一孔多層監(jiān)測(cè)井中地下水分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

張 磊, 任妹娟, 何計(jì)彬, 張建偉, 馮建華

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 a.水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心; b.自然資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工程技術(shù)創(chuàng)新中心, 河北 保定 071051)

地下水一孔多層監(jiān)測(cè)是指在目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi), 僅鉆探一眼鉆孔, 通過分層填礫料和止水, 將鉆孔中分布的多個(gè)目標(biāo)監(jiān)測(cè)層逐級(jí)有效隔開, 滿足可分層監(jiān)測(cè)、 取樣, 最終實(shí)現(xiàn)在同一眼鉆孔中獲得多地層水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。一孔多層監(jiān)測(cè)井是針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)井的不足而設(shè)計(jì)的, 相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)井, 其最大創(chuàng)新點(diǎn)為在一眼鉆孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)含水層的監(jiān)測(cè)， 其基本特征是通過一根獨(dú)立的具有多通道或閥門的管道在一個(gè)鉆孔中實(shí)現(xiàn)地下水的分層監(jiān)測(cè)和采樣, 即通過單孔實(shí)現(xiàn)多個(gè)地下水含水層的監(jiān)測(cè)和采樣, 以Waterloo多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、 Westbay多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、 連續(xù)多通道(CMT) 多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最具代表性[1]。CMT監(jiān)測(cè)井成井工藝簡(jiǎn)單、 施工成本較低, 比較符合中國(guó)現(xiàn)階段水文鉆探的技術(shù)水平, 適合在國(guó)內(nèi)推廣和應(yīng)用[2]。CMT多層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Waterloo大學(xué)的在校研究生Murray Einarson發(fā)明, 隨后授權(quán)Solinst公司在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)和銷售CMT系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用連續(xù)方式擠出的帶有7個(gè)通道的高密度聚乙烯管, 可監(jiān)測(cè)7個(gè)目的層, 具有無接頭、 環(huán)保清潔、 成井工藝簡(jiǎn)單、 填礫和止水方便、 施工成本相對(duì)較低的特點(diǎn)[3-4]。

在地下水分層監(jiān)測(cè)方面, 地下水監(jiān)測(cè)井正在朝著小直徑方向發(fā)展, 如連續(xù)多通道管分層監(jiān)測(cè)井通道通徑最大為31 mm, 對(duì)于小直徑的分層監(jiān)測(cè)井, 特別是地下水埋深較大的小直徑監(jiān)測(cè)井, 尚無可滿足其監(jiān)測(cè)的專用儀器。目前， 監(jiān)測(cè)儀器多為一臺(tái)儀器對(duì)應(yīng)一路傳感器， 這樣一來, 如果一孔多層監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)層數(shù)為多層, 就需要在一個(gè)監(jiān)測(cè)井中放入多套儀器。很顯然, 這種監(jiān)測(cè)方式成本高, 安裝過程及日后維護(hù)工作繁瑣復(fù)雜。分層監(jiān)測(cè)井使用, 不但增加了監(jiān)測(cè)成本, 而且如果監(jiān)測(cè)儀器內(nèi)部的時(shí)鐘不統(tǒng)一, 還會(huì)使測(cè)量結(jié)果混亂, 影響了分層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。針對(duì)目前一孔多層監(jiān)測(cè)井地下水的監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀, 開展地下水分層監(jiān)測(cè)與集中數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備開發(fā), 研發(fā)了一套適合于一孔多層監(jiān)測(cè)井狹小空間監(jiān)測(cè)要求的地下水分層自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù), 在功能和性能上達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的水平， 其工作方式靈活、 維護(hù)方便, 具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)整體介紹

