地下水自动监测系统在罗布泊地下卤水监测中的应用

2016-10-20国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司矿产资源部新疆哈密839000

地球 2016年10期

（国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司矿产资源部新疆哈密839000）

罗布泊现有的地下水观测主要是由人工观测和自动观测混合组成，但是现有的地下水自动观测系统只能监测，不具有强大的分析拓展和管理功能。要想科学合理地管理地下水资源，就离不开地下水监测软件及相关分析工作的支持。本系统的开发突破了现有地下水自动监测系统的单一功能，能够在结合人工监测的基础上实现了基于地图表征的建议数据接收，数据管理、数据处理分析、基站管理及用户管理等多功能应用，该技术将可为罗布泊水文监测、地下水管理和分析决策提供极大的技术支撑。

地下水自动监测管理系统

罗布泊钾盐矿位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古族自治州若羌县，塔里木盆地东部。地理坐标东经90°00′00″～ 91° 45′00″，北纬39°50′00″～41°05′00″。北部以库鲁克塔格山山前洪积扇为界，南至阿尔金山，东边为北山，西边为库鲁克沙漠。矿区面积6000km2，是世界上最大的液体钾盐矿之一[1]。

1 目前罗布泊地下卤水水位观测存在的主要问题

液体钾盐资源的合理、可持续开发利用，对卤水资源使用情况的精确把握是公司生存和发展的关键条件，对卤水资源精细化管理的要求也日益提高[2]。

公司现有罗北、腾龙、新庆三大卤水钾盐矿区，覆盖面积超过6000平方公里，有120个观测点，只有简易便道通行。前期，公司钾盐三大矿区的地下水位监测采用人工到现场观测及少量的自动观测。在每月一次的监测周期内，人工到现场观测水位，每天只能平均完成7个观测点水位的观测，完成所有120个观测点的水位观测需20天，数据的及时性、准确性较差，人为因素影响很大。

2 地下水自动监测系统介绍

2013年8月19日，在公司召开的“罗布泊矿区地下水水位自动监测设备使用方案汇报及专家论证会议”上，通过公司领导和相关专家的论证认可，该系统于2014年12月开始实施，2015年8月底首先应用到罗北、腾龙、新庆三大矿区的70口观测井。

地下卤水水位动态监测是公司卤水资源使用管理的一项重要的基础性工作和前提条件，地下水水位自动监测系统应用到罗布泊矿区地下卤水水位动态监测，突破了原有的人工监测方式的局限性，地下水水位数据能在同一时刻获得。由于采用更加先进的资源管理模式，使资源管理水平得到极大提高[3]。

地下水自动监测系统是一个系统工程，主要由地下水自动监测信息采集子系统（野外数据采集部分）、北斗数据通信传输子系统系统（数据传输部分）、地下水自动监测信息管理子系统（监测中心管理软件部分）三大部分构成，这三大部分相辅相成，密切配合，共同保障罗布泊矿区地下水自动监测工作的正常运行。

3 地下水自动监测系统应用功能

（1）地下水自动监测信息采集子系统（野外数据采集部分）主要由数据采集仪器（压力传感器）及数据采集传输模块构成，主要是实现通过数据采集仪器对地下水水位、水温、卤水密度等参数的定时自动采集，并将信息传送到北斗数据通信传输子系统。

压力传感器采用k1485型扩散硅绝压传感器芯片（进口）。

全量程压力精度为：0.05%FS

量程为：0-20米

测量水位精度为：20米X 0.05%=1厘米（此精度优于业主要求精度2厘米）

温度传感器测量精度：±0.2摄氏度

以上参数指标优于或满足要求。

传感器材质为耐腐蚀316L不锈钢，数据接口为RS485数字量，可直接为系统主板采集，避免了由模拟量信号转数字量信号的精度损失。

该传感器内部的温度传感器可实时对压力传感器进行温度补偿，降低了压力传感器因温度变化产生的精度漂移现象。

卤水密度是通过两只压力传感器所测压力的压力差来计算获得。在液体中，处在不同深度的压强不同，根据物理公式P=ρgH，其中，P为压强，ρ为液体密度，g为重力加速度，H为液柱高度。两只压力传感器所测的压强为：

