景少波，王成富，胡忠林，王 龍，朱 特

(1.新疆水利科技推廣總站，新疆 烏魯木齊830000;2.烏魯木齊興新博世數(shù)字科技有限公司，新疆 烏魯木齊830000;3.新疆油田公司生產(chǎn)運(yùn)行處，新疆 克拉瑪依834000;4.準(zhǔn)東采油廠生產(chǎn)運(yùn)行科，新疆 阜康831500;5.新疆奇臺縣水利局，新疆 奇臺831800)

準(zhǔn)東水源地位于準(zhǔn)噶爾盆地東部，地貌單元主要為南部高山區(qū)，中部沖洪積細(xì)土平原區(qū)和沙漠區(qū)，北部卡拉麥里山南坡剝蝕洪積平原區(qū)。研究區(qū)屬典型的大陸性干旱氣候區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，相對濕度小，年內(nèi)溫差變幅大，最低氣溫－30℃，最高氣溫40℃，年降水量135.9 mm，，年蒸發(fā)能力1 904.07 mm。區(qū)內(nèi)及其邊緣地帶分布有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系、第四系地層[1]。地下水主要為孔隙潛水和承壓水。第四系含水層由上更新統(tǒng)沖積物組成，巖性多為棕灰、灰黃色的粉細(xì)沙、亞沙土，局部夾有灰黑色粗沙、小礫石，含水層厚度10～20 m，靜水位埋深由南向北逐漸變淺，由80～30 m。第四系承壓含水層埋藏于中、下更新統(tǒng)沖積層中，是水源地的主要取水層，準(zhǔn)東水源地主要供水對象為火燒山油田和彩南油田[2]。為保證供水要求以及合理開發(fā)利用地下水，需對地下水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

準(zhǔn)東水源地機(jī)井全年運(yùn)行，常規(guī)觀測水位為每天中午12時(shí)，最初采取原始的人工觀測辦法困難很多，一方面，水源地較大，各機(jī)井之間路途遙遠(yuǎn)，特別是冬季大雪封山，現(xiàn)場觀測不便且具有一定的危險(xiǎn)性，另一方面，水源地機(jī)井深度都在150 m以上，地下水位埋深都在30 m以下，井內(nèi)線纜眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人工觀測過程經(jīng)常發(fā)生被卡住等情況，保證不了水位觀測的及時(shí)準(zhǔn)確。

水源地自2011年8月正式采用一體化壓力式地下水位計(jì)觀測以來，現(xiàn)在只需在辦公室內(nèi)打開電腦，所需的地下水位就會自動傳輸進(jìn)來，大大減少了外業(yè)工作量，并且保證了水位觀測的及時(shí)準(zhǔn)確，經(jīng)過三年運(yùn)行，該地下水位計(jì)使用方便，簡化管理，可靠地指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)度，大大提高了水源地經(jīng)濟(jì)效益。

1 一體化壓力式地下水位計(jì)概況

一體化壓力式地下水位計(jì)整套儀器主要由壓力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸電纜和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備三部分組成。

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1)最大水位變幅:50 m;

2)最大靜水壓力:100 m(根據(jù)實(shí)際需要選用);

3)最小分辨值:1 mm;

4)精度:地下水位最大測量誤差±5 cm;

5)壓力補(bǔ)償:具備獨(dú)立大氣壓補(bǔ)償裝置，測量結(jié)果自動補(bǔ)償;

6)探頭尺寸大小:傳感器直徑≤36 mm，數(shù)據(jù)線纜直徑≤10 mm;

7)電源:DC6V;

8)時(shí)鐘誤差:小于1分/月;

9)適應(yīng)工作溫度:壓力傳感器0℃以上，傳輸設(shè)備 －30℃ ～60℃;

