地下水監(jiān)測設(shè)備常見故障及成因分析

朱珊珊 ，錢 健 ，成宣宇

（1. 云南省水文水資源局昆明分局，云南 昆明 650051；2. 北京金水信息技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100053）

0 引言

地下水是水資源的重要組成部分，是不可或缺的供水和應(yīng)急抗旱水源。地下水監(jiān)測工作可以為水資源的管理和保護提供科學(xué)依據(jù)[1]。地下水監(jiān)測系統(tǒng)是獲得地下水水位、水溫、水質(zhì)等水文地質(zhì)方面信息最直接和有效的手段，可以為各部門提供及時、準確、全面的地下水動態(tài)信息[2]。地下水信息服務(wù)于經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)離不開地下水監(jiān)測，美國從 20 世紀 50 年代開始進行地下水監(jiān)測，歐洲大多數(shù)國家從 20 世紀七八十年代開始，而我國水利部門地下水監(jiān)測從 20 世紀 60 年代開始[3]。國家地下水監(jiān)測工程建設(shè)項目（水利部分）于 2014 年7 月啟動，云南省于 2016 年開始建設(shè)，于 2019 年 4 月底通過水利部國家地下水監(jiān)測工程項目建設(shè)辦公室的單項工程合同完工驗收。運行近3 a 以來，監(jiān)測效果良好，但是數(shù)據(jù)遲報現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，特別是地理位置偏遠的站點，數(shù)據(jù)時效性成了難題。本研究通過總結(jié)自身地下水工作經(jīng)驗，分析總結(jié)昆明轄區(qū) 22 個監(jiān)測站外業(yè)運維中設(shè)備常見故障及成因。

1 區(qū)域概況

1.1 水文地質(zhì)概況

云南地處特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造域與濱太平洋構(gòu)造域的交接部位，介于東經(jīng) 97°31′ 至 106°11′之間，北緯 21°8′ 至 29°15′ 之間，地理位置特殊，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，巖相類型多樣，巖類齊全，沉積巖、變質(zhì)巖、火成巖三大巖類均有分布。東部以碳酸鹽巖為主，西部以變質(zhì)巖、火成巖為主，中部以碎屑巖為主，各種巖類在地域上有相對集中分布的特點。不同巖類、空隙的形態(tài)與連通性等亦不相同，地下水類型與水文地質(zhì)條件隨之而異。

地下水的類型根據(jù)不同的標準，可以有不同的分類，按含水層性質(zhì)可分為孔隙水、裂隙水、巖溶水[4]。云南境內(nèi)地下水資源的地區(qū)分布極不均勻，變化趨勢與地表水資源的地區(qū)分布基本一致，呈南多北少、西多東少的分布態(tài)勢，孔隙水主要分布于境內(nèi)山間盆地、寬淺河谷兩岸地帶，占云南省總面積的 4.9%；裂隙水全省均有分布，主要集中于滇中、滇西片區(qū)，占云南省總面積的 68.0%；巖溶水主要分布在滇東、滇西北的鶴慶—中甸片區(qū)，滇西的保山—倉源片區(qū)，占云南省總面積的 27.1%。大氣降水是云南省地下水資源的主要補給源。

1.2 云南省國家地下水監(jiān)測現(xiàn)狀

云南省目前的地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)主要是由國土部門通過多年的建設(shè)和發(fā)展而形成的，地下水監(jiān)測工作有了一定的基礎(chǔ)。通過云南省國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）的建設(shè)建立完善國家級地下水監(jiān)測站網(wǎng)，為地下水管理、保護等提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1.3 云南省國家地下水監(jiān)測系統(tǒng)簡介

云南省國家地下水監(jiān)測站主要布設(shè)在一般區(qū)域和一些重點監(jiān)測區(qū)，在地下水超采區(qū)和水源地按照要求加密布設(shè)監(jiān)測站點[5]。監(jiān)測系統(tǒng)主要由省級地下水監(jiān)測中心（1 個）、地市級分中心（12 個）、監(jiān)測站（173 個）、信息傳輸系統(tǒng)、信息服務(wù)系統(tǒng)等部分組成，其中昆明市轄區(qū)內(nèi)共建設(shè)國家地下水監(jiān)測井（水利部分）國控點 22 個，其中：新建井 18 眼，改建井 4 眼，監(jiān)測站分布如圖 1 所示。每個監(jiān)測站均建有水準點及標志碑，地下水遙測終端及壓力式水位計，監(jiān)測站示意圖如圖 2 所示。各監(jiān)測站監(jiān)測要素為水位、水溫、水質(zhì)，水位、水溫已經(jīng)全部實現(xiàn)信息自動采集與傳輸，水質(zhì)以人工取樣監(jiān)測為主。