結(jié)合一孔多層監(jiān)測(cè)井的實(shí)際要求, 以分層監(jiān)測(cè)的整機(jī)結(jié)構(gòu)、 多層信息的自動(dòng)獲取、 多通道數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、 監(jiān)測(cè)設(shè)備的終端管理技術(shù)研究為主要核心內(nèi)容, 同時(shí)通過場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備的驗(yàn)證, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化完善。整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為分層自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 由專用的復(fù)合式傳感器、 自動(dòng)采集與實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備、終端管理平臺(tái)等部分組成。實(shí)現(xiàn)了滿足一孔多層監(jiān)測(cè)井要求的分層自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器與多通道自動(dòng)識(shí)別的全自動(dòng)無人值守的低功耗控制的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。采用“一主多從”的工作模式, 可分時(shí)分址自動(dòng)解析地將集中數(shù)據(jù)傳輸至終端信息平臺(tái)， 其地下水分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成

2.1 地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分

地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分的功能為數(shù)據(jù)的采集和處理。由于受到一孔多層監(jiān)測(cè)井所用的CMT多通道管孔直徑限制, 為了保證前端傳感器探頭能夠正常進(jìn)入目標(biāo)位置, 同時(shí)保證數(shù)據(jù)的可靠性和精確度, 現(xiàn)場(chǎng)采集部分充分利用成熟的地下水動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)(荷蘭斯倫貝謝公司生產(chǎn)的micro diver水位計(jì)產(chǎn)品)。分層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳感器直徑小, 只有18 mm, 完全符合連續(xù)多通道分層監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)要求。通過復(fù)合式傳感器接口部件的設(shè)計(jì)開發(fā), 實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)工作, 設(shè)定時(shí)間啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)功能。本系統(tǒng)為每一層位的地下水配置了1個(gè)水位傳感器, 實(shí)現(xiàn)分層監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取。將多個(gè)傳感器探頭放置在地下水中(目前設(shè)計(jì)最多7個(gè)通道接口), 組成復(fù)合式的傳感器探頭, 其與監(jiān)測(cè)主機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)成分體結(jié)構(gòu)形式, 并考慮將連接接口設(shè)計(jì)成通用方式方便系統(tǒng)擴(kuò)展功能。

2.2 多通道數(shù)據(jù)通訊模式

根據(jù)micro diver水位計(jì)基于非Modbus協(xié)議通訊模式, 開發(fā)數(shù)據(jù)通訊接口電路。連接非Modbus協(xié)議的分層監(jiān)測(cè)通訊主機(jī)。非Modbus協(xié)議研發(fā)的水位計(jì)不支持地址碼尋址, 所以需要單獨(dú)為總線上的水位計(jì)設(shè)計(jì)獨(dú)立的控制與通訊接口電路, 利用配置軟件將每個(gè)從機(jī)的控制中心定義成不同的地址, 配合編制好主-從機(jī)通訊協(xié)議, 主機(jī)發(fā)送帶有地址碼的協(xié)議幀至通訊總線, 每個(gè)從機(jī)接收后與自身的地址進(jìn)行對(duì)比, 地址符合時(shí)從機(jī)的控制核心啟動(dòng)通訊接口與水位計(jì)通訊, 并將獲取的數(shù)據(jù)通過協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)包返回至主機(jī); 地址不符的從機(jī)對(duì)主機(jī)發(fā)來的協(xié)議幀不作回應(yīng)。圖2為非Modbus協(xié)議類分層監(jiān)測(cè)通訊主機(jī)與水位計(jì)連接原理框圖。

圖2 通訊主機(jī)與水位計(jì)連接原理框圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸通訊主機(jī)

數(shù)據(jù)傳輸通訊主機(jī)是整個(gè)地下水分層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息來源, 其設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵, 由于其分布較分散, 需要長(zhǎng)期工作在無人值守的環(huán)境中, 因此其低功耗和高可靠性尤為重要[5]。