P1=ρ卤水*g*H1

P2=ρ卤水*g*H2

ρ卤水=（P1-P2）/g(H1-H2)

当两只传感器之间的深度差值已知时，即H1-H2为已知，g为常数，P1和P2可通过传感器读数测得。所以卤水的密度就可以计算出。为了方便计算和保证测量精度，我们采用不锈钢支架，将两只传感器通过固定螺纹固定到1米间距。从而保证了卤水的水密度精度与压力精度直接相关。当压力精度为0.05%时，所测量计算得出的水密度精度远高于5%的要求。

大气压计也是绝压压力传感器的一种，为了保证水位测量值的准确性，以及各个压力传感器的一致性，大气压传感器也选用同一厂家生产的大气压传感器。大气压传感器测量范围为0.8-1.3Bar，测量精度为0.05%FS，输出为RS485数字量输出。

（2）北斗数据通信传输子系统(4)（数据传输部分）主要由北斗通信设备及数据传输链路构成，主要负责将地下水自动监测信息采集子系统采集到的数据通过北斗数据通信网络传输到数据中心。

北斗通信机选用两个型号，一种是用在各个监测井口的水文监测专用机型，第二种是用在数据中心接收数据的指挥机。

（3）地下水自动监测信息管理子系统(5)(6)(7)（监测中心管理软件）主要包括数据接收解析模块、数据库系统以及信息管理模块，主要完成野外各测站终端监测设备传输数据的接入，并实现实时监测数据的解析、显示、查询、仪器设备管理、通讯设备管理、监测井信息管理、报警等功能。

①硬件环境

内存：1GB（建议2GB）；

硬盘：20G或以上；

显存：128MB或以上。

②软件环境

软件名称配置及说明Windows server 2003或以上版本操作系统，用于数据服务器和WEB服务器Windows、Linux、unix、mac os 操作系统，用于业务处理计算机浏览器支持W3C web技术标准

4 地下水自动监测系统在罗布泊地下卤水监测中的作用

理想的地下水分布模型的建立，要求地下水位数据的取得最好在同一时刻，人工监测方式无法做到这一点。且每个观测点每月只能取得一个数据。自动监测完全克服了人工监测方式的先天局限性，具有一下优势：

（1）能保证所有观测数据在同一时刻取得，数据同步性和及时性好。建立地下水分布模型的精度更高。

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（2）获取数据量大幅增加。地下水自动监测系统可自由设置水位数据采集时间间隔，最短可设为一分钟采集一个数据。数据量上的极大丰富，可以使得对地下卤水的分布情况和变化规律有更精确的把握。

（3）建立了完备的地下水资源数据库，为卤水地下水的研究提供了强大的数据分析支持，也成为全国资源体系以及资源远景规划的重要补充。

（4）对卤水动态变化情况长期监测，掌握矿山资源开发利用状况，保证盐湖钾盐资源可持续利用，提高国产钾肥自给率，满足我国农业对钾肥的需求、增加有效供给、减少国际贸易风险、节约外汇，加强新疆当地从资源优势向经济优势转换，为推动西部少数民族地区经济发展，促进西部大开发工作。

（5）公司的水文长观监测点分布在6000平方公里的地域，呈点多、面广、线长的特点。因长观测点大多处在盐漠戈壁深处，除长观人员外没有其他人员进出，目前长观工作都是借用原石油勘探便道及就近找路而行。石油勘探便道年久失修，路况极差，长观车辆故障频出，车辆维修费用高昂；从石油便道到长观点因无路相通，长观车辆无法到达长观工作点，只能长距离步行，长观工作人员野外作业强度大、风险高，罗布泊地下水自动监测系统的建设解决了人工观测工作强度大，作业交通成本高；多数观测井位没有通讯信号，安全保障性差这一关键性问题。

5 该地下水自动监测系统在罗布泊卤水中的应用具有一下几个特点

5.1 创新性

对于淡水资源的地下水位自动监测系统在技术上已经比较成熟，但对于高矿化、不同矿区卤水密度不同、密度值不稳定卤水水位的自动监测，由于存在金属材料耐腐蚀及地卤水成分复杂，且矿区很多地方gprs网络没有覆盖到，数据传输难等因素，行业内没有成熟的方法可以借鉴。

