地下水监测设备常见故障及成因分析

朱珊珊 ，钱 健 ，成宣宇

（1. 云南省水文水资源局昆明分局，云南 昆明 650051；2. 北京金水信息技术发展有限公司，北京 100053）

0 引言

地下水是水资源的重要组成部分，是不可或缺的供水和应急抗旱水源。地下水监测工作可以为水资源的管理和保护提供科学依据[1]。地下水监测系统是获得地下水水位、水温、水质等水文地质方面信息最直接和有效的手段，可以为各部门提供及时、准确、全面的地下水动态信息[2]。地下水信息服务于经济社会发展和生态文明建设离不开地下水监测，美国从 20 世纪 50 年代开始进行地下水监测，欧洲大多数国家从 20 世纪七八十年代开始，而我国水利部门地下水监测从 20 世纪 60 年代开始[3]。国家地下水监测工程建设项目（水利部分）于 2014 年7 月启动，云南省于 2016 年开始建设，于 2019 年 4 月底通过水利部国家地下水监测工程项目建设办公室的单项工程合同完工验收。运行近3 a 以来，监测效果良好，但是数据迟报现象经常发生，特别是地理位置偏远的站点，数据时效性成了难题。本研究通过总结自身地下水工作经验，分析总结昆明辖区 22 个监测站外业运维中设备常见故障及成因。

1 区域概况

1.1 水文地质概况

云南地处特提斯—喜马拉雅构造域与滨太平洋构造域的交接部位，介于东经 97°31′ 至 106°11′之间，北纬 21°8′ 至 29°15′ 之间，地理位置特殊，地质构造十分复杂，岩相类型多样，岩类齐全，沉积岩、变质岩、火成岩三大岩类均有分布。东部以碳酸盐岩为主，西部以变质岩、火成岩为主，中部以碎屑岩为主，各种岩类在地域上有相对集中分布的特点。不同岩类、空隙的形态与连通性等亦不相同，地下水类型与水文地质条件随之而异。

地下水的类型根据不同的标准，可以有不同的分类，按含水层性质可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水[4]。云南境内地下水资源的地区分布极不均匀，变化趋势与地表水资源的地区分布基本一致，呈南多北少、西多东少的分布态势，孔隙水主要分布于境内山间盆地、宽浅河谷两岸地带，占云南省总面积的 4.9%；裂隙水全省均有分布，主要集中于滇中、滇西片区，占云南省总面积的 68.0%；岩溶水主要分布在滇东、滇西北的鹤庆—中甸片区，滇西的保山—仓源片区，占云南省总面积的 27.1%。大气降水是云南省地下水资源的主要补给源。

1.2 云南省国家地下水监测现状

云南省目前的地下水监测网络主要是由国土部门通过多年的建设和发展而形成的，地下水监测工作有了一定的基础。通过云南省国家地下水监测工程（水利部分）的建设建立完善国家级地下水监测站网，为地下水管理、保护等提供基础依据。

1.3 云南省国家地下水监测系统简介

云南省国家地下水监测站主要布设在一般区域和一些重点监测区，在地下水超采区和水源地按照要求加密布设监测站点[5]。监测系统主要由省级地下水监测中心（1 个）、地市级分中心（12 个）、监测站（173 个）、信息传输系统、信息服务系统等部分组成，其中昆明市辖区内共建设国家地下水监测井（水利部分）国控点 22 个，其中：新建井 18 眼，改建井 4 眼，监测站分布如图 1 所示。每个监测站均建有水准点及标志碑，地下水遥测终端及压力式水位计，监测站示意图如图 2 所示。各监测站监测要素为水位、水温、水质，水位、水温已经全部实现信息自动采集与传输，水质以人工取样监测为主。

图 1 昆明市国家地下水监测工程（水利部分）监测站分布示意图

图 2 地下水监测站示意图

监测系统逻辑结构由下至上分为数据采集层、传输层、存储层和应用层。水位和水温自动监测数据信息，于每日 8 时将前一天监测的信息利用公用通信信道，发送到云南省地下水监测中心，云南省地下水监测中心通过国家防汛抗旱指挥系统网络将监测信息分别传输到国家地下水、流域监测中心及相应地市级分中心。地下水监测系统示意图和逻辑结构如图 3 和 4 所示。

图 3 地下水监测系统示意图

2 设备常见故障分析及处理方法

国家地下水监测工程（水利部分）监测仪器设备常见故障主要表现为：监测数据延迟，数据失真、缺报、监测设备死机等。

以昆明市所辖 22 个监测站近 3 a 运维情况看，全年地下水出现故障 77 站次，其中设备故障 6次，其余均表现数据延迟、缺报、设备信号差。

图 4 地下水监测系统逻辑结构图

2.1 供电模块故障

目前，昆明市所辖 22 个站点地下水监测设备均为一体化压力式水位计，并采用内置电池供电[6]。遥测终端设备置于井口保护筒内，进行水位、水温的监测。因站点绝大部分地处荒郊野外，长期风吹日晒，保护筒内经常高温高湿，供电设备故障表现为：1）监测中心平台站点状态信息提示电池电压告警；2）地下水监测数据突然之间连续几天没有上报，平台查询无数据。

