姚永熙

（水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012）

我國(guó)地下水的主要監(jiān)測(cè)要素是地下水水位、水溫、水質(zhì)和出水量。由于特殊需要，還可能監(jiān)測(cè)地下水流向和流速。

1 地下水水位監(jiān)測(cè)

1.1 地下水水位的監(jiān)測(cè)要求

地下水水位是最普遍、最重要的地下水監(jiān)測(cè)要素，地下水水位一般都以“埋深”進(jìn)行觀測(cè)，再得到水位。

按 SL183-2005《地下水監(jiān)測(cè)規(guī)范》要求，人工觀測(cè)時(shí)，“兩次測(cè)量允許偏差為 ± 0.02 m；水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，“允許精度誤差為 ± 0.01 m”。在其附錄中對(duì)傳感器規(guī)定“組建系統(tǒng)應(yīng)選用 3 級(jí)以上設(shè)備”，3 級(jí)精度的水位計(jì)水位誤差是 ± 3 cm（10 m 水位變幅范圍內(nèi)）[1]。在 SL360-2006《地下水監(jiān)測(cè)站建設(shè)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定“水位監(jiān)測(cè)誤差應(yīng)為 ± 0.02 m”[2]。

測(cè)量地下水水位的儀器并不比測(cè)量地表水位的水位計(jì)先進(jìn)。使用條件中有利的方面為：水體的地下環(huán)境比較穩(wěn)定，水位變幅較慢（除抽水試驗(yàn)外），水質(zhì)也比地表水好；不利的一面為：埋深可能很深，測(cè)井管可能很小。

考慮綜合影響，地下水位的觀測(cè)準(zhǔn)確性不容易普遍達(dá)到 ± 0.01 m，可考慮按 “水位監(jiān)測(cè)誤差應(yīng)為 ± 0.02 m”（并限定變幅 10 m）執(zhí)行，比較符合實(shí)際情況。上述規(guī)范也都在修訂中。而現(xiàn)行的地下水水位計(jì)的儀器標(biāo)準(zhǔn)則落后于實(shí)際情況。

1.2 地下水位的監(jiān)測(cè)方法和儀器

監(jiān)測(cè)地下水位的方法可以分為人工觀測(cè)和自動(dòng)觀測(cè) 2 種，使用相應(yīng)的人工和自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備。

1.2.1 地下水位人工觀測(cè)儀器

人工觀測(cè)地下水位基本上應(yīng)用測(cè)盅和電接觸懸錘式水尺，還有更簡(jiǎn)單的代用措施。

1.2.1.1 地下水位測(cè)盅

測(cè)盅是最古老的地下水位測(cè)具，測(cè)盅盅體是長(zhǎng)約 10 cm 的金屬中空?qǐng)A筒，直徑數(shù)厘米，圓筒一端開口，另一端封閉，封閉端系測(cè)繩，開口端向下。測(cè)量時(shí)，人工提測(cè)繩，將測(cè)盅放至地下水面，上下提放測(cè)盅。測(cè)盅開口端接觸水面時(shí)會(huì)發(fā)出撞擊聲，由此判斷水面位置，讀取測(cè)繩上刻度，得到地下水埋深值。

此方法很簡(jiǎn)單，目前還一直在較大范圍使用。由于判斷測(cè)盅接觸水面會(huì)產(chǎn)生誤差，同時(shí)測(cè)繩的長(zhǎng)度也存在誤差，水位觀測(cè)值不會(huì)很準(zhǔn)確。

測(cè)盅沒有正規(guī)產(chǎn)品，此方法也不應(yīng)再繼續(xù)使用。

1.2.1.2 電接觸懸錘式水尺

這種地下水位測(cè)量設(shè)備也常被稱為“懸錘式水位計(jì)”、“水位測(cè)尺”。儀器由水位測(cè)錘、測(cè)尺、接觸水面指示器（音響、燈光、指針）、測(cè)尺收放盤等組成。

測(cè)尺是一柔性金屬長(zhǎng)卷尺，其上附有 2 根導(dǎo)線，卷尺上有很準(zhǔn)確的刻度。測(cè)錘有一定重量，端部有 2 個(gè)相互絕緣的觸點(diǎn)，觸點(diǎn)與導(dǎo)線相聯(lián)；也可以以錘體作為 1 個(gè)觸點(diǎn)。2 觸點(diǎn)接觸地下水體時(shí)，電阻變?。▽?dǎo)通）。地上與 2 根導(dǎo)線相聯(lián)的音響、燈光、指針指示發(fā)出信號(hào)，表示已到達(dá)地下水水面。從測(cè)尺上讀出讀數(shù)，可以知道地下水位埋深。

這種儀器簡(jiǎn)單，便于攜帶，對(duì)使用者的熟練程度要求不高，可以用于各種地下水位的觀測(cè)。由于能很準(zhǔn)確地指示地下水面的位置，水位測(cè)量準(zhǔn)確性較高。測(cè)尺是專門制作的，高質(zhì)量的產(chǎn)品可以達(dá)到 ± 1 cm/100 m 的準(zhǔn)確度（刻度）。定期按規(guī)定進(jìn)行計(jì)量或校核后能保證地下水位測(cè)值的準(zhǔn)確性。

