簡易可視井、孔水文地質(zhì)觀測儀的研制和應(yīng)用

摘 要：利用微型視頻技術(shù)和高精度光電計數(shù)技術(shù)，研制了一款用于地質(zhì)勘探井、孔內(nèi)簡易水文地質(zhì)觀測的儀器，解決了以往水文監(jiān)測儀器能“測”不能“觀”等缺陷，它既可同時觀測地表溫度和井、孔內(nèi)的地下水水溫、水位，又是井、孔內(nèi)落物、斷桿和撈泵等鉆探事故處理的好幫手。經(jīng)實際應(yīng)用驗證，該儀器測量精度高，穩(wěn)定性好，抗干擾性強，便于攜帶，操作簡單，安全可靠，特別適用于勘探過程中簡易水文地質(zhì)工作，具有較好的實用性。

關(guān)鍵詞：微型視頻；光電計數(shù)；地質(zhì)勘探；水文地質(zhì)觀測

1 研發(fā)背景

簡易水文地質(zhì)觀測是地質(zhì)勘探過程中了解井、孔內(nèi)巖土層水文地質(zhì)信息的重要工作手段。在簡易水文地質(zhì)觀測工作中，盡管目前所采用的簡易水文地質(zhì)觀測儀器繁多，但大多十分簡陋，測量精度也不能滿足不斷發(fā)展的簡易水文地質(zhì)觀測要求，例如傳統(tǒng)觀測方法中，所使用的布圈尺、鋼圈尺時間使用長了字跡模糊，采用的測鐘反應(yīng)不靈敏，測繩打結(jié)、尺標(biāo)滑動，導(dǎo)線電鈴（燈炮）時常出現(xiàn)遇水長鳴（亮）的情況，導(dǎo)致簡易水文地質(zhì)觀測信息準(zhǔn)確度較差，工具也不耐用。同時，觀測儀器的功能較為單一，多數(shù)儀器只能測量水位或水溫，有些只能“測”不能“觀”，或者只能“觀”不能“測”，儀器智能化程度不高。

為適應(yīng)現(xiàn)階段地質(zhì)工作創(chuàng)新轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要，湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊成立創(chuàng)新技改小組，在總結(jié)以往地質(zhì)勘探水文地質(zhì)觀測儀器及相關(guān)工具使用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，擬開發(fā)一款可視化、小微型的數(shù)碼井、孔簡易水文地質(zhì)觀測儀器，以滿足在礦產(chǎn)地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、地溫能普查等方面的工作需要。此觀測設(shè)備的開發(fā)，對多元地質(zhì)信息綜合評判、解決工程中的水文地質(zhì)問題和推進水文地質(zhì)觀測儀器的發(fā)展具有十分重要的意義。

2 研制過程

為了開發(fā)一款操作簡單、節(jié)能環(huán)保、便于維護、安全可靠的多功能簡易水文地質(zhì)觀測儀器，經(jīng)歷了產(chǎn)品構(gòu)思、市場調(diào)研、設(shè)計與制造、測試與改進、產(chǎn)品試用等以下幾個階段：

第一階段：產(chǎn)品構(gòu)思（2014年7月）

2014年7月，在武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊承擔(dān)的武漢市軌道交通7號線巖溶專項勘察項目中，水文地質(zhì)勘察是該項目專項勘察的重要工作之一，需對工程區(qū)的地下水溫度、水位等進行觀測，同時還需要對地下深部的溶洞發(fā)育情況進行水下驗證觀察。在工作中，技術(shù)人員分別采用溫度計、測繩和井下電視等進行了測量，多次重復(fù)的在井、孔中下入相關(guān)設(shè)備，工作既費時又耗力。項目部了解該情況后，成立了創(chuàng)新技改小組，對該項簡易水文地質(zhì)觀測工作進行攻關(guān)，提出了改造現(xiàn)有勘探井、孔簡易水文地質(zhì)觀測設(shè)備（儀器）的構(gòu)思，擬研發(fā)一款多功能、精度高的簡易水文地質(zhì)觀測儀器，以滿足地質(zhì)勘探及城市環(huán)境地質(zhì)工程、巖溶勘察項目的工作需要。