10)傳輸設(shè)備:公共移動通信方式。

1.2 壓力傳感器工作原理

壓力傳感器和測量存儲儀器安裝在一個(gè)耐壓密封的機(jī)殼內(nèi)，然后用傳輸數(shù)據(jù)線將其掛在地下水監(jiān)測井內(nèi)的最低動水位以下，傳感器按設(shè)定時(shí)間間隔自動采集、存貯水位數(shù)據(jù)(見圖1)。

式中:H為地下水位埋深;A為壓力式地下水位計(jì)距孔口距離;P為壓力式地下水位計(jì)承受壓力;Pa為孔口處大氣壓力;ρ水為井內(nèi)水體密度;ɡ為常數(shù)，ɡ=9.8N/Kg;

壓力傳感器安裝之前首先應(yīng)該測定好井口處的大氣壓力Pa和井水密度ρ水。該壓力傳感器采用固態(tài)壓阻式感應(yīng)芯片，這種感應(yīng)芯片是采用集成電路的工藝，在硅片上擴(kuò)散成電阻條形成一組電阻，組成惠斯登全電橋。由于硅晶體具有壓阻效應(yīng)，當(dāng)硅晶體受到壓力P作用后，其中兩個(gè)對應(yīng)的應(yīng)變電阻變大，而另兩個(gè)對應(yīng)的應(yīng)變電阻變小，致使惠斯登電橋失去平衡[3]，輸出一個(gè)對應(yīng)于壓力大小的電壓信號，再用精密的數(shù)字測量電路即可精確測量出信號電壓值，由此即可轉(zhuǎn)換成傳感器所在點(diǎn)的壓力P，自動削減大氣壓力Pa，則為傳感器位置以上水壓力，再根據(jù)水體的密度換算得到此測量點(diǎn)以上水深，最后，用壓力傳感器距離孔口距離A減去其在水下深度，從而得到地下水位埋深H。

2 應(yīng)用情況

準(zhǔn)東水源地一體化壓力式地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)，在正常情況下監(jiān)測頻率按照國家級水位自動監(jiān)測站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，采集頻率按4 h間隔;對異常情況下設(shè)定自動觸發(fā)式信息報(bào)送，兩次監(jiān)測水位相差0.3 m以上時(shí)自動按1 h間隔監(jiān)測，以避免在數(shù)據(jù)信息急劇變化的緊急情況時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)短缺現(xiàn)象。在突發(fā)應(yīng)急狀態(tài)下的采集頻率可通過發(fā)送指令臨時(shí)調(diào)整為0.5 h間隔或更短;在固定監(jiān)測點(diǎn)不能滿足應(yīng)對要求時(shí)，可設(shè)立移動監(jiān)測點(diǎn)，對水位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以滿足監(jiān)測要求。

SL183－2005《地下水監(jiān)測規(guī)范》要求[4]，地下水位自動監(jiān)測時(shí)，“允許精度誤差為±0.01 m”，在其附錄中對傳感器規(guī)定“組建系統(tǒng)應(yīng)選用3級以上設(shè)備”，3級精度的水位計(jì)水位誤差是±0.03 m(10 m水位變幅范圍內(nèi))，準(zhǔn)東水源地機(jī)井深度均達(dá)到150m，水位變幅范圍均在到30 m左右，且井內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在此安裝的一體化壓力式地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)誤差在±0.05 m范圍內(nèi)均視為滿足規(guī)范要求。

表1 2014年6月上旬準(zhǔn)東水源地W3#井一體化壓力式地下水位計(jì)監(jiān)測成果對比分析

2014年6月對水源地W3#監(jiān)測井進(jìn)行了人工觀測，以此來校核一體化壓力式地下水位計(jì)。從表1可知2014年6月4日8點(diǎn)地下水位埋深42.73 m，12點(diǎn)52.12 m，在后面的12個(gè)小時(shí)里，水位一直在下降，直至24點(diǎn)才穩(wěn)定下來，這表明在8點(diǎn)到12點(diǎn)之間有一次開泵的過程，井內(nèi)地下水位先下降后趨于穩(wěn)定;6月12日12點(diǎn)地下水位埋深62.48 m，16點(diǎn)地下水位埋深57.89 m，在未來的25個(gè)小時(shí)里地下水位一直在上升，最終在42.98 m左右穩(wěn)定下來。根據(jù)本月的開關(guān)泵記錄，確實(shí)在6月4日11點(diǎn)開泵，6月12日13點(diǎn)關(guān)泵，與自動監(jiān)測記錄完全吻合。