測(cè)尺的長(zhǎng)度基本不受限制，有 500 m 的產(chǎn)品，可以用于不同的地下水位埋深與變幅。

國(guó)內(nèi)和國(guó)外都有這類產(chǎn)品，其技術(shù)性、結(jié)構(gòu)都差不多。測(cè)尺都是覆蓋塑料涂層的鋼卷尺，刻度 1 mm；水位測(cè)錘用不銹鋼材質(zhì)制造，帶觸點(diǎn)，直徑小于 20 mm；水位指示用音響、燈光、指針形式，都是直流電池供電，準(zhǔn)確度（刻度）能達(dá)到± 2 cm/100 m 或 ± 1 cm/100 m。

有些產(chǎn)品可測(cè)井深，可以選配溫度傳感器測(cè)量地下水溫。

1.2.2 地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器

能自動(dòng)測(cè)量地下水位的儀器主要有浮子式和壓力式 2 種地下水位計(jì)，曾經(jīng)應(yīng)用過自動(dòng)跟蹤式懸錘水尺。大口徑測(cè)井、埋深不大時(shí)，可以應(yīng)用所有類型的地表水位計(jì)。

1.2.2.1 浮子式地下水位計(jì)

浮子式地下水位計(jì)的結(jié)構(gòu)和測(cè)地表水位用的浮子式水位計(jì)相同。感應(yīng)水位變化的都是浮子、懸索、水位輪系統(tǒng)，一般也都有平衡錘，或者用自收懸索機(jī)構(gòu)取代平衡錘。早期的長(zhǎng)期水位記錄用長(zhǎng)圖紙帶劃線方式，目前已基本不生產(chǎn)?，F(xiàn)在的產(chǎn)品用編碼器將水位值編碼輸出供固態(tài)存貯記錄或遙測(cè)傳輸。一般的產(chǎn)品，其編碼器在地面上；先進(jìn)的產(chǎn)品，整個(gè)儀器，包括水位感應(yīng)、編碼器、固態(tài)存貯、電源等所有部分都懸掛在井中水面上自動(dòng)工作。

浮子式地下水位計(jì)一般都能在 10 cm 口徑的測(cè)井管中工作，有些可裝在 5 cm 口徑的井內(nèi)工作，水位輪、浮子、平衡錘的直徑都很小。小浮子感應(yīng)水位變化的靈敏度較差。地下水埋深較大，懸索長(zhǎng)，也影響水位感應(yīng)靈敏度。因此，地下水位計(jì)的記錄機(jī)構(gòu)，編碼器的阻力應(yīng)盡可能小些，還應(yīng)避免懸索和水位輪之間打滑，應(yīng)優(yōu)先選用帶球鋼絲繩、穿孔帶作為懸索。一些產(chǎn)品應(yīng)用自收懸索的方法，不應(yīng)使用放入井中的平衡錘，以便于使用于小口徑測(cè)井。

用于地表水的浮子式自記水位計(jì)可以直接用于井徑較大（大于 40 cm），地下水埋深較淺的地下水位測(cè)量。

浮子式地下水位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，便于操作維護(hù)。只要測(cè)井口徑滿足安裝要求，可以用于所有地點(diǎn)，水位測(cè)量的準(zhǔn)確性也較高。

水位編碼器的性能各異，選用時(shí)要注意。地下水埋深較大時(shí)，尤其要注意懸索、水位輪的配合，了解和控制可能產(chǎn)生的誤差。

浮子式水位計(jì)對(duì)測(cè)井的傾斜度有要求，應(yīng)用時(shí)需注意。

不同產(chǎn)品的性能差距很大，具體如下：

（1）用普通日記水位計(jì)改造的產(chǎn)品

適用井徑：10 cm；

水位變化范圍：0～10 m；

水位準(zhǔn)確性：± 2 cm；

水位記錄：24 h，劃線記錄；

平衡錘：平衡錘進(jìn)入測(cè)井。

（2）國(guó)內(nèi)的浮子式編碼地下水位計(jì)

水位輸出：格雷碼編碼輸出，供記錄和數(shù)據(jù)傳輸；

適用井徑：12 cm；

儀器結(jié)構(gòu)：儀器主體在地面上?？蛇x自收懸索方式，不使用平衡錘。

（3）國(guó)外先進(jìn)的的浮子式地下水位計(jì)

適用井徑：50 mm（2 英寸）；

適用埋深水位范圍：埋深不限，水位變化范圍0～15 m，可按需要配置；

水位準(zhǔn)確度：< 1 cm；

懸索：帶球鋼絲繩；

水位輸出記錄方式：內(nèi)置編碼器、固態(tài)存貯器、電池，自動(dòng)存貯。

記錄能力：電池壽命 15 a，存貯數(shù)據(jù) 15000 個(gè)；

儀器結(jié)構(gòu)：一體化結(jié)構(gòu)，沒有地上部分，可以整體懸掛安裝在井內(nèi)工作。

1.2.2.2 壓力式地下水位計(jì)

壓力式地下水位計(jì)的原理結(jié)構(gòu)和測(cè)量地表水的壓力水位計(jì)一致。儀器測(cè)量水面以下某一點(diǎn)的靜水壓力，再根據(jù)水體的密度換算得到此測(cè)量點(diǎn)以上水位的高度，從而得到水位。水面上承受著大氣壓力，所以水下測(cè)點(diǎn)測(cè)到的壓力是測(cè)量點(diǎn)以上水柱高度形成的水壓力與水體表面的大氣壓力之和。換算成水位高度時(shí)應(yīng)減去大氣壓力，或者應(yīng)用補(bǔ)償方式自動(dòng)減掉大氣壓力。在應(yīng)用的儀器設(shè)備中，這一補(bǔ)償過程是自動(dòng)進(jìn)行的。