从2008年起，项目组经过7年的努力，不断摸索、试验、改进技术方案，与生产厂家协调，对自动监测系统重新进行设备选型和设备改造，终于解决金属探头在高矿化度高腐蚀性、不同矿区卤水密度不同、密度值不稳定卤水中使用的技术难题[9]，该项目获得2015年新疆维吾尔自治区测绘行业科学技术进步一等奖。

罗布泊高矿化度卤水成分表

该系统采用适用于罗布泊矿区高矿化度、高腐蚀性、密度值不恒定地下卤水介质的防腐材质的金属探头与北斗通信系统进行系统整合，以北斗卫星导航通讯功能为基础，依托GIS的强大空间数据处理分析功能[10-11]，综合集成了数据库存储技术、查询检索技术、串口通信技术、传感器等技术，可部署在无人区。实现了野外无人区地下卤水监测工作的智能化和自动化，迈出了野外无人区高矿化度高腐蚀性地下卤水智能监测工作的一大步，填补了我国大范围高矿化度地下卤水监测自动化应用的空白。

5.2 先进性

该系统主要包括地下水自动监测信息采集子系统、北斗数据通信传输子系统、地下水自动监测信息管理子系统三个子系统。地下水自动监测采集子系统主要是通过数据采集仪器对地下水水位、水温、卤水密度等参数的定时自动采集[12]，并将信息传送到北斗数据通信传输子系统。北斗数据通信传输子系统主要是将地下水自动监测信息采集子系统采集到的数据通过北斗数据通信网络传输到数据中心。地下水自动监测信息管理系统主要完成野外各测点终端监测设别传输数据的接入，并实现实时监测数据的解析、显示、查询、仪器设备管理、通讯设备管理、监测井信息管理、报警功能等。

本系统实现了地图与数据的完美结合，监测点等信息可以实时显示在地图上，便于用户随时进行查看、分析、统计，地图可以兼容天地图、百度地图、高德地图等，可以根据用户需求自主进行选择。功能模块“一键关联”，是指用户点击关联菜单后，可将关联数据一并带入，从而减少繁琐且重复的数据录入工作，提高了数据的准确性。采用了web架构，无需本地安装，可跨平台、夸操作系统使用，非常适合缺乏维护人员的野外人员使用。同时具备了用户自定义设置数据采集间隔和发送间隔的功能，支持远程仪器设置功能，不需要人员到现场操作，大大节省了人工和交通产生的费用，节约了成本。该系统采用北斗卫星设备进行定位、通信等数据传输，解决了无人区通信问题和各类传感器通信兼容性问题，丰富了地下水采集与传输的手段，极大的提高了野外无人区地下水监测的智能化水平。

5.3 实用性

自动化技术的应用，有效提高了工作效率，实现了原有管理模式的突破，使公司资源管理水平走到了全行业的前列。可建立起资源管理数据库，为以后进一步提高资源管理水平打下坚实基础。

（1）可保证数据采集的及时性和同步性。数据采集频率和数据采集量可根据需求随时增加。

（2）实现了系统的高度集成与免维护。最大限度的有利于在野外无人区使用，易于操作和管理。

（3）具有卤水密度补偿、气压补偿的功能，可排除卤水密度变化和气压变化对测量精度的影响。

（4）管理方式灵活，环境适应性好。数据传输方式根据现场的实际条件进行选择，即可远程实时传输，也可本地存储。

[1]新疆地矿局第二水文地质大队，2006，新疆诺羌县罗北凹地钾盐矿详查报告。184-186

[2]郭建新，太原市地下水位动态监测及监测信息资料的应用分析，山西水利 2002年增刊 51-53

[3]姚永熙，地下水监测方法和仪器概述，水利水文自动化 2010年2月第一期 6-8

[4]《北斗卫星导航系统公开服务性能规范》 V1.0

[5]《软件工程术语》GB/T11457-1995

[6]《软件维护指南》GB/T14079-93