自动化地下水位计在北疆某水源地的应用

【摘要】针对北疆某水源地地下水位埋深较大，井内结构复杂，人工监测水位困难，为改善地下水位监测条件，特引进自动化地下水位计监测系统在水源地使用，通过对18眼监测井数据和仪器故障分析，认为该地下水位计测量精度满足规范要求，能够在北疆这种冬季严寒的环境下使用，如果在耐腐蚀方面有所提高，那么该自动化地下水位计在北疆地区的应用是可以大范围推广的。

【关键词】自动化地下水位计；严寒；腐蚀

1、前言

水源地位于准噶尔盆地南缘山前戈壁滩上，地貌单元主要为南部高山区，中部山前戈壁带，北部冲洪积细土平原区和沙漠区。研究区属典型的大陆性干旱气候区，降水稀少，蒸发强烈，相对湿度小，年内温差变幅大，最低气温-40℃，最高气温40℃，年降水量150.9mm，，年蒸发能力1812.13mm。区内及其边缘地带分布有三叠系、侏罗系、白垩系、第三系、第四系地层。地下水主要为孔隙潜水。第四系含水层由上更新统冲积物组成，岩性多为灰黑色中细砂含砾石，含水层厚度100～200m，静水位埋深由南向北逐渐变浅，由80m～30m。该水源地供水对象为北疆某油田，为保证供水要求以及合理开发利用地下水，需对地下水位进行实时监测。

水源地机井全年运行，常规观测水位为每天中午12时，最初采取原始的人工观测办法困难很多，一方面，水源地较大，各机井之间路途遥远，特别是冬季大雪封山，现场观测不便且具有一定的危险性，另一方面，水源地机井深度都在180m以上，地下水位埋深都在40m以下，井内线缆众多，结构复杂，人工观测过程经常发生被卡住等情况，保证不了水位观测的及时准确。

水源地自2014年3月正式采用自动化地下水位计观测以来，现在只需在办公室内打开电脑，所需的地下水位就会自动传输进来，大大减少了外业工作量，并且保证了水位监测的及时准确，经过二年运行，该地下水位计使用方便，简化管理，可靠地指导运行调度，大大提高了水源地经济效益。

2、自动化地下水位计概况

自动化地下水位计整套仪器主要由压力传感器、数据传输电缆和数据传输设备三部分组成。

3、压力传感器工作原理

压力传感器和测量存储仪器安装在一个耐压密封的机壳内，然后用传输数据线将其挂在地下水监测井内的最低动水位以下，传感器按设定时间间隔自动采集、存贮水位数据。

压力传感器安装之前首先应该测定好井口处的大气压力Pa和井水密度ρ水。该压力传感器采用固态压阻式感应芯片，这种感应芯片是采用集成电路的工艺，在硅片上扩散成电阻条形成一组电阻，组成惠斯登全电桥。由于硅晶体具有压阻效应，当硅晶体受到压力P作用后，其中两个对应的应变电阻变大，而另两个对应的应变电阻变小，致使惠斯登电桥失去平衡，输出一个对应于压力大小的电压信号，再用精密的数字测量电路即可精确测量出信号电压值，由此即可转换成传感器所在点的压力P，自动削减大气压力Pa，则为传感器位置以上水压力，再根据水体的密度换算得到此测量点以上水深，最后，用压力传感器距离孔口距离A减去其在水下深度，从而得到地下水位埋深H。

4、应用情况

该水源地自动化地下水位自动监测系统，在正常情况下监测频率按照国家级水位自动监测站标准规定进行，采集频率按4h间隔；对异常情况下设定自动触发式信息报送，两次监测水位相差0.3m以上时自动按1h 间隔监测，以避免在数据信息急剧变化的紧急情况时出现数据短缺现象。在突发应急状态下的采集频率可通过发送指令临时调整为0.5h间隔或更短；在固定监测点不能满足应对要求时，可设立移动监测点，对水位进行跟踪监测，以满足监测要求。

SL183-2005《地下水监测规范》要求，地下水位自动监测时，“允许精度误差为±0.01m”，在其附录中对传感器规定“组建系统应选用3级以上设备”，3级精度的水位计水位误差是±0.03m（10m水位变幅范围内），该水源地机井深度均达到180m，水位动态变幅范围均在到40m左右，且井内结构复杂，因此在此安装的自动化地下水位自动监测系统误差在±0.05m范围内均视为满足规范要求。

2014年5月对水源地G1#监测井进行了人工观测，以此来校核自动化地下水位计。从表 1可知2014年5月4日8点地下水位埋深42.73m，12点52.12m，在后面的12个小时里，水位一直在下降，直至24点才稳定下来，这表明在8点到12点之间有一次开泵的过程，井内地下水位先下降后趋于稳定；5月12日12点地下水位埋深62.48m，16点地下水位埋深57.89m，在未来的25个小时里地下水位一直在上升，最终在42.98m左右稳定下来。根据本月的开关泵记录，确实在5月4日11点开泵，5月12日13点关泵，与自动监测记录完全吻合。

15日的人工监测记录里，静水位记录6次，6次记录中人工监测数据与自动监测数据最大相差0.03m，均值相差0.0183m；動水位记录9次，9次记录中人工监测数据与自动监测数据最大相差0.05m，均值相差0.0233m，因此该水位计的精度完全满足规范要求。

5、严寒及矿化度对其影响

水源地冬季气温较低，最低气温达-40℃，在设备安装前曾考虑该设备可能会因低温发生故障，但经过二个冬季运行发现，该自动化地下水位计受低温影响较小，18眼监测井中仅有一眼监测井在2014年冬季发生过无法传输数据的问题，经过分析，该井所处位置地势较低，在-38℃的情况下导致电路短路，致使信号无法传输，在对设备进行保温处理后，就再也没有发生过因为低温导致的故障了。

在二年的使用过程中，水源地第一期安装的18眼监测井中4眼发生过数据故障，通过对4份故障件的拆解发现，所有故障件表面进水孔处均有有锈蚀现象，拆开之后发现其中2件压力传感器的波纹片有空洞现象，充油腔内硅油已经干涸，感应芯片直接浸泡在水中；剩余2件在波纹片的焊接点处发生腐蚀，从而渗漏，充油腔内既有硅油又有水，感应芯片直接与油水混合物相接触，通过对这4眼井的井水取样化验，发现其矿化度均达到2g/L，因此可以确定含盐量高的井水，在锈蚀完表面进水孔后，进入传感器充油腔内腐蚀感应芯片导致了传感器故障。

因此，下一步在改进压力传感器如何防止锈蚀，尤其是波纹片的焊接位置上，如果能够在这方面有所突破，那么定会大大延长压力传感器在高矿化度水中的使用寿命。

6、结语

自动化地下水位计经过在该水源地二年的运行表明，该仪器精度满足地下水位监测规范要求，能够适应当地严寒的地理环境，但是压力传感器在防止腐蚀方面仍然薄弱，如果这方面得到加强，那么一定会大大延长仪器的使用寿命，从而能够更好的保证水位观测的及时准确，更可靠地指导水源地运行调度。

参考文献：

[1]乔晓英.准噶尔盆地南缘地下水环境演化及其可再生性研究[D].西安：长安大学，2008.

[2]丰建勤.压力式水位计应用及精度分析[J].海洋测绘，2002，22（2）：52-54.

[3] SL183-2005.地下水监测规范[S].

作者简介：秦国强（1988—），男，湖北红安人，主要从事水文地质工作。