壓力式水位計(jì)包括壓力傳感器和水位顯示記錄器、專用電纜、電源等，也可以是一體化的。

一體化壓力式地下水位計(jì)的壓力傳感器、測(cè)量控制裝置、固態(tài)存貯器、電源都密封安裝在一細(xì)長(zhǎng)圓柱狀的機(jī)殼內(nèi)，具有相應(yīng)的耐壓密封性能。用專用纜索掛在地下水測(cè)井內(nèi)的最低水位以下。儀器按設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)采集、存貯水位數(shù)據(jù)。 其存貯的水位數(shù)據(jù)可以通過專用電纜或光纖在地面上采集，采集時(shí)使用一般電腦或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)收集器。也可能需要定時(shí)將儀器整體提上地面，采集數(shù)據(jù)。需要接入自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)應(yīng)用專用電纜傳輸。國(guó)外產(chǎn)品基本上是這種一體化形式。

傳感器＋主機(jī)形式的壓力式地下水位計(jì)由壓力傳感器和測(cè)量控制裝置組成，用專用電纜聯(lián)接。壓力傳感器用專用纜索懸掛在地下水測(cè)井內(nèi)的最低水位以下，測(cè)控裝置在地面上。電源和記錄裝置也可能是單獨(dú)的，和測(cè)控裝置相聯(lián)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品目前都是這種形式。

浮子式水位計(jì)的水位準(zhǔn)確性會(huì)受小測(cè)井的影響，而壓力式水位計(jì)沒有這問題?？梢杂糜谥睆?5 cm 的地下水位測(cè)井，甚至 1 英寸直徑的測(cè)井。因此可以認(rèn)為使用中對(duì)測(cè)井口徑?jīng)]有要求，而且基本上可以適用于任何埋深。

地下水中的泥沙含量少，水質(zhì)密度較為穩(wěn)定，很適合壓力式地下水位計(jì)的應(yīng)用。因而，壓力式地下水位計(jì)適合地下水位的高準(zhǔn)確度測(cè)量。

一體化的壓力地下水位計(jì)的所有工作部分都在地下水測(cè)井的水下，不受地面上的干擾，工作穩(wěn)定。

此水位計(jì)同時(shí)可測(cè)量水溫，具有溫度補(bǔ)償修正功能。陶瓷電容式壓力傳感器彌補(bǔ)了硅壓力傳感器的一些不足，使壓力傳感元件更加穩(wěn)定。壓力式地下水位計(jì)的水位測(cè)量準(zhǔn)確性已高于浮子式地下水位計(jì)。

需要同時(shí)測(cè)量某些水質(zhì)參數(shù)時(shí)，可以選用同時(shí)具有某些水質(zhì)參數(shù)測(cè)量功能的多參數(shù)壓力水位計(jì)，同時(shí)測(cè)量記錄水位、水溫、水質(zhì)等參數(shù)。

1.2.2.3 自動(dòng)跟蹤式懸錘水尺

應(yīng)用電接觸懸錘式水尺時(shí)，需要人工下放測(cè)錘，觀測(cè)燈光、音響信號(hào)，以判別測(cè)錘是否正好接觸水面。自動(dòng)跟蹤式懸錘水尺用一電機(jī)自動(dòng)下放測(cè)錘，測(cè)錘接觸水面時(shí)，導(dǎo)通信號(hào)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)尺下放時(shí)聯(lián)動(dòng)一編碼器，或者用步進(jìn)電機(jī)下放測(cè)尺，測(cè)得接觸水面時(shí)測(cè)尺的下放長(zhǎng)度。此長(zhǎng)度數(shù)據(jù)編碼輸出，或由步進(jìn)電機(jī)輸出，就能自動(dòng)測(cè)得地下水位。

這類儀器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可動(dòng)部件較多，可靠性差，水位測(cè)量誤差也較大。目前已沒有適用的產(chǎn)品。

1.3 國(guó)內(nèi)外地下水位監(jiān)測(cè)儀器的比較

1.3.1 人工觀測(cè)用國(guó)內(nèi)外地下水位儀器比較

國(guó)外大量應(yīng)用電接觸懸錘式水尺人工觀測(cè)地下水位。國(guó)內(nèi)外都有這類產(chǎn)品，其性能差別不大 。

國(guó)外不使用測(cè)盅觀測(cè)地下水位。

1.3.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)用國(guó)內(nèi)外地下水位計(jì)比較

1.3.2.1 浮子式地下水位計(jì)的比較

國(guó)內(nèi)的此類產(chǎn)品主要是兼用于地表水位測(cè)量的儀器。共同特點(diǎn)是浮子較小，直徑一般在 6～10 cm 之間；另一特點(diǎn)是水位記錄裝置或編碼器體積較大，阻力也偏大，都要安裝在地面上。大多數(shù)產(chǎn)品并不是專門為地下水位測(cè)量而設(shè)計(jì)的，還沒有設(shè)計(jì)成能較大范圍地應(yīng)用于各種地下水位測(cè)井的水位計(jì)。

國(guó)外產(chǎn)品都是專門設(shè)計(jì)用于地下水位測(cè)量的，其浮子很小，有些產(chǎn)品的浮子連同平衡錘可以安裝在 5 cm 直徑的測(cè)井內(nèi)。典型的產(chǎn)品，其編碼器和存貯記錄器是一體化、小型化的，可以吊裝在測(cè)井內(nèi)。懸索采用帶球鋼絲繩，使用標(biāo)準(zhǔn)接口，可以接入自動(dòng)化系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)還沒有可以和國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比較的浮子式地下水位計(jì)。

