下水自動監(jiān)測信息管理子系統(tǒng)(5)(6)(7)（監(jiān)測中心管理軟件）主要包括數(shù)據(jù)接收解析模塊、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及信息管理模塊，主要完成野外各測站終端監(jiān)測設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的接入，并實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的解析、顯示、查詢、儀器設(shè)備管理、通訊設(shè)備管理、監(jiān)測井信息管理、報警等功能。

①硬件環(huán)境

內(nèi)存：1GB（建議2GB）；

硬盤：20G或以上；

顯存：128MB或以上。

②軟件環(huán)境

軟件名稱 配置及說明Windows server 2003或以上版本 操作系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)服務(wù)器和WEB服務(wù)器Windows、Linux、unix、mac os 操作系統(tǒng)，用于業(yè)務(wù)處理計算機瀏覽器 支持W3C web技術(shù)標準

4 地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)在羅布泊地下鹵水監(jiān)測中的作用

理想的地下水分布模型的建立，要求地下水位數(shù)據(jù)的取得最好在同一時刻，人工監(jiān)測方式無法做到這一點。且每個觀測點每月只能取得一個數(shù)據(jù)。自動監(jiān)測完全克服了人工監(jiān)測方式的先天局限性，具有一下優(yōu)勢：

（1）能保證所有觀測數(shù)據(jù)在同一時刻取得，數(shù)據(jù)同步性和及時性好。建立地下水分布模型的精度更高。

近日，法國圣愛美隆產(chǎn)區(qū)釀酒開拓者——杰樂貝干（J.LEGEGUE）酒莊新品晚宴在陽光上東MAISON CELINE隆重舉行，ADVINI集團中國大區(qū)總監(jiān)Bertrand Jimenez亮相晚宴現(xiàn)場，品牌方攜5款新品驚艷亮相。

（2）獲取數(shù)據(jù)量大幅增加。地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)可自由設(shè)置水位數(shù)據(jù)采集時間間隔，最短可設(shè)為一分鐘采集一個數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量上的極大豐富，可以使得對地下鹵水的分布情況和變化規(guī)律有更精確的把握。

（3）建立了完備的地下水資源數(shù)據(jù)庫，為鹵水地下水的研究提供了強大的數(shù)據(jù)分析支持，也成為全國資源體系以及資源遠景規(guī)劃的重要補充。

（4）對鹵水動態(tài)變化情況長期監(jiān)測，掌握礦山資源開發(fā)利用狀況，保證鹽湖鉀鹽資源可持續(xù)利用，提高國產(chǎn)鉀肥自給率，滿足我國農(nóng)業(yè)對鉀肥的需求、增加有效供給、減少國際貿(mào)易風險、節(jié)約外匯，加強新疆當?shù)貜馁Y源優(yōu)勢向經(jīng)濟優(yōu)勢轉(zhuǎn)換，為推動西部少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，促進西部大開發(fā)工作。

（5）公司的水文長觀監(jiān)測點分布在6000平方公里的地域，呈點多、面廣、線長的特點。因長觀測點大多處在鹽漠戈壁深處，除長觀人員外沒有其他人員進出，目前長觀工作都是借用原石油勘探便道及就近找路而行。石油勘探便道年久失修，路況極差，長觀車輛故障頻出，車輛維修費用高昂；從石油便道到長觀點因無路相通，長觀車輛無法到達長觀工作點，只能長距離步行，長觀工作人員野外作業(yè)強度大、風險高，羅布泊地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)解決了人工觀測工作強度大，作業(yè)交通成本高；多數(shù)觀測井位沒有通訊信號，安全保障性差這一關(guān)鍵性問題。

5 該地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)在羅布泊鹵水中的應用具有一下幾個特點

5.1 創(chuàng)新性

對于淡水資源的地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，但對于高礦化、不同礦區(qū)鹵水密度不同、密度值不穩(wěn)定鹵水水位的自動監(jiān)測，由于存在金屬材料耐腐蝕及地鹵水成分復雜，且礦區(qū)很多地方gprs網(wǎng)絡(luò)沒有覆蓋到，數(shù)據(jù)傳輸難等因素，行業(yè)內(nèi)沒有成熟的方法可以借鑒。

從2008年起，項目組經(jīng)過7年的努力，不斷摸索、試驗、改進技術(shù)方案，與生產(chǎn)廠家協(xié)調(diào)，對自動監(jiān)測系統(tǒng)重新進行設(shè)備選型和設(shè)備改造，終于解決金屬探頭在高礦化度高腐蝕性、不同礦區(qū)鹵水密度不同、密度值不穩(wěn)定鹵水中使用的技術(shù)難題[9]，該項目獲得2015年新疆維吾爾自治區(qū)測繪行業(yè)科學技術(shù)進步一等獎。

