国家地下水监测工程水位自动监测仪器选型分析

李 洋，高 志

(1河南省水文水资源局，河南郑州 450003;2陕西省地下水管理监测局，陕西西安 710003)

国家地下水监测工程水位自动监测仪器选型分析

李 洋1，高 志2

(1河南省水文水资源局，河南郑州 450003;2陕西省地下水管理监测局，陕西西安 710003)

地下水是重要的供水水源，对地下水动态进行长期监测是科学管理地下水资源的重要基础工作，实现地下水信息采集传输自动化是解决目前地下水人工监测方式落后，信息管理服务能力薄弱的重要手段。通过调研市场上满足地下水监测相关标准规范常用的地下水自动监测仪器，对国家地下水监测工程中拟采用的水位自动监测设备从仪器类型、监测精度、供电方式以及适用条件等多方面进行综合分析，最终确定以采用压力式一体化设备为优选方案，压力或浮子式分体设备为备选方案的仪器设备选型方案，并以此完成各个省区的仪器配置方案。

地下水监测;水位自动监测;仪器

2005年以来，在国家发改委的统一协调和大力支持下，水利部和国土资源部经多次协商，达成了“联合规划、统一布局、分工协作、避免重复、信息共享”的共识，共同编制完成了《国家地下水监测工程项目建议书》，2010年11月获得了国家发改委正式批复;之后又于2011年11月编制完成《国家地下水监测工程可行性研究报告》并通过了两部联合审查。

国家地下水监测工程是为解决目前我国地下水监测工作中存在的专用井极少、监测项目较为单一、信息采集及传输手段落后、信息管理服务能力薄弱、运行维护经费严重不足等诸多问题而立项的。站网的合理布设是监测工程的基础，信息采集手段是监测工程的重点。地下水自动监测首先应符合规划标准的规定和要求，还应根据监测井埋深、监测环境等情况选择合适的仪器类型。

1 规范要求和通用性技术指标

1.1 地下水水位监测规范要求

1.1.1 地下水水位的测量精确度

在不同的地下水监测相关规范里，对地下水水位测量精度的要求也有所不同。SL183－2005《地下水监测规范》要求，人工观测地下水水位时，“两次测量允许偏差为±0.02 m;水位自动监测时，“允许精度误差为±0.01 m”。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±3 cm(10 m水位变幅范围内)。在SL360－2006《地下水监测站建设技术规范》中规定“水位监测误差应为±0.02 m”。

1.1.2 地下水水位测量的频次

现有规范对各地下水参数的监测频次提出了要求，但大部分要求是针对人工观测站的。地下水水位自然变化缓慢，原来又多是人工测量，每次观测都需要测量人员在现场进行，所以观测频次较低。

按地下水监测站点重要性的不同，对监测频次做了不同规定:国家级水位基本监测站实行自动监测，每日6次;省级重点水位基本监测站每日监测一次;普通水位基本监测站汛期宜每日一次，非汛期宜每5日一次;水位统测站每年监测3次。

1.2 地下水水位自动监测设备通用性技术指标分析

地下水水位自动监测设备通用性技术指标一般主要包括可靠性、环境及防护、电源、数据记录和传输四个方面，而目前尚未有专门针对地下水监测设备的规范标准做出具体的通用性技术要求，更没有针对地下水自动监测设备的标准规范，只有《地下水监测站建设技术规范》中，对地下水“自动监测与采集子系统设计”做出了要求。其中要求系统设计“应选择确保电压波动不超过额定电压的±20%和连续工作时间不少于3个月的电源”，“应制定保温、防冻和除湿措施，使自动监测与采集子系统在温度为－10～45℃、相对湿度小于95%的温湿条件下正常运行”，“应制定确保自动监测与采集子系统的平均无故障时间不少于10 000 h的措施”。

通过研究市场常见地下水水位自动监测仪器的类型以及其他水文仪器设备标准中通用性技术指标，地下水水位自动监测仪器产品在性能指标和功能需求上应满足以下几个方面:

1)能定时自动测量地下水监测井的水位(埋深)和水温。水位测量误差在10 m水位变幅内不大于±0.02 m;超过10 m水位变幅时，不大于±2‰水位变幅。

2)具有监测数据的长期自记、固态存储功能。监测时间间隔以小时为单位，监测频次可设置。在一般的存储要求时，存储周期大于400天，能够方便地从固态存储器中提取数据。

3)如采用浮充直流供电方式，应能保证仪器不间断正常工作。优先采用直流电池(不浮充)供电方式，供电能力应能保证监测站发送数据1 000次和相应的存储记录需要。

4)设备可靠性要求。设备的平均无故障时间MTBF应超过25 000小时，复杂设备可按16 000小时要求。工作温度、湿度等能够适应当地的环境。

其它数据显示、响应召测等功能，由于所建地下水监测井为专用井，日水位变化不大，所以对单一的监测地下水而言，具有召测功能增加了电源功耗，使电源维护成本增加，一般不建议采用这些功能;如地下水监测信息与降水、土壤墒情等共用一个RTU传输数据，则可以增加召测功能。

2 常用地下水水位自动监测仪器选型分析

水位自动监测仪器的基本部件是水位传感器，根据市场调研，按照产品组件(传感器、存储器、控制电路、电源等)集成程度的不同市场上产品大致可分为一体式和分体式。按照水位传感器采集数据原理的不同，自动测量地下水位的仪器又分为压力式、浮子式、超声波式等多种类型。目前常见的用于地下水水位自动监测的仪器设备按传感器类型分，主要有压力式地下水位计和浮子式地下水位计。