1.3.2.2 壓力式地下水位計(jì)的比較

國(guó)內(nèi)有幾種壓力式地下水位計(jì)產(chǎn)品，是專門設(shè)計(jì)用于地下水位自動(dòng)測(cè)量的，不是一體化結(jié)構(gòu)。可以長(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)量地下水位，也可以用固態(tài)存貯方式存貯，且都能以標(biāo)準(zhǔn)接口輸出接入自動(dòng)化系統(tǒng)。有的可以自動(dòng)測(cè)量水溫，并同時(shí)對(duì)水位進(jìn)行修正。水位測(cè)量準(zhǔn)確性可以基本滿足規(guī)范要求。

國(guó)外的壓力式地下水位計(jì)產(chǎn)品種類很多，在國(guó)內(nèi)銷售的典型產(chǎn)品各有特點(diǎn)，但它們的綜合性能，各項(xiàng)指標(biāo)都不同程度地超過國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品?；厩闆r如下：

（1）結(jié)構(gòu)與體積，國(guó)外產(chǎn)品基本上都是一體化的，傳感器、固態(tài)存貯器、電源在一個(gè)整體內(nèi)，懸掛在水下工作，其直徑可以小于 3 cm，用于 1 英寸直徑的測(cè)井；

（2）存貯量大，存貯數(shù)據(jù)都大于 10000 個(gè)；

（3）使用方便，功耗低，多數(shù)儀器工作 6～8 年不需更換內(nèi)裝電池，不需調(diào)整，但有些儀器不能自行更換電池；

（4）水位準(zhǔn)確性高，多優(yōu)于 ± 1 ‰，可以達(dá)到± 0.5 ‰；

（5）可靠性高，MTBF 都大于 3 a ；

（6）多參數(shù)記錄性能，很多產(chǎn)品具有多參數(shù)測(cè)記性能，包括水溫、水質(zhì)參數(shù)；

（7）保護(hù)措施好，具有不同程度的防干擾、抗雷擊、防破壞措施；

（8）產(chǎn)品化程度高，這是保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠的最重要條件。

1.4 地下水位監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用

水文系統(tǒng)目前基本依靠人工觀測(cè)地下水位，大量使用測(cè)盅測(cè)量地下水位，少量站點(diǎn)應(yīng)用地下水位測(cè)尺測(cè)量地下水位。少數(shù)測(cè)站能自動(dòng)測(cè)記地下水位，基本上使用浮子式地下水位計(jì)，劃線記錄。有少量地下水位遙測(cè)系統(tǒng)，使用浮子式編碼水位計(jì)或壓力式水位計(jì)。除數(shù)據(jù)存貯可靠性外，這些方法和儀器能滿足現(xiàn)行要求。但實(shí)際上人工觀測(cè)地下水位的準(zhǔn)確性差別很大，難以達(dá)到 2 cm 誤差的要求。

2 地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)

2.1 地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求

SL219-98《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》規(guī)定了地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[3]，參數(shù)與地表水接近，其分析方法按地表水規(guī)定執(zhí)行。此規(guī)范也規(guī)定了地下水采樣方法。

此規(guī)范沒有規(guī)定對(duì)地下水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的要求。

2.2 地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法和設(shè)備

地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法可以分為人工采樣分析和自動(dòng)監(jiān)測(cè) 2 種方法。自動(dòng)監(jiān)測(cè)又可分為電極法水質(zhì)自動(dòng)測(cè)量和抽水采樣自動(dòng)分析方法。地下水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)基本上都采用電極法水質(zhì)自動(dòng)測(cè)量?jī)x器。

人工測(cè)量時(shí)一般都只在現(xiàn)場(chǎng)采集水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。也可以使用便攜式自動(dòng)測(cè)量?jī)x在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工自動(dòng)測(cè)量和采樣現(xiàn)場(chǎng)分析。

地下水采樣最好使用地下水采樣泵和采樣器，型式較多。一些采樣器是工業(yè)上用的，也可用于一般的地下水采樣。

2.2.1 電極法水質(zhì)直接測(cè)量?jī)x器

電極法水質(zhì)直接測(cè)量?jī)x器的傳感器（水質(zhì)測(cè)量電極或相應(yīng)的測(cè)量元件）放入水體中，能直接感測(cè)或轉(zhuǎn)換得到某一水質(zhì)參數(shù)的數(shù)值。某一種電極只能測(cè)得某一種水質(zhì)參數(shù)。感應(yīng)頭直接感應(yīng)水質(zhì)，沒有可動(dòng)部件，可以較長(zhǎng)時(shí)期在水中工作，連續(xù)測(cè)量。

使用時(shí)，將儀器懸掛在地下水測(cè)井的水下。一體化產(chǎn)品的測(cè)量電極、測(cè)控電路、數(shù)據(jù)存貯器、電源等部件是一整體，在水下自動(dòng)完成測(cè)量、記錄，通過專用電纜讀取數(shù)據(jù)和遙測(cè)傳輸。

非一體化儀器的測(cè)控、記錄、電源部分在地面上。

電極法水質(zhì)儀的特點(diǎn)：

（1）應(yīng)用范圍廣，可以對(duì)大多數(shù)水質(zhì)進(jìn)行直接測(cè)定；

（2）線性范圍廣，這是指測(cè)得電位等量值與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系穩(wěn)定而言；

