一孔多層監測井中地下水分層監測系統開發

張 磊, 任妹娟, 何計彬, 張建偉, 馮建華

(中國地質調查局 a.水文地質環境地質調查中心; b.自然資源部地質環境監測工程技術創新中心, 河北 保定 071051)

地下水一孔多層監測是指在目標監測區域內, 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目標監測層逐級有效隔開, 滿足可分層監測、 取樣, 最終實現在同一眼鉆孔中獲得多地層水文地質數據。一孔多層監測井是針對傳統監測井的不足而設計的, 相較于傳統監測井, 其最大創新點為在一眼鉆孔內實現對多個目標含水層的監測， 其基本特征是通過一根獨立的具有多通道或閥門的管道在一個鉆孔中實現地下水的分層監測和采樣, 即通過單孔實現多個地下水含水層的監測和采樣, 以Waterloo多層監測系統、 Westbay多層監測系統、 連續多通道(CMT) 多層監測系統最具代表性[1]。CMT監測井成井工藝簡單、 施工成本較低, 比較符合中國現階段水文鉆探的技術水平, 適合在國內推廣和應用[2]。CMT多層監測系統由Waterloo大學的在校研究生Murray Einarson發明, 隨后授權Solinst公司在全球范圍內生產和銷售CMT系統, 該系統采用連續方式擠出的帶有7個通道的高密度聚乙烯管, 可監測7個目的層, 具有無接頭、 環保清潔、 成井工藝簡單、 填礫和止水方便、 施工成本相對較低的特點[3-4]。

在地下水分層監測方面, 地下水監測井正在朝著小直徑方向發展, 如連續多通道管分層監測井通道通徑最大為31 mm, 對于小直徑的分層監測井, 特別是地下水埋深較大的小直徑監測井, 尚無可滿足其監測的專用儀器。目前， 監測儀器多為一臺儀器對應一路傳感器， 這樣一來, 如果一孔多層監測井的監測層數為多層, 就需要在一個監測井中放入多套儀器。很顯然, 這種監測方式成本高, 安裝過程及日后維護工作繁瑣復雜。分層監測井使用, 不但增加了監測成本, 而且如果監測儀器內部的時鐘不統一, 還會使測量結果混亂, 影響了分層監測數據的協調和統一。針對目前一孔多層監測井地下水的監測現狀, 開展地下水分層監測與集中數據傳輸設備開發, 研發了一套適合于一孔多層監測井狹小空間監測要求的地下水分層自動監測技術, 在功能和性能上達到了國外同類產品的水平， 其工作方式靈活、 維護方便, 具有明顯的優勢。

1 系統整體介紹

結合一孔多層監測井的實際要求, 以分層監測的整機結構、 多層信息的自動獲取、 多通道數據的遠程傳輸、 監測設備的終端管理技術研究為主要核心內容, 同時通過場地實驗進行監測技術和設備的驗證, 根據實驗結果對儀器設備進行優化完善。整體監測系統為分層自動監測系統， 由專用的復合式傳感器、 自動采集與實時傳輸設備、終端管理平臺等部分組成。實現了滿足一孔多層監測井要求的分層自動監測傳感器與多通道自動識別的全自動無人值守的低功耗控制的數據傳輸設備。采用“一主多從”的工作模式, 可分時分址自動解析地將集中數據傳輸至終端信息平臺， 其地下水分層監測系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

2 監測系統硬件組成

2.1 地下水監測數據采集部分

地下水監測數據采集部分的功能為數據的采集和處理。由于受到一孔多層監測井所用的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入目標位置, 同時保證數據的可靠性和精確度, 現場采集部分充分利用成熟的地下水動態的數據采集技術(荷蘭斯倫貝謝公司生產的micro diver水位計產品)。分層監測數據采集傳感器直徑小, 只有18 mm, 完全符合連續多通道分層監測井的監測要求。通過復合式傳感器接口部件的設計開發, 實現了全程自動工作, 設定時間啟動采集數據功能。本系統為每一層位的地下水配置了1個水位傳感器, 實現分層監測井監測數據的獲取。將多個傳感器探頭放置在地下水中(目前設計最多7個通道接口), 組成復合式的傳感器探頭, 其與監測主機設計構成分體結構形式, 并考慮將連接接口設計成通用方式方便系統擴展功能。

2.2 多通道數據通訊模式

根據micro diver水位計基于非Modbus協議通訊模式, 開發數據通訊接口電路。連接非Modbus協議的分層監測通訊主機。非Modbus協議研發的水位計不支持地址碼尋址, 所以需要單獨為總線上的水位計設計獨立的控制與通訊接口電路, 利用配置軟件將每個從機的控制中心定義成不同的地址, 配合編制好主-從機通訊協議, 主機發送帶有地址碼的協議幀至通訊總線, 每個從機接收后與自身的地址進行對比, 地址符合時從機的控制核心啟動通訊接口與水位計通訊, 并將獲取的數據通過協議封裝成數據包返回至主機; 地址不符的從機對主機發來的協議幀不作回應。圖2為非Modbus協議類分層監測通訊主機與水位計連接原理框圖。

圖2 通訊主機與水位計連接原理框圖

2.3 數據傳輸通訊主機

數據傳輸通訊主機是整個地下水分層監測系統信息來源, 其設計是整個系統的關鍵, 由于其分布較分散, 需要長期工作在無人值守的環境中, 因此其低功耗和高可靠性尤為重要[5]。