2.3.1 數(shù)據(jù)傳輸通訊主機(jī)功能 通訊主機(jī)主要包括定時(shí)啟動(dòng)、 環(huán)境大氣壓的采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鞒绦?。由于采用的是絕壓型的壓力傳感器, 需要與水位探頭的工作頻率一致, 同時(shí)采集環(huán)境大氣壓需進(jìn)行校正以消除大氣壓力的影響。雖然是多個(gè)水位探頭的數(shù)據(jù), 但是只需要采集一個(gè)氣壓數(shù)據(jù), 然后與多個(gè)水位計(jì)一一進(jìn)行匹配從而完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的校正。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸裝置到達(dá)設(shè)定時(shí)間, 時(shí)鐘模塊在觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸裝置啟動(dòng)的同時(shí), 一并喚醒井下的水位探頭, 保證了上下兩部分系統(tǒng)的協(xié)同統(tǒng)一。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將井下水位探頭采集的數(shù)據(jù)和傳輸裝置采集到的數(shù)據(jù)按照監(jiān)測(cè)的目標(biāo)層位打包為一個(gè)整體, 傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢, 數(shù)據(jù)傳輸裝置和井下設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài), 避免消耗不必要的電量。根據(jù)地下水監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)， 數(shù)據(jù)采用短信無線傳輸?shù)姆绞剑?整體硬件電路原理框圖如圖3所示。

2.3.2 微處理器的選擇 采用德州儀器公司MSP430系列單片機(jī)作為主控制核心, 該系列微控制器專門針對(duì)微功耗系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì), 芯片內(nèi)集成多種智能外部設(shè)備，資源豐富、 集成度高, 可以最大程度地簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)方案, 能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸終端對(duì)體積機(jī)功耗的需求。在設(shè)計(jì)上主要突出了控制功能, 調(diào)整了接口配置, 使整個(gè)系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高， 同時(shí), 實(shí)現(xiàn)多通道和分布式控制。多通道數(shù)據(jù)采集儀器采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口, 在現(xiàn)場(chǎng)通過與計(jì)算機(jī)或移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)直連完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)參數(shù)的設(shè)置， 將設(shè)計(jì)自動(dòng)采集儀器與傳輸設(shè)備有效地融合為一體, 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、 存儲(chǔ)、 傳輸與全自動(dòng)無人值守控制。

2.3.3 通訊接口 主控制核心為通訊主機(jī)的核心器件, 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的定時(shí)采樣、 數(shù)據(jù)處理、 外圍通訊以及短信收發(fā)等功能有序地進(jìn)行。該控制器需具備以下幾個(gè)基本通訊接口, 如表1所示。

表1 通訊接口介紹

2.3.4 降低功耗措施 在野外實(shí)際應(yīng)用中, 降低系統(tǒng)功耗的措施是非常有必要的。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中降低功耗的措施主要有: 1)應(yīng)用MSP430超低功耗系列微控制器用于整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)中; 2)對(duì)系統(tǒng)的電源模塊進(jìn)行優(yōu)化控制, 將用電量降至最低[6]; 3)對(duì)數(shù)據(jù)的采集與傳輸方式進(jìn)行完善, 數(shù)據(jù)采集和傳輸更加合理高效, 避免不必要的電量損耗。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件控制軟件運(yùn)行于通訊儀器的微控制器中, 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)微控制器的各個(gè)功能外設(shè)以及構(gòu)成整個(gè)通訊儀器的功能模塊間的信息交互以及邏輯控制等操作。采用C語言編寫通訊主機(jī)的控制軟件, 該控制程序主要協(xié)調(diào)上位機(jī)與通訊主機(jī)的微控制器之間的信息溝通, 解譯上位機(jī)管理軟件發(fā)出的命令以及各種參數(shù), 并將通訊主機(jī)作出的各種響應(yīng)整合成通訊包按照規(guī)定的協(xié)議規(guī)則發(fā)送至上位機(jī)。該控制軟件采用“模塊化編程”為指導(dǎo)思想, 整體軟件方案被劃分為不同的功能模塊, 方便后續(xù)的功能升級(jí)以及代碼維護(hù)[7]。硬件主控制程序流程如圖4所示。