（3）快速，這是自動(dòng)測(cè)量所必須的，不過也是相對(duì)于自動(dòng)分析法而言的；

（4）設(shè)備簡(jiǎn)單，電極簡(jiǎn)單、牢固、體積不大，便于安裝應(yīng)用；

（5）價(jià)格較低，比自動(dòng)分析儀器便宜很多。

電極法水質(zhì)儀的局限性：

（1）一些產(chǎn)品的維護(hù)要求較高，有定期清洗、更換耗件的要求；

（2）測(cè)量準(zhǔn)確度稍低。這是相對(duì)于自動(dòng)分析法來講的；

（3）不同測(cè)量電極的產(chǎn)品性能差別很大。

地下水水質(zhì)的電極法直接測(cè)量?jī)x器很多，性能差異不大，但國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品罕見。

一種國(guó)外的地下水位水質(zhì)多參數(shù)儀器參數(shù)特點(diǎn)：

（1）儀器尺寸：可用于 50.8 mm（2 英寸）直徑的測(cè)井；

（2）可測(cè)參數(shù)：水位、水溫、電導(dǎo)率、溶氧、pH、鹽度、濁度等參數(shù)；

（3）最多同時(shí)測(cè)量參數(shù)：13 個(gè)；

（4）存貯方式：固態(tài)存貯；

（5）接口：RS-485；

2.2.2 地下水水質(zhì)自動(dòng)分析儀器

用于地下水的水質(zhì)自動(dòng)分析儀器和用于地表水的相同。工作時(shí)要從地下水測(cè)井中直接抽取水樣。在地下水埋深較深時(shí)，及需要分層采樣時(shí)，對(duì)水樣采取設(shè)備有特殊要求。

極少將水質(zhì)自動(dòng)分析儀器安裝在地下水測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量地下水水質(zhì)。

2.2.3 人工在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量地下水水質(zhì)的儀器

這類儀器都是便攜式的，分為 2 類：一類是便攜式直接法水質(zhì)測(cè)量?jī)x，另一類是便攜式水質(zhì)分析儀。這 2 類儀器主要用于地表水水質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量，都需要現(xiàn)場(chǎng)采取水樣（或投放入水體中）進(jìn)行測(cè)量。

2.2.4 地下水采樣設(shè)備

地下水采樣設(shè)備分為采樣泵和采樣器 2 類。

地下水采樣泵將地下水抽出地面，一般都具有大揚(yáng)程、流量小的特點(diǎn)。按工作特性不同，有底閥、雙閥、氣囊式、蠕動(dòng)、不連續(xù)間隔等取樣泵。其中的底閥取樣泵可以人工操作，最大揚(yáng)程 30 m。

低流量的氣囊式取樣泵用壓縮空氣擠壓氣囊將水樣提升出地面，水樣不和氣體接觸，也不受攪拌和抽吸。低流量采樣又減少了對(duì)地下水體的擾動(dòng)。因此，得到的水樣代表性較好。

一些取樣泵可以工作在直徑 2 cm 的測(cè)井內(nèi)。

地下水采樣器放入地下水面以下，取得某一指定深度的水樣，在提升到水面的過程中不能與地下水體發(fā)生水的交換。在進(jìn)入地下水面到達(dá)指定深度的過程中，也不應(yīng)有這一行程中的水體停留在采樣器中。

簡(jiǎn)單的地下水采樣器一般以長(zhǎng)圓形采樣筒為主體，上、下端具有自動(dòng)開閉的簡(jiǎn)單閥門，控制水樣的進(jìn)入和防止漏失。也可用落錘的方式擊下鐘形采樣筒，采取水樣。采樣容積基本上在 0.5～1.5 L 范圍，配有有刻度的懸掛測(cè)繩，用手搖絞盤提放，手搖絞盤類似于懸錘式地下水位計(jì)。地下水采樣器一般工作在口徑大于 5 cm 的測(cè)井內(nèi)。

2.3 國(guó)內(nèi)外地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器的比較

國(guó)內(nèi)使用的儀器基本上都是國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外合作生產(chǎn)的也很少。

2.4 國(guó)內(nèi)外地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用狀況

水文系統(tǒng)基本都用取水樣回實(shí)驗(yàn)室分析的方法測(cè)量地下水水質(zhì)。也有開始使用地下水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，但應(yīng)用極少。其它行業(yè)應(yīng)用得多一些。

國(guó)內(nèi)水文系統(tǒng)大多數(shù)取樣方法只是在生產(chǎn)井出流處取水樣，基本上沒有使用專用的地下水采樣設(shè)備進(jìn)行地下水水質(zhì)采樣。其他行業(yè)有一些應(yīng)用。

國(guó)外比較普遍地應(yīng)用自動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備、地下水采樣器和采樣泵。

3 地下水水溫監(jiān)測(cè)方法和儀器

3.1 地下水水溫監(jiān)測(cè)要求

規(guī)范要求水溫的觀測(cè)允許誤差為 ± 0.2 ℃，同時(shí)觀測(cè)的氣溫的允許誤差也是 ± 0.2 ℃。

3.2 地下水水溫監(jiān)測(cè)方法和儀器

人工測(cè)量地下水溫時(shí)應(yīng)用各種數(shù)字式溫度計(jì)測(cè)溫，流出地面后可以用一般溫度計(jì)測(cè)水溫 。

自動(dòng)測(cè)量水溫的傳感器一般和其它傳感器安裝在一起，構(gòu)成水位、水溫測(cè)量傳感器，多參數(shù)水質(zhì)傳感器等。單獨(dú)自動(dòng)測(cè)量水溫的儀器使用半導(dǎo)體、鉑電阻等傳感器。這些儀器都能達(dá)到測(cè)溫準(zhǔn)確性要求。