2.1 压力式地下水位计主要类型

2.1.1 一体式压力水位计

这类仪器将压力测量、水位转换、数据存储、控制电路、内置电池甚至数传仪等模块集成为一个整体，封装在密封、耐压、抗腐蚀的壳体内。用专用缆索挂在地下水测井内的最低水位以下。仪器按设定时间间隔自动采集、存贮水位数据。内置存储器可存储数据3年以上，具有标准输出接口，其存贮的水位数据可以通过专用电缆或光纤在地面上采集，采集时使用一般电脑或专用数据收集器，也可通过无线传输模块发送到远端接收装置。这类产品功能完整、性能稳定、准确性高、抗干扰性强、应用方便，可以用于不同井径、所有埋深的监测。国外产品基本上是这种一体式形式，一般价格相对较高。

2.1.2 压力传感器+主机形式的地下水位计

这类仪器是由压力传感器和测量控制装置组成，用专用电缆联接。压力传感器用专用缆索悬挂在地下水测井内的最低水位以下，测控装置在地面上。电源和记录装置也可能是单独的，和测控装置相联。主机必须具有长期数据存储功能，能显示水位，通过输出接口可以联接数传仪，扩充遥测功能。该产品基本能满足测量、记录地下水位的要求。国内产品目前都是这种形式，传感器和主机的价格合计不高于一体化产品。

2.2 浮子式地下水位计主要类型

2.2.1 一体式浮子水位计

这类产品只有国外产品，完全能满足地下水位测量记录要求。可以用于小口径的深井，整个仪器，包括水位感应、编码器、固态存贮、电源等所有部分都悬挂在井中水面上自动工作。除了测量水位的影响因素少于压力式外，其它性能不优于高质量的压力式水位计，且价格较贵。

2.2.2 浮子感应+地上水位编码器形式的地下水位计

多为国产产品，价格相对较低。性能稳定，水位测量准确性能达到±2‰，具有标准的输出接口，可连接数传仪和存储器。浮子直径大多在6～10 cm，不能用于管径较小的监测井，由于悬挂浮子的悬索有形变和绞缠的可能性，因此该产品不适用于埋深较大的监测井。

3 国家地下水监测工程水位自动监测仪器选型初步方案

国家地下水监测工程是全国性地下水监测工程项目，仅水利部门在全国范围就建设10 251个水位自动监测站。选用的仪器设备应具有一定的技术先进性，环境适用性以及兼容性，考虑如此大范围的仪器设备采购需求，设备选型应确定多种方案，适用不同监测需要。经过市场调研，目前市场常见的地下水水位自动监测仪器一体式比分体先进、压力式比浮子式先进，先进产品价格也相应较高。以上四类产品中，除一体式浮子水位计因性能不优于高质量的压力式水位计且价格较贵而本工程不予选用外，其他三种类型仪器市场上均有多种能满足工程要求的产品可选用。在满足需求的前提下，根据各类产品的优缺点和适用条件，综合考虑地理环境、地质条件、水位埋深、仪器性价比、工程需求、总投资额等多方面因素，提出了本工程仪器优选方案。在地下水超采区等特殊类型区的监测站和需要自动测量水温的站，以及布设在地处偏远地区、电源维护成本高的监测站，应优先推荐选用一体式压力地下水位计产品;地下水最大埋深小于15 m和不需要自动测量水温的监测站，推荐选用浮子感应+地上编码器形式的地下水位计。此外，地下水最大埋深小于20 m监测站，也可选用压力传感器+主机形式的地下水位计。根据这一标准，结合地下水监测井所在地情况和设计井深，《可研报告》初步确定了水利部门的仪器配置方案。详见表1。

4 结语和建议

满足适用于国家地下水监测工程的仪器设备，首先应符合规范中要求的精确度和频次要求，符合信息采集传输设备的通用性技术指标，再根据市场上常见地下水位自动监测仪器类型和性能参数进行分析比较，最终确定以采用压力式一体化设备为优选方案，以压力或浮子式分体设备为备选方案的仪器设备选型方案，并以此完成各个省区的仪器配置方案。

在今后的初步设计过程中，对仪器设备选型时，应对性能价格比、稳定性、准确度、售后服务和维护要求等进行充分的调研和论证。在确定产品类型和厂家之前，应选定不同埋深的一个或多个监测站点，邀请不同厂家开展比测实验，对其产品的稳定性、准确度进行对比。若经费允许，在满足需求的情况下可考虑选择更先进的产品。同时鉴于现有地下水监测仪器设备的标准和规范中对仪器设备的要求较严重地落后于技术发展和实际情况，有关部门应加紧开展地下水自动监测仪相关规范标准的编制和修订工作。

［1］SL183－2005，地下水监测规范［S］.

［2］SL360－2006，地下水监测站建设技术规范［S］.

［3］水利部国家地下水监测工程项目建议书编写组.国家地下水监测工程项目建议书.2008.

［4］水利部国家地下水监测工程项目可行性研究报告编写组.国家地下水监测工程可行性研究报告.2012.

［5］姚永熙.地下水监测方法和仪器概述.水利水文自动化，2010(1).

［6］高志.国家地下水监测工程站网布设浅析［J］.地下水，2012，(5).

P641.74

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1004－1184(2013)05－0070－02

2013-06-08

李洋(1979-)，男，河南驻马店人，工程师，主要从事水资源调查评价、地下水监测评价工作。