羅布泊高礦化度鹵水成分表

該系統(tǒng)采用適用于羅布泊礦區(qū)高礦化度、高腐蝕性、密度值不恒定地下鹵水介質(zhì)的防腐材質(zhì)的金屬探頭與北斗通信系統(tǒng)進行系統(tǒng)整合，以北斗衛(wèi)星導航通訊功能為基礎(chǔ)，依托GIS的強大空間數(shù)據(jù)處理分析功能[10-11]，綜合集成了數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)、查詢檢索技術(shù)、串口通信技術(shù)、傳感器等技術(shù)，可部署在無人區(qū)。實現(xiàn)了野外無人區(qū)地下鹵水監(jiān)測工作的智能化和自動化，邁出了野外無人區(qū)高礦化度高腐蝕性地下鹵水智能監(jiān)測工作的一大步，填補了我國大范圍高礦化度地下鹵水監(jiān)測自動化應用的空白。

5.2 先進性

該系統(tǒng)主要包括地下水自動監(jiān)測信息采集子系統(tǒng)、北斗數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)、地下水自動監(jiān)測信息管理子系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。地下水自動監(jiān)測采集子系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)采集儀器對地下水水位、水溫、鹵水密度等參數(shù)的定時自動采集[12]，并將信息傳送到北斗數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)。北斗數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)主要是將地下水自動監(jiān)測信息采集子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)通過北斗數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。地下水自動監(jiān)測信息管理系統(tǒng)主要完成野外各測點終端監(jiān)測設(shè)別傳輸數(shù)據(jù)的接入，并實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的解析、顯示、查詢、儀器設(shè)備管理、通訊設(shè)備管理、監(jiān)測井信息管理、報警功能等。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了地圖與數(shù)據(jù)的完美結(jié)合，監(jiān)測點等信息可以實時顯示在地圖上，便于用戶隨時進行查看、分析、統(tǒng)計，地圖可以兼容天地圖、百度地圖、高德地圖等，可以根據(jù)用戶需求自主進行選擇。功能模塊“一鍵關(guān)聯(lián)”，是指用戶點擊關(guān)聯(lián)菜單后，可將關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)一并帶入，從而減少繁瑣且重復的數(shù)據(jù)錄入工作，提高了數(shù)據(jù)的準確性。采用了web架構(gòu)，無需本地安裝，可跨平臺、夸操作系統(tǒng)使用，非常適合缺乏維護人員的野外人員使用。同時具備了用戶自定義設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔和發(fā)送間隔的功能，支持遠程儀器設(shè)置功能，不需要人員到現(xiàn)場操作，大大節(jié)省了人工和交通產(chǎn)生的費用，節(jié)約了成本。該系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星設(shè)備進行定位、通信等數(shù)據(jù)傳輸，解決了無人區(qū)通信問題和各類傳感器通信兼容性問題，豐富了地下水采集與傳輸?shù)氖侄危瑯O大的提高了野外無人區(qū)地下水監(jiān)測的智能化水平。

5.3 實用性

自動化技術(shù)的應用，有效提高了工作效率，實現(xiàn)了原有管理模式的突破，使公司資源管理水平走到了全行業(yè)的前列?？山⑵鹳Y源管理數(shù)據(jù)庫，為以后進一步提高資源管理水平打下堅實基礎(chǔ)。

（1）可保證數(shù)據(jù)采集的及時性和同步性。數(shù)據(jù)采集頻率和數(shù)據(jù)采集量可根據(jù)需求隨時增加。

（2）實現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成與免維護。最大限度的有利于在野外無人區(qū)使用，易于操作和管理。

（3）具有鹵水密度補償、氣壓補償?shù)墓δ?，可排除鹵水密度變化和氣壓變化對測量精度的影響。

（4）管理方式靈活，環(huán)境適應性好。數(shù)據(jù)傳輸方式根據(jù)現(xiàn)場的實際條件進行選擇，即可遠程實時傳輸，也可本地存儲。

[1]新疆地礦局第二水文地質(zhì)大隊，2006，新疆諾羌縣羅北凹地鉀鹽礦詳查報告。184-186

[2]郭建新，太原市地下水位動態(tài)監(jiān)測及監(jiān)測信息資料的應用分析，山西水利 2002年增刊 51-53

[3]姚永熙，地下水監(jiān)測方法和儀器概述，水利水文自動化 2010年2月 第一期 6-8

[4]《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范》 V1.0

[5]《軟件工程術(shù)語》GB/T11457-1995

[6]《軟件維護指南》GB/T14079-93

[7]《在軟件開發(fā)、供應和維護中的使用指南》GB/T19000.3-1997

[8]MS系網(wǎng)研究小組Windows server2003系統(tǒng)配置、管理與應用（M）.北京：清華大學出版社.2005

[9]《化工工廠初步設(shè)計內(nèi)容深度的規(guī)定》 HG/T20688-2000

[10]楊國范.基于WebGIS水資源管理信息系統(tǒng)的理論與實踐（M）.北京：中國水利出版社.2010

[11]周銀朋.基于GIS的地下水資源勘察信息系統(tǒng)的設(shè)計與實踐（J）.科技信息.2013 (8):303-307

地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)在羅布泊地下鹵水監(jiān)測中的應用

■李文學

P2[文獻碼]A

1000-405X（2016）-10-213-1