第二階段：市場調(diào)研（2014年8月-2014年10月）

提出研發(fā)構(gòu)想后，從2014年8月開始，創(chuàng)新技改小組成員采取市場調(diào)查、網(wǎng)絡(luò)搜索、查閱相關(guān)資料等方式，進行了市場調(diào)研，了解行業(yè)內(nèi)簡易水文地質(zhì)觀測儀器的研究發(fā)展現(xiàn)狀，對類似功能的儀器進行全面調(diào)查了解。通過調(diào)查研究，行業(yè)內(nèi)的井孔簡易水文地質(zhì)觀測儀器仍然沿用測繩、布圈尺、鋼圈尺等測具，以上測具存在不耐用、尺標(biāo)滑動、字跡模糊等現(xiàn)象，功能較單一、精確度較差、智能化程度不高，未將當(dāng)代電子、可視化等先進技術(shù)引入到地質(zhì)勘探的井孔簡易水文地質(zhì)觀測工作中來。市場上已有的井下電視探測儀、水位觀測儀等儀器，不僅功能單一，造價也十分昂貴，多數(shù)儀器并不適合在口徑較小的勘探井孔中進行測量，尚未發(fā)現(xiàn)有集測量地下水位、水溫、地表溫度及視頻為一體的井孔簡易水文地質(zhì)觀測儀器。從市場調(diào)查的情況來看，研發(fā)該類儀器是符合行業(yè)發(fā)展需要的，也是市場上所需求的。

第三階段：設(shè)計與制造（2014年11月-2015年2月）

經(jīng)過前期市場調(diào)研，創(chuàng)新技改小組提出在充分利用目前現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上進行開發(fā)創(chuàng)新的基本工作思路。在確定儀器設(shè)備的功能目標(biāo)上，創(chuàng)新技改小組成員集思廣益，提出了設(shè)備結(jié)構(gòu)的組成，進行圖紙樣稿的繪制。在圖紙樣稿完成后，組織有關(guān)成員進行了圖紙會審，對其中各部件布局進行了合理化調(diào)整，經(jīng)優(yōu)化后確定設(shè)計方案。設(shè)計方案確定后，聯(lián)系加工廠家，比照現(xiàn)有設(shè)備（儀器），進行設(shè)計圖紙放樣，試制各分系統(tǒng)樣品，在加工過程中對不合理的設(shè)計再次進行了調(diào)整，例如繞線盤尺寸、溫度顯示與視頻顯示器的布局等。在設(shè)備加工的同時，調(diào)查市場各類通信線材、視頻探頭、顯示器、計數(shù)器等器材。準(zhǔn)備好各類材料后，進行安裝，完成觀測儀的制造。觀測儀制造完成后，進行20米深度初試，初試沒有發(fā)現(xiàn)異常問題。

第四階段：測試與改進（2015年3月-2015年5月）

為了測試儀器在最不利條件下的工作性能，對觀測儀繼續(xù)分系統(tǒng)進行50米深度測試。測試時，溫度顯示及設(shè)備其它系統(tǒng)均工作正常，但圖象顯示系統(tǒng)無法正常工作，顯示為黑屏，此階段試驗失敗。從2015年4月1日起，創(chuàng)新技改小組成員利用假日休息時間，剖析前段時間的工作思路、步驟，查找黑屏原因，咨詢視頻通訊專業(yè)人士，給出解決問題方案。經(jīng)調(diào)整，首先將高清可視攝像系統(tǒng)，更換為模似電視傳輸系統(tǒng)，其次更換投入式液位計及專用線纜，將研發(fā)的復(fù)合型探頭再配上6類通訊線纜及繞線盤；同時，聘請視頻通訊方面的專家到測試現(xiàn)場幫助查找問題，分析原因，在專家指導(dǎo)下將現(xiàn)有4顆LED燈換成7顆遠(yuǎn)紅外燈，增加攝像頭補光強度，在不增加線纜芯數(shù)的情況下，添加Poe分離器為攝像機提供電和數(shù)據(jù)傳輸。在鉆探施工現(xiàn)場按50米、70米、110米深度分別進行了測試，測試中各系統(tǒng)工作正常，儀器工作性能達(dá)到預(yù)期目的。

第五階段：產(chǎn)品試用（2015年6月-2015年10月）

本產(chǎn)品通過測試和改進后，隨即在湖北省淺層地溫能開發(fā)利用科研試驗基地水文地質(zhì)勘察項目和武漢地鐵7號線巖溶勘察項目中投入試用，均達(dá)到預(yù)期效果。