圖 1 昆明市國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）監(jiān)測站分布示意圖

圖 2 地下水監(jiān)測站示意圖

監(jiān)測系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)由下至上分為數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、存儲層和應(yīng)用層。水位和水溫自動監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，于每日 8 時將前一天監(jiān)測的信息利用公用通信信道，發(fā)送到云南省地下水監(jiān)測中心，云南省地下水監(jiān)測中心通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測信息分別傳輸?shù)絿业叵滤⒘饔虮O(jiān)測中心及相應(yīng)地市級分中心。地下水監(jiān)測系統(tǒng)示意圖和邏輯結(jié)構(gòu)如圖 3 和 4 所示。

圖 3 地下水監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2 設(shè)備常見故障分析及處理方法

國家地下水監(jiān)測工程（水利部分）監(jiān)測儀器設(shè)備常見故障主要表現(xiàn)為：監(jiān)測數(shù)據(jù)延遲，數(shù)據(jù)失真、缺報、監(jiān)測設(shè)備死機等。

以昆明市所轄 22 個監(jiān)測站近 3 a 運維情況看，全年地下水出現(xiàn)故障 77 站次，其中設(shè)備故障 6次，其余均表現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲、缺報、設(shè)備信號差。

圖 4 地下水監(jiān)測系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.1 供電模塊故障

目前，昆明市所轄 22 個站點地下水監(jiān)測設(shè)備均為一體化壓力式水位計，并采用內(nèi)置電池供電[6]。遙測終端設(shè)備置于井口保護筒內(nèi)，進行水位、水溫的監(jiān)測。因站點絕大部分地處荒郊野外，長期風吹日曬，保護筒內(nèi)經(jīng)常高溫高濕，供電設(shè)備故障表現(xiàn)為：1）監(jiān)測中心平臺站點狀態(tài)信息提示電池電壓告警；2）地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)突然之間連續(xù)幾天沒有上報，平臺查詢無數(shù)據(jù)。

供電設(shè)備故障成因主要有：

1）供電電池線路插頭與 RTU 電源插口松動，導(dǎo)致接觸不良；

2）大部分監(jiān)測站點均在野外，終端需加大發(fā)射功率發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致耗電增加，電池電壓低，加速電池衰退，信號發(fā)射減弱；

3）監(jiān)測終端密封不好，連續(xù)降水造成部分保護桶內(nèi)濕度大，導(dǎo)致線路板受潮，電路短路、線路損毀，停止工作。

2.2 通信模塊故障

通信故障是地下水監(jiān)測設(shè)備故障發(fā)生率最高的一種。故障通常表現(xiàn)為：1）監(jiān)測站信號強度正常但是平臺查詢無數(shù)據(jù)；2）監(jiān)測站通信信號弱。

故障成因主要有：1）SIM 卡磁化，需更換；2）通信模塊故障，需要維修；3）天線銹蝕、損壞，建筑物信號遮擋；4）運營商 2G 網(wǎng)絡(luò)故障或已升級到 4G，使得監(jiān)測站通信中斷；5）電池衰退、設(shè)備死機等原因造成數(shù)據(jù)傳輸中斷。

2.3 壓力式水位計故障

壓力式水位計故障表現(xiàn)為：1）RTU 儀器故障狀態(tài)信息欄顯示報警；2）采集的埋深數(shù)據(jù)失真或采集不到數(shù)據(jù)；3）壓力探頭報警，停止工作。

故障成因主要有：1）探頭進水口淤堵；2）初次安裝后，線纜自身弧度和重力原因?qū)е聹y繩位置改變，需要比測校準；3）傳感器探頭與 RTU 之間的接線口松動；4）探頭腐蝕；5）地下水位變化導(dǎo)致接觸不到水面，采集不到數(shù)據(jù)。

2.4 水位、水溫數(shù)據(jù)故障

水位、水溫數(shù)據(jù)故障主要表現(xiàn)為：1）無水位、水溫數(shù)據(jù)；2）水位數(shù)據(jù)突變；3）由 RTU 故障引起的水位、水溫數(shù)據(jù)傳輸故障。

故障成因大致可分為：1）地下水監(jiān)測站通訊信號差，數(shù)據(jù)傳輸滯后；2）監(jiān)測井附近取用水；3）傳感器探頭與 RTU 之間的連接電纜線位置未固定；4）傳感器探頭故障，無法實時采集數(shù)據(jù)。

2.5 監(jiān)測環(huán)境變化導(dǎo)致的故障

地下水監(jiān)測站點大部分處于野外，監(jiān)測環(huán)境變化導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)為：

1）監(jiān)測井內(nèi)出現(xiàn)坍塌淤積；

2）地址滑坡、周圍植被生長導(dǎo)致井口保護裝置被掩埋遮蓋；

3）夏季高溫、高濕，設(shè)備故障高發(fā)。

故障成因主要有：

1）地質(zhì)構(gòu)造運動或監(jiān)測井附近土質(zhì)疏松，導(dǎo)致監(jiān)測井內(nèi)出現(xiàn)坍塌淤積井口保護裝置被掩埋；