3.3 國(guó)內(nèi)外地下水水溫監(jiān)測(cè)儀器的比較

國(guó)內(nèi)外各種測(cè)溫儀器的性能差別不大。但國(guó)外的地下水位、地下水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器都帶有水溫測(cè)量傳感器，而國(guó)內(nèi)還極少有這類產(chǎn)品。

3.4 地下水水溫監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用

水文系統(tǒng)基本用人工方法測(cè)量地下水溫。一種方法是在地下水抽出地面后進(jìn)行測(cè)量，另一方法是用數(shù)字式溫度計(jì)直接放入地下水測(cè)井中測(cè)量。基本沒有自動(dòng)測(cè)量記錄地下水溫的站點(diǎn)。

4 地下水出水量監(jiān)測(cè)

地下水以泉水方式自動(dòng)流出地面，或用水泵抽出地面。

以泉水形式出流地面時(shí)，出水量的測(cè)量和渠道流量測(cè)量方式相同；以水泵抽出地面時(shí)可以以管道流量的方式進(jìn)行測(cè)量。這 2 類流量測(cè)量的方法和使用儀器都有規(guī)范規(guī)定，也比較成熟。

4.1 泉水出流流量測(cè)量

泉水流量一般不會(huì)很大，其泥沙含量也不大。針對(duì)這些特點(diǎn)，可以優(yōu)先考慮使用量水建筑物法、流速儀法。應(yīng)用量水建筑物法測(cè)量流量時(shí)，只測(cè)水位，可以方便地做到自動(dòng)測(cè)量。應(yīng)用各種自動(dòng)水位計(jì)測(cè)量上游水位，只是水位準(zhǔn)確度要求高，水位測(cè)量誤差要達(dá)到 ± 3 mm。水量和流速很小時(shí)，可以使用小浮標(biāo)測(cè)速的方法；水量很大時(shí)，可以使用其它河流流量測(cè)驗(yàn)儀器。

4.2 水泵抽水量流量測(cè)量

在管道內(nèi)可以使用各種管道流量計(jì)，如水表、電磁管道流量計(jì)、聲學(xué)（超聲波）管道流量計(jì)等。一般地下水中泥沙很少，適合使用水表來計(jì)測(cè)水量，水表價(jià)廉、可靠。電子水表可以用于自動(dòng)化系統(tǒng)，應(yīng)優(yōu)先考慮。但很多地下水的泥沙含量并不小，會(huì)很快損壞水表，其他管道流量計(jì)又較貴，所以還普遍應(yīng)用電功率法由水泵耗電量得到水量。

水泵出水流入渠道后可以使用明渠流量測(cè)驗(yàn)方法測(cè)量流量。

4.3 地下水出水量監(jiān)測(cè)儀器的應(yīng)用

水文系統(tǒng)承擔(dān)地下水出水量測(cè)驗(yàn)工作的站點(diǎn)不多。對(duì)于泉流量，多數(shù)用流速儀面積法人工測(cè)量。也使用堰槽法測(cè)量，主要使用測(cè)流堰，人工測(cè)量水位，很少應(yīng)用水位自動(dòng)測(cè)量?jī)x器測(cè)量。對(duì)于水泵抽水管道出流，常使用水表直接測(cè)量和用水力機(jī)械法、電功率法推算，由于測(cè)點(diǎn)數(shù)量非常多，適用的方法儀器需要具有價(jià)廉、耐用、較準(zhǔn)確、便于使用的性能。上述方法和現(xiàn)有產(chǎn)品還不能滿足要求。

5 地下水流速流向的監(jiān)測(cè)調(diào)查方法

測(cè)量地下水流速流向有多種方法，大多數(shù)只是應(yīng)用方法。有些測(cè)量結(jié)果屬于定性范疇，構(gòu)成專用儀器的較少。測(cè)量結(jié)果多數(shù)用于調(diào)查性的監(jiān)測(cè)，很少有長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的。

按應(yīng)用方法分類，主要有：抽水試驗(yàn)法、示蹤法、電位差法。

抽水試驗(yàn)法是傳統(tǒng)方法，在多井地區(qū)可以應(yīng)用；示蹤法可以在單井中應(yīng)用，同位素示蹤法有專門儀器；電位差法是測(cè)量地電場(chǎng) / 電位的水文物探方法。

用測(cè)量地電位的方法可以判別一地塊的地下水流速流向，多用于專門調(diào)查。

6 地下水監(jiān)測(cè)資料的收集、記錄和傳輸

6.1 地下水監(jiān)測(cè)資料的收集、記錄

目前，大量地下水監(jiān)測(cè)參數(shù)由人工觀測(cè)，人工記錄收集。

一般傳統(tǒng)儀器用記錄紙劃線記錄，先進(jìn)的產(chǎn)品都是固態(tài)存貯記錄。這些記錄方式和地表水參數(shù)記錄儀器基本一致。不同的是地下水固態(tài)存貯記錄和測(cè)量探頭是一體化的，包括水位、水質(zhì)參數(shù)。一體化的密封儀器懸吊安裝在井下，長(zhǎng)期工作。

6.2 地下水監(jiān)測(cè)資料的遙測(cè)傳輸（數(shù)傳儀）

6.2.1 現(xiàn)狀概況

國(guó)內(nèi)水文系統(tǒng)已開始應(yīng)用地下水信息的遙測(cè)傳輸設(shè)備，目前建設(shè)的自動(dòng)收集系統(tǒng)、應(yīng)用的儀器設(shè)備和水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)基本一致。一些系統(tǒng)是參照水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的規(guī)定建設(shè)的，所用的設(shè)備儀器通用于水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。