圖4 主控程序流程圖

4 野外應(yīng)用

在三江平原農(nóng)田區(qū)選擇某多通道監(jiān)測(cè)井進(jìn)行野外試驗(yàn)應(yīng)用。利用現(xiàn)有的覆蓋域廣的手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)任意距離的無線數(shù)據(jù)采集工作, 可靠、 方便, 省去了組網(wǎng)的步驟[8]。多通道監(jiān)測(cè)井鉆孔包含5個(gè)含水層。對(duì)該鉆孔開展分層洗井和分層抽水試驗(yàn)工作后, 部署了地下水分層監(jiān)測(cè)儀器, 獲取大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 由于地下水的溫度相對(duì)穩(wěn)定, 波動(dòng)幅度很小, 因此本文主要對(duì)水位的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究, 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖5所示, 其中監(jiān)測(cè)曲線HMT-K10-1—5分別代表的是含水層1～5。三江平原農(nóng)田區(qū)以大氣降水入滲為主要補(bǔ)給源, 徑流、 蒸發(fā)和人工開采為主要排泄途徑的地下水系統(tǒng), 受人為和降雨雙重因素影響。降雨主要集中在6—9月, 占降雨總量的80%以上。通過得到的地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合地下水開采情況, 多個(gè)含水層的水位監(jiān)測(cè)曲線的變化趨勢(shì)相同, 在人為和降雨雙重影響下, 表現(xiàn)出在年內(nèi)豐水期為低水位, 枯水期為高水位的地下水位動(dòng)態(tài)變化特征, 即11月—次年4月為地下水的枯水期, 地下水水位為一年中的高值期; 5—8月進(jìn)入稻田的泡田期與灌溉期, 開始大量開采地下水, 造成水位迅速下降, 地下水位進(jìn)入了年內(nèi)的最低值, 并處于降雨和人工開采影響下的平衡狀態(tài); 9—10月地下水水位逐步回升。通過監(jiān)測(cè)曲線可知, 含水層1(HMT-K10-1)與含水層2(HMT-K10-2)、 含水層4(HMT-K10-4)與含水層5(HMT-K10-5)的監(jiān)測(cè)曲線基本重合。含水層1與含水層2之間是2.3 m厚的粘土層, 含水層4與含水層5之間是2.2 m厚的泥巖層, 含水層間有貫通現(xiàn)象的發(fā)生, 造成了水位變化趨勢(shì)一致。含水層4與含水層5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也反映出受開采地下水進(jìn)行灌溉作業(yè)的影響, 出現(xiàn)每隔一段時(shí)間水位埋深降幅較大的現(xiàn)象。

圖5 水位動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)束語

研發(fā)了一套適于CMT連續(xù)多通道狹小空間分層連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)方法, 研制了滿足一孔多層監(jiān)測(cè)井要求的分層自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器與多通道自識(shí)別的全自動(dòng)無人值守的低功耗控制傳輸設(shè)備。以地下水分層監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備分層刻畫, 自動(dòng)化代替手工, 支撐示范區(qū)多層地下水?dāng)?shù)據(jù)精細(xì)分析、 地下水演化規(guī)律深入研究、 水文地質(zhì)參數(shù)的真實(shí)獲取, 提高精度, 提升效率。應(yīng)用一年多來整體工作狀態(tài)良好, 儀器整體功耗很低， 所用的一號(hào)堿性南孚電池也未曾更換； 但在野外試驗(yàn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)每次監(jiān)測(cè)應(yīng)該同時(shí)收到5個(gè)通道的數(shù)據(jù), 偶爾會(huì)有數(shù)據(jù)丟失的情況出現(xiàn), 是移動(dòng)通信的原因造成數(shù)據(jù)丟失或是儀器自身故障沒有將數(shù)據(jù)發(fā)出, 還需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。因?yàn)樾璋l(fā)送多條數(shù)據(jù), 尤其是碰到信號(hào)質(zhì)量不佳的情況, 電池相對(duì)損耗較快, 今后可考慮供電電源更換為高容量的鋰電池。