一体化压力式地下水位计在准东水源地的应用

2015-12-15景少波王成富胡忠林

地下水 2015年1期

景少波，王成富，胡忠林，王龙，朱特

(1.新疆水利科技推广总站，新疆乌鲁木齐830000;2.乌鲁木齐兴新博世数字科技有限公司，新疆乌鲁木齐830000;3.新疆油田公司生产运行处，新疆克拉玛依834000;4.准东采油厂生产运行科，新疆阜康831500;5.新疆奇台县水利局，新疆奇台831800)

准东水源地位于准噶尔盆地东部，地貌单元主要为南部高山区，中部冲洪积细土平原区和沙漠区，北部卡拉麦里山南坡剥蚀洪积平原区。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－30℃，最高气温40℃，年降水量135.9 mm，，年蒸发能力1 904.07 mm。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[1]。地下水主要为孔隙潜水和承压水。第四系含水层由上更新统冲积物组成，岩性多为棕灰、灰黄色的粉细沙、亚沙土，局部夹有灰黑色粗沙、小砾石，含水层厚度10～20 m，静水位埋深由南向北逐渐变浅，由80～30 m。第四系承压含水层埋藏于中、下更新统冲积层中，是水源地的主要取水层，准东水源地主要供水对象为火烧山油田和彩南油田[2]。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。

准东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150 m以上，地下水位埋深都在30 m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2011年8月正式采用一体化压力式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，并且保证了水位观测的及时准确，经过三年运行，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。

1 一体化压力式地下水位计概况

一体化压力式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。

1.1 主要技术指标

1)最大水位变幅:50 m;

2)最大静水压力:100 m(根据实际需要选用);

3)最小分辨值:1 mm;

4)精度:地下水位最大测量误差±5 cm;

5)压力补偿:具备独立大气压补偿装置，测量结果自动补偿;

6)探头尺寸大小:传感器直径≤36 mm，数据线缆直径≤10 mm;

7)电源:DC6V;

8)时钟误差:小于1分/月;

9)适应工作温度:压力传感器0℃以上，传输设备－30℃ ～60℃;

10)传输设备:公共移动通信方式。

1.2 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(见图1)。

式中:H为地下水位埋深;A为压力式地下水位计距孔口距离;P为压力式地下水位计承受压力;Pa为孔口处大气压力;ρ水为井内水体密度;ɡ为常数，ɡ=9.8N/Kg;

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[3]，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。

2 应用情况

准东水源地一体化压力式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4 h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0.3 m以上时自动按1 h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0.5 h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[4]，地下水位自动监测时，“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±0.03 m(10 m水位变幅范围内)，准东水源地机井深度均达到150m，水位变幅范围均在到30 m左右，且井内结构复杂，因此在此安装的一体化压力式地下水位自动监测系统误差在±0.05 m范围内均视为满足规范要求。

表1 2014年6月上旬准东水源地W3#井一体化压力式地下水位计监测成果对比分析

2014年6月对水源地W3#监测井进行了人工观测，以此来校核一体化压力式地下水位计。从表1可知2014年6月4日8点地下水位埋深42.73 m，12点52.12 m，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;6月12日12点地下水位埋深62.48 m，16点地下水位埋深57.89 m，在未来的25个小时里地下水位一直在上升，最终在42.98 m左右稳定下来。根据本月的开关泵记录，确实在6月4日11点开泵，6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0.03 m，均值相差0.018 3 m;动水位记录9次，9次记录中人工监测数据与自动监测数据最大相差0.05 m，均值相差0.023 3 m，因此该水位计的精度完全满足规范要求。

图2 压力传感器结构简图

3 严寒及矿化度对其影响

准东水源地冬季气温较低，最低气温达－30℃，在设备安装前曾考虑该设备可能会因低温发生故障，但经过三年运行发现，该一体化压力式地下水位计受低温影响较小，20眼监测井中仅有一眼监测井在2012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－28℃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(见图2)。

在三年的使用过程中，准东水源地第一期安装的20眼监测井中5眼发生过数据故障，通过对5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;剩余三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5眼井的井水取样化验，发现其矿化度均达到2 g/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。