其它部門，如地質(zhì)調(diào)查局、地震局應(yīng)用的數(shù)傳儀已不同程度考慮了地下水測(cè)量的需要。

水文系統(tǒng)、地質(zhì)調(diào)查局、地震局、一些公司也都在繼續(xù)開發(fā)應(yīng)用于地下水?dāng)?shù)據(jù)收集的數(shù)傳設(shè)備。

6.2.2 地下水?dāng)?shù)傳儀技術(shù)特點(diǎn)

地下水自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)和水文（地表水）自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)有很多相同的技術(shù)特性，但是，地下水自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)也有自己的技術(shù)特點(diǎn)，具體如下：

（1）地下水的測(cè)次有規(guī)律，以定時(shí)觀測(cè)為主要方式；

（2）由于地下水參數(shù)變化較慢，一般觀測(cè)時(shí)，可以將較多的定時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一次性發(fā)送給中心，如每天將前一天的多個(gè)定時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一起上傳傳輸，但用于專門觀測(cè)的地下水測(cè)井，如地震、抽水試驗(yàn)等，其測(cè)量頻度可能非常高；

（3）參數(shù)穩(wěn)定，以水位、水溫及水質(zhì)為主；

（4）基本采用標(biāo)準(zhǔn)化接口；

（5）基本都有在站數(shù)據(jù)存貯；

（6）應(yīng)用環(huán)境特殊，尤其是地下水測(cè)井內(nèi)；

（7）設(shè)備有小型化要求；

（8）防護(hù)和環(huán)境適應(yīng)性和地表水監(jiān)測(cè)要求不同；

（9）低功耗要求更高，有的站要求只用電池供電。

6.2.3 典型數(shù)傳儀產(chǎn)品

6.2.3.1 NSY.DA-2型數(shù)傳儀（國(guó)產(chǎn)）技術(shù)指標(biāo)

（1）可接水位計(jì)類型：浮子式（格雷碼輸出）、壓力式、超聲波、雷達(dá)等水位計(jì)，4～20 mA 輸入；

（2）等待電流：小于 5 μA ；

（3）固態(tài)存貯功能：能存 1 a 的數(shù)據(jù)；

（4）通訊方式：GPRS 或 SMS 短信；

（5）主要工作方式：定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，5 min 至24 h 間隔可設(shè)，可以定時(shí)發(fā)送短期內(nèi)存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)均有時(shí)標(biāo)；

（6）內(nèi)置電池：可發(fā)射數(shù)據(jù) 2000 次以上，電池充電后可繼續(xù)使用；

（7）可使用外接電源，電壓 6 V；

（8）鑄鋁外殼密封，可安裝在野外與地下水測(cè)井口；

（9）環(huán)境溫度：-40～60 ℃。

6.2.3.2 國(guó)外典型產(chǎn)品

（1）內(nèi)置鋰電池，壽命 1～5 a；（2）可選 RS-232 / RS-485 接口；

（3）大容量數(shù)據(jù)存貯，定時(shí)采集、上報(bào)歷史數(shù)據(jù)；

（4）通信方式：短消息和 GPRS；

（5）GPRS 傳輸支持遠(yuǎn)程維護(hù)；

（6）1 min ≤ 數(shù)據(jù)采集間隔 ≤ 31 d，1 min ≤ 數(shù)據(jù)上報(bào)間隔 ≤ 31 d；

（7）環(huán)境溫度：-20～70 ℃；

（8）2 節(jié) 1 號(hào)鋰電池發(fā)射 1000 次；

（9）體積小，可安裝在野外與地下水測(cè)井口。

6.3 國(guó)內(nèi)外地下水監(jiān)測(cè)資料的記錄和傳輸儀器比較

6.3.1 記錄儀器

國(guó)外大量應(yīng)用固態(tài)存貯記錄方式記錄地下水?dāng)?shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)目前還很少使用。

國(guó)外的記錄儀器比較可靠，其高度集成、小型化、低功耗的性能使得記錄部分和傳感器可以成為小型一體化的整體，適用于地下水監(jiān)測(cè)。

國(guó)內(nèi)外地下水記錄儀器的功能差距不大，但可靠性差距大。

6.3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)的水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)已較成熟，所用儀器設(shè)備的功能、可靠性較好。多年的建設(shè)已使國(guó)內(nèi)人員積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，有能力建設(shè)地下水自動(dòng)化系統(tǒng)。不過，地下水和地表水總還有所不同，國(guó)內(nèi)的水文通用遙測(cè)設(shè)備對(duì)地下水的需要有不能滿足之處 。

與國(guó)外產(chǎn)品比較和考慮實(shí)際需要，應(yīng)注意以下問題：

（1）在站數(shù)據(jù)固態(tài)存貯

國(guó)外產(chǎn)品都是一體化的，數(shù)據(jù)存貯部分基本包含在傳感器內(nèi)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品可能都包含在傳輸設(shè)備內(nèi)，存貯可靠性差別大。

（2）傳輸設(shè)備的型式

國(guó)外產(chǎn)品都是小型化的，可以裝在測(cè)井口上。防護(hù)性能較好，也便于建設(shè)、維護(hù)，并可以有多種安裝方式。

國(guó)內(nèi)水文系統(tǒng)用的產(chǎn)品基本都是地表水用的遙測(cè)設(shè)備，小型化程度較差，要建站房或儀器箱。國(guó)內(nèi)也開始出現(xiàn)可以安裝在測(cè)井管上端的遙測(cè)設(shè)備。