3 儀器功能及特點

3.1 儀器結(jié)構(gòu)及組成

簡易井、孔水文觀測儀由以下部件組成（見圖1、圖2）：

（1）高性能低功耗嵌入式彩色液晶顯示屏；

（2）百萬高清彩色攝像頭；

（3）帶逆向功能光電計數(shù)器（孔口導(dǎo)向輪）；

（4）高精度光電計數(shù)顯示器；

（5）工作電壓、時間、水位、雙溫度顯示器；

（6）可充電鋰電池；

（7）電源開關(guān)，單相；

（8）繞線盤；

（9）電纜線（六類通訊纜線，最大抗拉強度80Kg）；

（10）USB2.0接口；

（11）Poe分離器；

（12）高精度光電計數(shù)器支架等。

3.2 技術(shù)參數(shù)

（1）彩色攝像機，SONY機芯 圖像傳感器：SONY1/3”CCD

（2）圖像顯示： 2.5時高清晰度彩色液晶顯示屏

（3）視頻制式： PAL制 攝像角度： 120°

（4）分辯率：480（RGB）X240（QVGA） 水平解析度：700線

（5）紅外燈： 7顆φ5燈 紅外距離：3-8m

（6）觀測深度： 0-100m 探頭防水級別IP66

（7）工作電源：可充大容量電池（12VDC 6800mAh）

（8）工作溫度：-20-80℃

（9） 阻值范圍寬：1KΩ-200KΩ

（10）額定功率：≤25Mw

（11）高精度光電計數(shù)器尺寸：φ38X50（φ80） 探頭尺寸：（316不銹鋼） 120-φ26mm

（12）毛重：探頭 0.65kg、電計數(shù)器 0.3kg，總重：2.2kg（線纜除外）

3.3 工作原理及注意事項

簡易可視井、孔水文觀測儀的工作原理如下（如圖3所示）：

（1）在井、孔管口安裝好井、孔口裝置，通電后測試各顯示器工作正常，調(diào)整高精度光電計數(shù)顯示器顯示值為零。

（2）將帶電纜線的復(fù)合型探頭通過已安裝好的光電計數(shù)器，并校正好計數(shù)器輪對中及管口標(biāo)高。

（3）緩慢轉(zhuǎn)動繞線盤向井、孔內(nèi)投入復(fù)合型探頭，同時觀察各顯示屏，顯示圖像、數(shù)字變化，高清攝像頭（復(fù)合型探頭）到達(dá)井、孔內(nèi)水面時，高清顯示屏顯示水面圖像，此時高精度光電計數(shù)顯示器所顯示的數(shù)值，就是井、孔內(nèi)的地下水水位標(biāo)高值。

（4）繼續(xù)下放帶隔離性復(fù)合型探頭1.0m，讓井、孔內(nèi)的溫度感應(yīng)器靜置水中5分鐘以上，再觀測地下水水溫、地表溫度、時間等并記錄相關(guān)信息。觀測儀設(shè)有備用系統(tǒng)，讓水阻接觸點接觸水面，當(dāng)觸點接觸到水面時，便會接通接收系統(tǒng)中蜂鳴器（電平指示儀），當(dāng)觸點離開水面時，就會自動關(guān)閉接收系統(tǒng)。關(guān)閉電源完成一次觀測。

（5）收回帶電纜線復(fù)合型探頭入繞線盤中，卸下管口光電計數(shù)器及顯示器。

（6）產(chǎn)品主要利用了高精度光電計數(shù)器、微型攝像機、顯示器、熱敏電阻、Poe分離器等器件的工作特性及原理。

簡易可視井、孔水文觀測儀使用有關(guān)注意事項如下：

（1）簡易可視井、孔水文觀測儀是能及時捕獲視頻影像的高科技電子儀器，使用前必須掌握產(chǎn)品特性。

（2）觀測所采用的測具，應(yīng)符合國家計量標(biāo)準(zhǔn)，按規(guī)定進行檢定。

（3）每次觀測結(jié)果應(yīng)當(dāng)場核查，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時補測；非正常情況影響地下水位、水溫觀測時，應(yīng)在原始記錄表備注欄注明。