供电设备故障成因主要有：

1）供电电池线路插头与 RTU 电源插口松动，导致接触不良；

2）大部分监测站点均在野外，终端需加大发射功率发送数据，导致耗电增加，电池电压低，加速电池衰退，信号发射减弱；

3）监测终端密封不好，连续降水造成部分保护桶内湿度大，导致线路板受潮，电路短路、线路损毁，停止工作。

2.2 通信模块故障

通信故障是地下水监测设备故障发生率最高的一种。故障通常表现为：1）监测站信号强度正常但是平台查询无数据；2）监测站通信信号弱。

故障成因主要有：1）SIM 卡磁化，需更换；2）通信模块故障，需要维修；3）天线锈蚀、损坏，建筑物信号遮挡；4）运营商 2G 网络故障或已升级到 4G，使得监测站通信中断；5）电池衰退、设备死机等原因造成数据传输中断。

2.3 压力式水位计故障

压力式水位计故障表现为：1）RTU 仪器故障状态信息栏显示报警；2）采集的埋深数据失真或采集不到数据；3）压力探头报警，停止工作。

故障成因主要有：1）探头进水口淤堵；2）初次安装后，线缆自身弧度和重力原因导致测绳位置改变，需要比测校准；3）传感器探头与 RTU 之间的接线口松动；4）探头腐蚀；5）地下水位变化导致接触不到水面，采集不到数据。

2.4 水位、水温数据故障

水位、水温数据故障主要表现为：1）无水位、水温数据；2）水位数据突变；3）由 RTU 故障引起的水位、水温数据传输故障。

故障成因大致可分为：1）地下水监测站通讯信号差，数据传输滞后；2）监测井附近取用水；3）传感器探头与 RTU 之间的连接电缆线位置未固定；4）传感器探头故障，无法实时采集数据。

2.5 监测环境变化导致的故障

地下水监测站点大部分处于野外，监测环境变化导致监测数据出现异常，主要表现为：

1）监测井内出现坍塌淤积；

2）地址滑坡、周围植被生长导致井口保护装置被掩埋遮盖；

3）夏季高温、高湿，设备故障高发。

故障成因主要有：

1）地质构造运动或监测井附近土质疏松，导致监测井内出现坍塌淤积井口保护装置被掩埋；

2）地下水监测设施地处偏远，人们对地下水监测设施保护意识不强，人为破坏；

3）连续降水造成部分保护桶内湿度大，造成电路短路、线路损坏等；雨过天晴，保护筒内高温高湿的环境也会导致电路短路、线路板损坏而停止工作。

综上所述，地下水监测站不同站点、设备出现故障的表现及造成故障发生的原因都有所不同，因此，在处理故障问题时需结合实际情况，应采取有效的措施进行针对性处理[7]。

3 运维建议

随着经济社会的发展，地下水资源问题日渐突出，地下水监测工作是一项基础性、公益性的事业，是掌握地下水动态变化特征最直接的手段。准确、可靠的地下水监测信息可以为合理开发利用与有效保护，科学评价地下水资源提供科学支撑[8]，而及时有效的维护工作，是地下水监测系统稳定运行的前提。为保障各监测站的正常监测及系统稳定高效的运行，提出以下几点运维建议：

1）加强组织领导，建立运维机制，提高运维人员的业务技术水平，维护运维队伍的稳定性。一直以来水文局都是以陆地水文监测为主，匮缺地下水相关专业人才，设施设备的专业维护存在一定困难。为提高运维工作效率，建议云南省引进专业队伍统一运维，并依托地州水文局监督管理。运维队伍的稳定，便于统筹各州市地下水监测设备。地下水监测站点多分布于各州、市水文局辖区内，充分发挥各水文站位置优势及地方水文局熟悉本区域站点的特点，可以提高地下水运维管理的时效性。

2）巡检常态化。定期不定期对地下水监测设备及监测井进行巡检、清淤，提高巡检的时效性，将故障排除在萌芽状态，保证各项监测及数据传输。

3）提高设备稳定性。提高设备稳定性，升级通信模块。越来越多的地区 2G 公网已升级为 4G，而使用 2G 移动终端将无法在 4G 网络中运行，亟须将云南省国家地下水监测设备现有 RTU 使用的 2G 通信模块升级为全网通（4G 或者 5G）通信模块，并增加传输信道，作为现有 GPRS、短消息通信方式的补充和备份。

4）补充备品备件。充足的备品备件是开展运维的前提，目前各监测站发生故障，备品备件均须从云南省水文水资源局调配，一定程度上影响时效性。

5）完善地下水信息查询与维护管理系统平台。在目前已有的数据查询功能上，建议增加设备管理维护功能，在平台能查询各站设备运行状态，并增加运维人员查询权限，系统提醒异常，自动拦截，待人工处理。

4 结语

科学管理地下水是当前社会经济发展的迫切需求[9]。地下水监测设备的运维工作效果直接影响到地下水监测数据的时效性与准确性。提高地下水监测站的运行水平，应重视运行维护维工作[10]，提升运维效率，从而为地下水的生态环境保护、管理，以及水文情报、预报工作提供及时准确的信息。通过分析昆明市所辖 22 个监测站设备故障及成因可以得出如下结论：

1）目前地下水监测系统的稳定性有待提升，特别是遥测终端通信模块亟待升级为 4G 或者 5G。

2）地下水监测设备虽具备在线自动监测条件，但仍需进一步提高监测设备性能，才能实现监测信息的实时传输。

3）加强组织领导，建立运维机制，加强业务培训，提高运行维护人员业务素质，适当增加运行维护经费，做好监测站点管理与运行维护工作。

4）完善地下水信息查询与维护管理系统，提高数据查询及可疑数据处理的时效性，为地下水研究提供更加可靠的数据。

5）由于地下水受埋藏条件及人类活动等因素影响，如何实现地下水对地下水动态进行准确监测还需进一步探索和研究。