秦國(guó)強(qiáng)

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 地質(zhì)勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在抽水試驗(yàn)中的應(yīng)用

秦國(guó)強(qiáng)

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 地質(zhì)勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

[摘要]通過與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法比較，介紹了地下水位及流量的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，即利用 Mini-Diver 監(jiān)測(cè)水位埋深并利用TDS—100H 水位流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量。而且，通過在新疆博州地下水資源評(píng)價(jià)項(xiàng)目抽水試驗(yàn)中的應(yīng)用，證明該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)記錄準(zhǔn)確，誤差小，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量大，操作方便靈活，可及時(shí)掌握地下水動(dòng)態(tài)變化，具有廣泛的推廣利用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)；抽水試驗(yàn)；地下水

在新疆博州地下水資源評(píng)價(jià)項(xiàng)目抽水試驗(yàn)中引進(jìn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)抽水井及主要監(jiān)測(cè)井布置了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)裝置，進(jìn)行地下水位及出水量的監(jiān)測(cè)。實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有及時(shí)性、準(zhǔn)確性、快速性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足。對(duì)抽水實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，具有廣泛的推廣價(jià)值。

1傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)地下水位的方法為：采用“測(cè)繩+萬(wàn)用表”。監(jiān)測(cè)抽水實(shí)驗(yàn)地下水埋深過程為：每個(gè)落程抽水開始后第1分鐘、第2分鐘、第3分鐘、第4分鐘、第6分鐘、第8分鐘、第10分鐘、第15分鐘、第20分鐘、第25分鐘、第30分鐘、第40分鐘、第50分鐘、第60分鐘、第80分鐘、第100分鐘、第120分鐘、第150分鐘分測(cè)量1次動(dòng)水位，以后每隔30 min分鐘測(cè)量1次動(dòng)水位；直到水位穩(wěn)定后再增加水泵進(jìn)行下一落程的抽水試驗(yàn)；抽水試驗(yàn)穩(wěn)定后需要對(duì)水位進(jìn)行恢復(fù)測(cè)量：在第1分鐘、第2分鐘、第3分鐘、第4分鐘、第6分鐘、第8分鐘、第10分鐘、第15分鐘、第20分鐘、第25分鐘、第30分鐘、第40分鐘、第50分鐘、第60分鐘、第80分鐘、第100分鐘、第120分鐘、第150分鐘分測(cè)量1次恢復(fù)水位，以后每隔30 min分鐘觀測(cè)1次，直至水位恢復(fù)到靜止水位為止。(由于人為原因，抽水井和觀測(cè)井埋深往往不能同步觀測(cè)，或?qū)Τ樗^程中的其它一些變化不能及時(shí)掌握。)

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)出水流量的方法為：采用三角堰或梯形堰。將三角堰或梯形堰安裝在要測(cè)定的水流處，當(dāng)水溢流并穩(wěn)定以后，利用標(biāo)尺測(cè)量水位讀取標(biāo)尺讀數(shù)。三角堰或梯形堰應(yīng)安置于穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，保持水平；每次標(biāo)尺測(cè)量時(shí)應(yīng)保證起始讀數(shù)準(zhǔn)確，保持垂直。

2自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有先進(jìn)性、可靠性、分布性、易操作性等特點(diǎn)。其融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，集成了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，在監(jiān)測(cè)功能和技術(shù)選擇方面有較好的代表性；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有獨(dú)立性，當(dāng)單個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)；快速進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、管理及分析，及時(shí)準(zhǔn)確的掌握數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化[1]。本次所選用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元Mini-Diver和流速流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元TDS—100H兩部分組成，下面對(duì)其分別介紹。

2.1Mini-Diver

Mini-Diver用來(lái)監(jiān)測(cè)地下水位的埋深。首先，設(shè)定其監(jiān)測(cè)頻率；其次，通過一條剛線纜懸掛在監(jiān)測(cè)井動(dòng)水位埋深以下，即可對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1　Mini-Diver

Mini-Diver是來(lái)自荷蘭的地下水自動(dòng)記錄儀(見圖 1)。它只有手掌大小，長(zhǎng)度90 mm，直徑22 mm。Mini-Diver內(nèi)部集成溫度和壓力傳感器，內(nèi)存和電池；外部為密封的不銹鋼材質(zhì)。因此，Mini-Diver不易受潮，也不易受到外部電流的影響[2,3]。Mini-Diver的內(nèi)存可以記錄保存224 000個(gè)數(shù)據(jù)。因此，若設(shè)定監(jiān)測(cè)頻率為每10 min一次，則內(nèi)存可記錄長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月時(shí)間的數(shù)據(jù)。

2.2TDS—100H

TDS—100H 超聲波流速流量計(jì)是一種用于管道流速流量測(cè)量的儀器。首先，將傳感器探頭固定在管道外壁上，其次，設(shè)定手操器中管道材質(zhì)、管徑及介質(zhì)類型，即可實(shí)時(shí)讀取并記錄流速、流量數(shù)據(jù)(見圖 2)。

