自動化地下水位計在北疆某水源地的應用

【摘要】針對北疆某水源地地下水位埋深較大，井內結構復雜，人工監測水位困難，為改善地下水位監測條件，特引進自動化地下水位計監測系統在水源地使用，通過對18眼監測井數據和儀器故障分析，認為該地下水位計測量精度滿足規范要求，能夠在北疆這種冬季嚴寒的環境下使用，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的應用是可以大范圍推廣的。

【關鍵詞】自動化地下水位計；嚴寒；腐蝕

1、前言

水源地位于準噶爾盆地南緣山前戈壁灘上，地貌單元主要為南部高山區，中部山前戈壁帶，北部沖洪積細土平原區和沙漠區。研究區屬典型的大陸性干旱氣候區，降水稀少，蒸發強烈，相對濕度小，年內溫差變幅大，最低氣溫-40℃，最高氣溫40℃，年降水量150.9mm，，年蒸發能力1812.13mm。區內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沖積物組成，巖性多為灰黑色中細砂含礫石，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利用地下水，需對地下水位進行實時監測。

水源地機井全年運行，常規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，各機井之間路途遙遠，特別是冬季大雪封山，現場觀測不便且具有一定的危險性，另一方面，水源地機井深度都在180m以上，地下水位埋深都在40m以下，井內線纜眾多，結構復雜，人工觀測過程經常發生被卡住等情況，保證不了水位觀測的及時準確。

水源地自2014年3月正式采用自動化地下水位計觀測以來，現在只需在辦公室內打開電腦，所需的地下水位就會自動傳輸進來，大大減少了外業工作量，并且保證了水位監測的及時準確，經過二年運行，該地下水位計使用方便，簡化管理，可靠地指導運行調度，大大提高了水源地經濟效益。

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、數據傳輸電纜和數據傳輸設備三部分組成。

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殼內，然后用傳輸數據線將其掛在地下水監測井內的最低動水位以下，傳感器按設定時間間隔自動采集、存貯水位數據。

壓力傳感器安裝之前首先應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壓阻式感應芯片，這種感應芯片是采用集成電路的工藝，在硅片上擴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，當硅晶體受到壓力P作用后，其中兩個對應的應變電阻變大，而另兩個對應的應變電阻變小，致使惠斯登電橋失去平衡，輸出一個對應于壓力大小的電壓信號，再用精密的數字測量電路即可精確測量出信號電壓值，由此即可轉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、應用情況

該水源地自動化地下水位自動監測系統，在正常情況下監測頻率按照國家級水位自動監測站標準規定進行，采集頻率按4h間隔；對異常情況下設定自動觸發式信息報送，兩次監測水位相差0.3m以上時自動按1h 間隔監測，以避免在數據信息急劇變化的緊急情況時出現數據短缺現象。在突發應急狀態下的采集頻率可通過發送指令臨時調整為0.5h間隔或更短；在固定監測點不能滿足應對要求時，可設立移動監測點，對水位進行跟蹤監測，以滿足監測要求。

SL183-2005《地下水監測規范》要求，地下水位自動監測時，“允許精度誤差為±0.01m”，在其附錄中對傳感器規定“組建系統應選用3級以上設備”，3級精度的水位計水位誤差是±0.03m（10m水位變幅范圍內），該水源地機井深度均達到180m，水位動態變幅范圍均在到40m左右，且井內結構復雜，因此在此安裝的自動化地下水位自動監測系統誤差在±0.05m范圍內均視為滿足規范要求。

2014年5月對水源地G1#監測井進行了人工觀測，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點才穩定下來，這表明在8點到12點之間有一次開泵的過程，井內地下水位先下降后趨于穩定；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左右穩定下來。根據本月的開關泵記錄，確實在5月4日11點開泵，5月12日13點關泵，與自動監測記錄完全吻合。

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

5、嚴寒及礦化度對其影響

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

在二年的使用過程中，水源地第一期安裝的18眼監測井中4眼發生過數據故障，通過對4份故障件的拆解發現，所有故障件表面進水孔處均有有銹蝕現象，拆開之后發現其中2件壓力傳感器的波紋片有空洞現象，充油腔內硅油已經干涸，感應芯片直接浸泡在水中；剩余2件在波紋片的焊接點處發生腐蝕，從而滲漏，充油腔內既有硅油又有水，感應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，發現其礦化度均達到2g/L，因此可以確定含鹽量高的井水，在銹蝕完表面進水孔后，進入傳感器充油腔內腐蝕感應芯片導致了傳感器故障。

因此，下一步在改進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、結語

自動化地下水位計經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測規范要求，能夠適應當地嚴寒的地理環境，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，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確，更可靠地指導水源地運行調度。

參考文獻：

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作者簡介：秦國強（1988—），男，湖北紅安人，主要從事水文地質工作。