2）地下水監(jiān)測設(shè)施地處偏遠，人們對地下水監(jiān)測設(shè)施保護意識不強，人為破壞；

3）連續(xù)降水造成部分保護桶內(nèi)濕度大，造成電路短路、線路損壞等；雨過天晴，保護筒內(nèi)高溫高濕的環(huán)境也會導(dǎo)致電路短路、線路板損壞而停止工作。

綜上所述，地下水監(jiān)測站不同站點、設(shè)備出現(xiàn)故障的表現(xiàn)及造成故障發(fā)生的原因都有所不同，因此，在處理故障問題時需結(jié)合實際情況，應(yīng)采取有效的措施進行針對性處理[7]。

3 運維建議

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，地下水資源問題日漸突出，地下水監(jiān)測工作是一項基礎(chǔ)性、公益性的事業(yè)，是掌握地下水動態(tài)變化特征最直接的手段。準確、可靠的地下水監(jiān)測信息可以為合理開發(fā)利用與有效保護，科學(xué)評價地下水資源提供科學(xué)支撐[8]，而及時有效的維護工作，是地下水監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。為保障各監(jiān)測站的正常監(jiān)測及系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運行，提出以下幾點運維建議：

1）加強組織領(lǐng)導(dǎo)，建立運維機制，提高運維人員的業(yè)務(wù)技術(shù)水平，維護運維隊伍的穩(wěn)定性。一直以來水文局都是以陸地水文監(jiān)測為主，匱缺地下水相關(guān)專業(yè)人才，設(shè)施設(shè)備的專業(yè)維護存在一定困難。為提高運維工作效率，建議云南省引進專業(yè)隊伍統(tǒng)一運維，并依托地州水文局監(jiān)督管理。運維隊伍的穩(wěn)定，便于統(tǒng)籌各州市地下水監(jiān)測設(shè)備。地下水監(jiān)測站點多分布于各州、市水文局轄區(qū)內(nèi)，充分發(fā)揮各水文站位置優(yōu)勢及地方水文局熟悉本區(qū)域站點的特點，可以提高地下水運維管理的時效性。

2）巡檢常態(tài)化。定期不定期對地下水監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測井進行巡檢、清淤，提高巡檢的時效性，將故障排除在萌芽狀態(tài)，保證各項監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸。

3）提高設(shè)備穩(wěn)定性。提高設(shè)備穩(wěn)定性，升級通信模塊。越來越多的地區(qū) 2G 公網(wǎng)已升級為 4G，而使用 2G 移動終端將無法在 4G 網(wǎng)絡(luò)中運行，亟須將云南省國家地下水監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)有 RTU 使用的 2G 通信模塊升級為全網(wǎng)通（4G 或者 5G）通信模塊，并增加傳輸信道，作為現(xiàn)有 GPRS、短消息通信方式的補充和備份。

4）補充備品備件。充足的備品備件是開展運維的前提，目前各監(jiān)測站發(fā)生故障，備品備件均須從云南省水文水資源局調(diào)配，一定程度上影響時效性。

5）完善地下水信息查詢與維護管理系統(tǒng)平臺。在目前已有的數(shù)據(jù)查詢功能上，建議增加設(shè)備管理維護功能，在平臺能查詢各站設(shè)備運行狀態(tài)，并增加運維人員查詢權(quán)限，系統(tǒng)提醒異常，自動攔截，待人工處理。

4 結(jié)語

科學(xué)管理地下水是當前社會經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求[9]。地下水監(jiān)測設(shè)備的運維工作效果直接影響到地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性與準確性。提高地下水監(jiān)測站的運行水平，應(yīng)重視運行維護維工作[10]，提升運維效率，從而為地下水的生態(tài)環(huán)境保護、管理，以及水文情報、預(yù)報工作提供及時準確的信息。通過分析昆明市所轄 22 個監(jiān)測站設(shè)備故障及成因可以得出如下結(jié)論：

1）目前地下水監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性有待提升，特別是遙測終端通信模塊亟待升級為 4G 或者 5G。

2）地下水監(jiān)測設(shè)備雖具備在線自動監(jiān)測條件，但仍需進一步提高監(jiān)測設(shè)備性能，才能實現(xiàn)監(jiān)測信息的實時傳輸。

3）加強組織領(lǐng)導(dǎo)，建立運維機制，加強業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提高運行維護人員業(yè)務(wù)素質(zhì)，適當增加運行維護經(jīng)費，做好監(jiān)測站點管理與運行維護工作。

4）完善地下水信息查詢與維護管理系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)查詢及可疑數(shù)據(jù)處理的時效性，為地下水研究提供更加可靠的數(shù)據(jù)。

5）由于地下水受埋藏條件及人類活動等因素影響，如何實現(xiàn)地下水對地下水動態(tài)進行準確監(jiān)測還需進一步探索和研究。