15日的人工監(jiān)測記錄里，靜水位記錄6次，6次記錄中人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)最大相差0.03 m，均值相差0.018 3 m;動水位記錄9次，9次記錄中人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)最大相差0.05 m，均值相差0.023 3 m，因此該水位計(jì)的精度完全滿足規(guī)范要求。

圖2 壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖

3 嚴(yán)寒及礦化度對其影響

準(zhǔn)東水源地冬季氣溫較低，最低氣溫達(dá)－30℃，在設(shè)備安裝前曾考慮該設(shè)備可能會因低溫發(fā)生故障，但經(jīng)過三年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，該一體化壓力式地下水位計(jì)受低溫影響較小，20眼監(jiān)測井中僅有一眼監(jiān)測井在2012年冬季發(fā)生過無法傳輸數(shù)據(jù)的問題，經(jīng)過分析，該井所處位置地勢較低，在－28℃的情況下導(dǎo)致電路短路，致使信號無法傳輸，在對設(shè)備進(jìn)行保溫處理后，就再也沒有發(fā)生過因?yàn)榈蜏貙?dǎo)致的故障了(見圖2)。

在三年的使用過程中，準(zhǔn)東水源地第一期安裝的20眼監(jiān)測井中5眼發(fā)生過數(shù)據(jù)故障，通過對5份故障件的拆解發(fā)現(xiàn)，所有故障件表面進(jìn)水孔處均有有銹蝕現(xiàn)象，拆開之后發(fā)現(xiàn)其中2件壓力傳感器的波紋片有空洞現(xiàn)象，充油腔內(nèi)硅油已經(jīng)干涸，感應(yīng)芯片直接浸泡在水中;剩余三件在波紋片的焊接點(diǎn)處發(fā)生腐蝕，從而滲漏，充油腔內(nèi)既有硅油又有水，感應(yīng)芯片直接與油水混合物相接觸，通過對這5眼井的井水取樣化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其礦化度均達(dá)到2 g/L，因此可以確定含鹽量高的井水，在銹蝕完表面進(jìn)水孔后，進(jìn)入傳感器充油腔內(nèi)腐蝕感應(yīng)芯片導(dǎo)致了傳感器故障。

因此，下一步在改進(jìn)壓力傳感器如何防止銹蝕，尤其是波紋片的焊接位置上，如果能夠在這方面有所突破，那么定會大大延長壓力傳感器在高礦化度水中的使用壽命。

4 結(jié)語

一體化壓力式地下水位計(jì)經(jīng)過在準(zhǔn)東水源地三年的運(yùn)行表明，該儀器精度滿足地下水位監(jiān)測規(guī)范要求，能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)貒?yán)寒的地理環(huán)境，但是壓力傳感器在防止腐蝕方面仍然薄弱，如果這方面得到加強(qiáng)，那么一定會大大延長儀器的使用壽命，從而能夠更好的保證水位觀測的及時(shí)準(zhǔn)確，更可靠地指導(dǎo)水源地運(yùn)行調(diào)度。

[1]孫文軍，趙淑娟，李三忠，等.準(zhǔn)噶爾盆地東部中生代構(gòu)造遷移規(guī)律[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué).2014，38(1):52 －60.

[2]杜明亮，吳彬，張宏，等.改進(jìn)權(quán)重集對分析法在準(zhǔn)東水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用[J].人民黃河.2014，36(4):62－64.

[3]豐建勤.壓力式水位計(jì)應(yīng)用及精度分析[J].海洋測繪.2002，22(2):52－54.

[4]SL183－2005.地下水監(jiān)測規(guī)范[S].