圖2　TDS—100H

該流速流量?jī)x可以根據(jù)實(shí)地使用對(duì)手操器進(jìn)行設(shè)置，從而測(cè)量各種不同材質(zhì)管道、不同介質(zhì)類型的流速、流量。其流速測(cè)量精度可達(dá)±1%，流量測(cè)量精度可達(dá)±2%～5%。工作方式為自記式采集方式即按設(shè)定時(shí)間周期將流速、流量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集保存在片內(nèi)存儲(chǔ)器中，并可記錄來(lái)水時(shí)間和斷水時(shí)間。

TDS—100H 超聲波流速流量計(jì)的特點(diǎn)為：(1)可以根據(jù)實(shí)地使用對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置，并可測(cè)量各種不同材質(zhì)管道、不同介質(zhì)類型的流速、流量；(2)可靠性高、密封、強(qiáng)度高，無(wú)腐蝕，外部安裝牢固，適合野外無(wú)人環(huán)境使用；(3)特低功耗，無(wú)需外部供電，采樣時(shí)間短，非采樣時(shí)功耗極低，內(nèi)置電池可連續(xù)工作24 h；(4)配套手操器可提供全中文提示，為用戶提供了良好的人機(jī)界面，通過手動(dòng)置數(shù)，可對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、查詢、修改等[4]；(5)內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘，精度可調(diào)整，可以準(zhǔn)確記錄采樣時(shí)刻的時(shí)間；(6)儀表內(nèi)配有大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，對(duì)所有設(shè)置的參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)長(zhǎng)久保存，即使去掉電池。數(shù)據(jù)亦可保存十年以上；(7)儀表內(nèi)置科學(xué)的數(shù)字濾波方式及防涌水功能，能夠有效地解決涌水對(duì)測(cè)量的影響，使測(cè)量值穩(wěn)定、真實(shí)、可靠。

3實(shí)例

3.1應(yīng)用區(qū)概況

本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)抽水試驗(yàn)應(yīng)用于新疆博州境內(nèi)，高斯投影坐標(biāo)為：X(583 500～693 500 m)，Y(4 919 000～4 969 000 m)。應(yīng)用區(qū)內(nèi)共有機(jī)井2 700多眼，井徑一般為426 mm，管徑多為150 mm，井深為80～180 m不等，均為農(nóng)業(yè)灌溉所用。本次對(duì)區(qū)內(nèi)30眼機(jī)井進(jìn)行抽水試驗(yàn)。區(qū)內(nèi)中下游靠近艾比湖區(qū)域多為潛水和承壓水互層，水量較豐富，單位涌水量為7.5～20.3 L/s·m，水化學(xué)類型主要為SO4·HCO3-Na·Ca和SO4·CL-Mg·Ca型，滲透系數(shù)3.5～27.0 m/d，礦化度0.83～1.32 g/L。上游為單一結(jié)構(gòu)孔隙潛水含水層，水量較豐富，單位涌水量為4.7～31.5 L/s·m，水化學(xué)類型主要為SO4·Cl-Na·Ca和SO4·HCO3-Na·Ca型，滲透系數(shù)9.3～29.7 m/d，礦化度0.25～0.87 g/L。

3.2成果展示

在新疆博州地下水資源評(píng)價(jià)抽水試驗(yàn)中，抽水井中安裝Mini-Diver進(jìn)行地下水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用TDS—100H監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)流速流量。表1為G13號(hào)井抽水試驗(yàn)各儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)成果。

圖3　G13號(hào)井抽水試驗(yàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

G13號(hào)井位于精河縣大河沿子鎮(zhèn)，該井為2006年所鑿農(nóng)用機(jī)井，井深120 m，井徑426 mm，管徑150 mm，出水量在120 m3/h左右，灌溉耕地面積近300畝。本次抽水試驗(yàn)從上午11點(diǎn)整開始，進(jìn)行了水位下降試驗(yàn)和水位恢復(fù)試驗(yàn)，表 1和圖 4給出了下降試驗(yàn)所得成果，由圖 4可知該井降深7 m左右，在11點(diǎn)30分左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過計(jì)算該井所在地滲透系數(shù)K為22.37 m/d，與此區(qū)域相一致。

可見，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在抽水試驗(yàn)中可對(duì)地下水位和機(jī)井出水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速的監(jiān)測(cè)，充分地掌握地下水位的動(dòng)態(tài)變化，并且不受外界因素的干擾，能夠精準(zhǔn)的反映地下水位的整個(gè)監(jiān)測(cè)過程。

表1　G13號(hào)井抽水試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

4結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種新的掌握、了解地下水參數(shù)變化的方式。本文結(jié)合實(shí)例，介紹了地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)方法，總結(jié)如下：

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下水各要素的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、無(wú)誤的采集，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、連續(xù)，其精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于多孔抽水試驗(yàn)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)安裝方便，保護(hù)性好，可以任意設(shè)置監(jiān)測(cè)時(shí)間，避免了因環(huán)境因素和人為因素帶來(lái)的誤差。真正做到了對(duì)地下水動(dòng)態(tài)變化的及時(shí)掌握。故自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用已成為一種趨勢(shì)，其攜帶方便、準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)處理快速，對(duì)今后的抽水試驗(yàn)工作起著至關(guān)重要的影響作用。

參考文獻(xiàn)

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[收稿日期]2016-03-21

[作者簡(jiǎn)介]秦國(guó)強(qiáng)(1988-)，男，湖北紅安人，助理工程師，主要從事地下水資源利用工作。

[中圖分類號(hào)]P641.5+4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0082-02