2.3.1 數據傳輸通訊主機功能 通訊主機主要包括定時啟動、 環境大氣壓的采集與數據傳輸等工作程序。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, 同時采集環境大氣壓需進行校正以消除大氣壓力的影響。雖然是多個水位探頭的數據, 但是只需要采集一個氣壓數據, 然后與多個水位計一一進行匹配從而完成對采集數據的校正。當數據傳輸裝置到達設定時間, 時鐘模塊在觸發數據傳輸裝置啟動的同時, 一并喚醒井下的水位探頭, 保證了上下兩部分系統的協同統一。本監測系統將井下水位探頭采集的數據和傳輸裝置采集到的數據按照監測的目標層位打包為一個整體, 傳送到數據庫服務器。數據發送完畢, 數據傳輸裝置和井下設備進入休眠狀態, 避免消耗不必要的電量。根據地下水監測的特點， 數據采用短信無線傳輸的方式， 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系列單片機作為主控制核心, 該系列微控制器專門針對微功耗系統應用設計, 芯片內集成多種智能外部設備，資源豐富、 集成度高, 可以最大程度地簡化監測方案, 能夠滿足數據傳輸終端對體積機功耗的需求。在設計上主要突出了控制功能, 調整了接口配置, 使整個系統的效率和可靠性大為提高， 同時, 實現多通道和分布式控制。多通道數據采集儀器采用標準數據接口, 在現場通過與計算機或移動存儲介質直連完成監測數據的采集和監測參數的設置， 將設計自動采集儀器與傳輸設備有效地融合為一體, 實現監測數據的自動采集、 存儲、 傳輸與全自動無人值守控制。

2.3.3 通訊接口 主控制核心為通訊主機的核心器件, 負責整個系統的定時采樣、 數據處理、 外圍通訊以及短信收發等功能有序地進行。該控制器需具備以下幾個基本通訊接口, 如表1所示。

表1 通訊接口介紹

2.3.4 降低功耗措施 在野外實際應用中, 降低系統功耗的措施是非常有必要的。在本系統的設計中降低功耗的措施主要有: 1)應用MSP430超低功耗系列微控制器用于整套監測系統的控制設計中; 2)對系統的電源模塊進行優化控制, 將用電量降至最低[6]; 3)對數據的采集與傳輸方式進行完善, 數據采集和傳輸更加合理高效, 避免不必要的電量損耗。

3 軟件設計

硬件控制軟件運行于通訊儀器的微控制器中, 負責協調微控制器的各個功能外設以及構成整個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語言編寫通訊主機的控制軟件, 該控制程序主要協調上位機與通訊主機的微控制器之間的信息溝通, 解譯上位機管理軟件發出的命令以及各種參數, 并將通訊主機作出的各種響應整合成通訊包按照規定的協議規則發送至上位機。該控制軟件采用“模塊化編程”為指導思想, 整體軟件方案被劃分為不同的功能模塊, 方便后續的功能升級以及代碼維護[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 野外應用

在三江平原農田區選擇某多通道監測井進行野外試驗應用。利用現有的覆蓋域廣的手機通信網絡實現任意距離的無線數據采集工作, 可靠、 方便, 省去了組網的步驟[8]。多通道監測井鉆孔包含5個含水層。對該鉆孔開展分層洗井和分層抽水試驗工作后, 部署了地下水分層監測儀器, 獲取大量的監測數據, 由于地下水的溫度相對穩定, 波動幅度很小, 因此本文主要對水位的動態變化進行研究, 監測數據曲線如圖5所示, 其中監測曲線HMT-K10-1—5分別代表的是含水層1～5。三江平原農田區以大氣降水入滲為主要補給源, 徑流、 蒸發和人工開采為主要排泄途徑的地下水系統, 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測數據結合地下水開采情況, 多個含水層的水位監測曲線的變化趨勢相同, 在人為和降雨雙重影響下, 表現出在年內豐水期為低水位, 枯水期為高水位的地下水位動態變化特征, 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, 地下水位進入了年內的最低值, 并處于降雨和人工開采影響下的平衡狀態; 9—10月地下水水位逐步回升。通過監測曲線可知, 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)的監測曲線基本重合。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, 含水層間有貫通現象的發生, 造成了水位變化趨勢一致。含水層4與含水層5監測數據也反映出受開采地下水進行灌溉作業的影響, 出現每隔一段時間水位埋深降幅較大的現象。

圖5 水位動態變化監測曲線

5 結束語

研發了一套適于CMT連續多通道狹小空間分層連續監測技術方法, 研制了滿足一孔多層監測井要求的分層自動監測傳感器與多通道自識別的全自動無人值守的低功耗控制傳輸設備。以地下水分層監測技術和設備分層刻畫, 自動化代替手工, 支撐示范區多層地下水數據精細分析、 地下水演化規律深入研究、 水文地質參數的真實獲取, 提高精度, 提升效率。應用一年多來整體工作狀態良好, 儀器整體功耗很低， 所用的一號堿性南孚電池也未曾更換； 但在野外試驗運行中發現每次監測應該同時收到5個通道的數據, 偶爾會有數據丟失的情況出現, 是移動通信的原因造成數據丟失或是儀器自身故障沒有將數據發出, 還需要進一步研究驗證。因為需發送多條數據, 尤其是碰到信號質量不佳的情況, 電池相對損耗較快, 今后可考慮供電電源更換為高容量的鋰電池。