（4）工作時光電計數(shù)器，不要超過標(biāo)稱轉(zhuǎn)速，否則會影響電器信號輸出。

（5）勿在額定溫度、功率范圍以外使用NTC熱敏電阻及其它電子產(chǎn)品。

（6）產(chǎn)品有抗振、抗爆功能，但不要在易燃、易爆環(huán)境中使用。

（7）探頭玻璃體須保持清潔，操作時應(yīng)輕拿、輕放。

（8）每次將探頭投入井、孔管口時，必須把光電計數(shù)器清零。

（9）產(chǎn)品除探頭和電纜線外，其它配件不得浸入水中，以防電子器件損壞。

（10）不得在已知裸井、孔發(fā)生坍塌、涌泥、涌沙時，將探頭投入井孔內(nèi)，避免造成不必要的損失。

（11）探頭在井孔、內(nèi)發(fā)生卡、埋強提時力度不得超過電纜線最大抗拉能力，必要時可采取其它措施減輕損失。

（12）觀測后必須將復(fù)合型探頭、高精度光電計數(shù)器、電纜線等擦拭干凈，并把電纜線整齊地繞在繞線盤上，將電池充好電，存放在干燥處。

3.4 主要特點及優(yōu)勢

作為一款勘探井、孔簡易水文地質(zhì)觀測儀器，它具有如下特點及優(yōu)勢：

（1）在地質(zhì)勘探過程中首次利用微型視頻技術(shù)、高精度光電計數(shù)技術(shù)進行可視化簡易水文地質(zhì)觀測。

（2）可同時觀測地表溫度和井、孔內(nèi)的地下水水溫及水位、并同頻顯示雙溫，做到既能“測”也能“觀”。

（3）可靠性強、穩(wěn)定性好、測量精度高，水位的測量精度可達(dá)0.5cm，溫度的測量精度可達(dá)到 （±1°%），抗干擾性強。

（4）在處理井、孔內(nèi)落物和斷桿、撈泵等事故中，能夠清楚顯示事故位置及類型、特征等，它具有獨特的直觀性和真實性。

（5）采用便攜式模塊化的設(shè)計，體積小、重量輕，現(xiàn)場安裝使用極為方便，同時設(shè)備自帶可充電電源，使用時間長，能夠連續(xù)工作48小時以上，特別適宜于野外作業(yè)。

（6）將溫度補償和線性校正轉(zhuǎn)換成4-20mADC標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出；視頻、計米數(shù)顯、雙溫顯示模組都留有再次開發(fā)利用串口（配上錄像設(shè)備或微機可對圖像數(shù)據(jù)存盤保存）。

（7）安全可靠，儀器帶工作電壓顯示，具有電源反相極性保護及過載限流保護功能。

4 應(yīng)用效果

本儀器經(jīng)現(xiàn)場試用后，后續(xù)又陸續(xù)在武漢地鐵5、8號線巖溶勘察、武漢市沌口長江公路大橋巖溶勘察、武漢市越秀國際金融匯三期（TC-I）樓勘察、武漢地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警等多個項目中投入應(yīng)用，應(yīng)用效果良好：一是實現(xiàn)了多功能、多數(shù)據(jù)觀測，所獲取的觀測數(shù)據(jù)真實可靠、圖像清晰，測量精度高；二是穩(wěn)定性好，抗干擾性強，在試用過程中均未出現(xiàn)儀器故障、測試數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象；三是儀器設(shè)備重量輕，便于攜帶，操作簡單，自帶電源，無需外用動力或電源，特別適用于野外地質(zhì)作業(yè)；四是采取了安全設(shè)計措施，使用安全可靠，使用過程中的電壓僅有12VDC。從應(yīng)用效果來看，已達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

簡易可視井、孔水文地質(zhì)觀測儀集多項功能為一體，可廣泛用于城市地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、淺層地溫能普查及地下水監(jiān)測工程中的井、孔簡易水文地質(zhì)觀測，其制造成本低廉，性能穩(wěn)定，安全可靠，工作效率高，其市場應(yīng)用前景十分廣闊，是現(xiàn)階段難得的一款實用環(huán)保型簡易水文地質(zhì)觀測儀器。

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作者簡介：李愛軍（1974-），男，高級工程師，水工環(huán)專業(yè)，從事巖土工程勘察工作。