（3）電源

國(guó)外產(chǎn)品基本上都可以只依靠電池供電工作，一般工作狀況下，工作時(shí)間都不低于 2 a。當(dāng)然也可以用太陽(yáng)能電池或交流電充電方式由蓄電池供電。

國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的大部分是以太陽(yáng)能電池浮充蓄電池供電方式為主，功耗偏高，只依靠電池供電工作的產(chǎn)品很少。

（4）數(shù)據(jù)采集傳輸工作方式

定時(shí)采集地下水?dāng)?shù)據(jù)已能滿足需要，傳輸也以定時(shí)自報(bào)為主。除極少數(shù)站外，水文系統(tǒng)可以不需要事件性自報(bào)，也不需要召測(cè)功能。

為節(jié)約經(jīng)費(fèi)，可以將定時(shí)監(jiān)測(cè)的較多數(shù)據(jù)一次性（如 1 天發(fā) 1 次）上傳。

通用于地表水的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品具有較多功能，用于地下水時(shí)，選用其部分功能。但需要更改設(shè)計(jì)以滿足一些特殊要求。一些專門為地下水監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的國(guó)外、國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，對(duì)這些情況都對(duì)應(yīng)作了處理。

6.4 地下水?dāng)?shù)據(jù)傳輸存貯設(shè)備的應(yīng)用

水文行業(yè)只有少量試驗(yàn)性地下水?dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)采集傳輸站點(diǎn)，用于地下水位、水溫?cái)?shù)據(jù)采集，使用浮子式編碼水位計(jì)，或壓力式地下水位計(jì)。通信方式基本是GPRS 和 SMS，基本沒有應(yīng)用 PSTN 通信、超短波和衛(wèi)星通信方式。數(shù)據(jù)存貯在終端機(jī)內(nèi)，或存貯在進(jìn)口的傳感器內(nèi)。

這些系統(tǒng)帶有試驗(yàn)性，基本能正常運(yùn)行。但數(shù)據(jù)存貯和傳輸?shù)目煽啃圆顒e較大。水文行業(yè)應(yīng)用的終端機(jī)基本上是水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)使用設(shè)備的改進(jìn)型，專門應(yīng)用于地下水的終端機(jī)還不多。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家有較多的專門用于地下水?dāng)?shù)據(jù)傳輸、記錄的終端機(jī)產(chǎn)品。

典型的地下水水位、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要性能如下：

（1）測(cè)量參數(shù)：地下水位、地下水溫，水質(zhì)參數(shù)：溶解氧、電導(dǎo)率、pH、濁度、氧化還原電位（ORP）、氨氮、硝酸鹽等參數(shù)；

（2）應(yīng)用傳感器：壓力式地下水位計(jì)（同時(shí)測(cè)量水溫），多參數(shù)地下水水質(zhì)測(cè)定儀（電極法）；

（3）工作方式：定時(shí)自報(bào)式，短期數(shù)據(jù)存貯后集中發(fā)送，可以具有應(yīng)答功能；

（4）數(shù)據(jù)存貯：傳感器內(nèi)自動(dòng)存貯；

（5）通信方式：GPRS；

（6）供電：蓄電池供電，太陽(yáng)能電池浮充。內(nèi)置電池供電，不需浮充。

7 地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、要求

7.1 已有標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)已制定了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，從不同方面對(duì)地下水監(jiān)測(cè)提出要求。

水利部標(biāo)準(zhǔn)中含有地下水監(jiān)測(cè)儀器的有：

SL183-2005《地下水監(jiān)測(cè)規(guī)范》；

SL360-2006《地下水監(jiān)測(cè)站建設(shè)技術(shù)規(guī)范》；

SL219-98《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》；

SL187-96《水質(zhì)采樣技術(shù)規(guī)程》。

其他部門也有一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)地下水監(jiān)測(cè)的要求。

已有很少的國(guó)標(biāo)，如《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

7.2 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的不足和建議

現(xiàn)有水利標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)監(jiān)測(cè)要求有不完全一致的地方，如水位監(jiān)測(cè)的要求。水質(zhì)監(jiān)測(cè)的要求比較原則、簡(jiǎn)單，體現(xiàn)地下水特點(diǎn)的要求很少。先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方法、儀器在標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)不夠；自動(dòng)化采集、傳輸?shù)募夹g(shù)基本沒有體現(xiàn)。

目前，正在準(zhǔn)備建設(shè)“國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程”，已初步提出地下水監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求，這些要求基本上是合理的。這些技術(shù)要求已超出現(xiàn)有地下水監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍，更說明現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在修訂中發(fā)展。

為了完整地規(guī)范對(duì)地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)要求，可以考慮制定《地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備》，包括地下水水位監(jiān)測(cè)設(shè)備、地下水水溫監(jiān)測(cè)設(shè)備、地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)及采樣設(shè)備、地下水?dāng)?shù)據(jù)傳輸設(shè)備等幾部分。

8 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)、應(yīng)用的地下水監(jiān)測(cè)儀器還比較簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較差。作為水資源監(jiān)測(cè)的一部分，地下水?dāng)?shù)據(jù)采集已開始應(yīng)用壓力式地下水位計(jì)、電極法地下水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀等先進(jìn)儀器，自動(dòng)測(cè)量、記錄、傳輸?shù)叵滤缓退|(zhì)等參數(shù)，并開始有計(jì)劃地建設(shè)利用公網(wǎng)傳輸?shù)牡叵滤當(dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)收集系統(tǒng)。

[1]SL183-2005，地下水監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].

[2]SL360-2006，地下水監(jiān)測(cè)站建設(shè)技術(shù)規(guī)范[S].

[3]SL219-98，水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].