王亞賓 尹景偉

一、引言

地下水是水資源的重要組成部分，在支持社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維護(hù)生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用。隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對地下水監(jiān)測的要求越來越高，地下監(jiān)測必然向自動化方向發(fā)展，目前江蘇省正在建設(shè)的水資源管理信息系統(tǒng)也將地下水自動監(jiān)測作為重要建設(shè)目標(biāo)。

二、寶應(yīng)地下水監(jiān)測站

寶應(yīng)地下水監(jiān)測站是國家級水位基本監(jiān)測站，位于揚(yáng)州市寶應(yīng)縣境內(nèi)。根據(jù)該站最近十年觀測資料統(tǒng)計(jì)，地下水位最高3.65m（地面積水除外），最低1.98m。該井地下水屬潛水，含沙量低、水位變化較慢，適合壓力式地下水位計(jì)的安裝，2009年3月24日該井安裝一套地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)。

三、地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)

寶應(yīng)站地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)的主要參數(shù)：

埋深范圍：0～10m

水位變幅：0～10m

分辨力：0.1cm

準(zhǔn)確度：優(yōu)于±0.02m

水位變率：最大不低于40cm/min

工作溫度：-20℃～80℃

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸裝置和中心計(jì)算機(jī)三部分組成，集成了水位、水溫等數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸、入庫和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

1.數(shù)據(jù)采集器

該部分包括傳感器和數(shù)據(jù)存儲器。傳感器采用固態(tài)壓阻式元件，通過測量水下某固定點(diǎn)的靜水壓力，測得這點(diǎn)以上的水柱高度，由此獲得水位。傳感器直徑3cm，長26cm，通過線纜懸掛在水面以下。數(shù)據(jù)存儲器采用大容量靜態(tài)RAM作為存儲媒介，可以按照設(shè)定的頻率定時采集數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)傳輸裝置

通過該裝置可以按照設(shè)定的時間把監(jiān)測數(shù)據(jù)以SMS形式通過中國移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)可以長時間保存在短消息服務(wù)中心或接收終端。

3.中心計(jì)算機(jī)

中心計(jì)算機(jī)上安裝有系統(tǒng)管理軟件與數(shù)據(jù)接收模塊，可以實(shí)現(xiàn)對多個監(jiān)測井的基本信息設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收與入庫、水位過程線的自動繪制以及遠(yuǎn)程監(jiān)控，數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測資料能以Excel格式輸出，便于整編與分析。

四、系統(tǒng)的安裝

首先確定傳感器埋深。根據(jù)寶應(yīng)站觀測資料可知該井最大水位埋深約2m，為確保觀測到最低水位，結(jié)合系統(tǒng)自身情況，最終確定傳感器埋深為9.15m。傳感器通過線纜直接懸掛在水面以下。

數(shù)據(jù)傳輸裝置安裝在觀測井旁，采用1.5V電池供電?，F(xiàn)場設(shè)定傳感器埋深、SIM卡號、自動監(jiān)測頻率、自動傳輸頻率、傳感器電壓報警值、通訊電壓報警值等參數(shù)。

安裝完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使自動監(jiān)測水位與人工觀測水位一致。

中心計(jì)算機(jī)設(shè)在距離監(jiān)測井100km處的揚(yáng)州水文局內(nèi)，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)接收模塊、SIM卡和系統(tǒng)管理軟件。

五、系統(tǒng)的使用

系統(tǒng)自動記錄每天早、晚八點(diǎn)的水位、水溫等數(shù)據(jù)，并于每天早八點(diǎn)后將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)上。中心計(jì)算機(jī)將接收到得監(jiān)測數(shù)據(jù)存入原始數(shù)據(jù)庫，并自動繪制水位過程線。

通過接收的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以了解傳感器工作是否正常、電池是否需要更換、通訊信號是否良好等信息，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

定期將數(shù)據(jù)庫中觀測資料以Excel格式輸出備份。

自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行期間沒有進(jìn)行調(diào)整。為了解系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，從2009年4月1日開始，每月1日、6日、11日、16日、21日和26日用測繩人工觀測水位。

六、誤差來源

寶應(yīng)站地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)的誤差來源有系統(tǒng)自身的誤差、外界條件變化引起的誤差和系統(tǒng)安置不當(dāng)造成的誤差。

1.系統(tǒng)自身的誤差

主要由傳感器靈敏度漂移、溫度漂移、輸出漂移和計(jì)時誤差等引起的。隨著制作材料品質(zhì)的提高和制造工藝的進(jìn)步，通過有效的補(bǔ)償措施，傳感器自身的誤差已能得到很好地控制。

2.外界條件變化引起的誤差

主要由溫度、大氣壓等變化引起的。由于熱脹冷縮作用，溫度變化會引起懸掛傳感器的線纜發(fā)生伸縮，從而引起水位測量誤差。對于該監(jiān)測井來說，水位埋深較淺，水溫變化較小，浸泡在水中的線纜伸縮量很小；暴露在空氣中的線纜較短，由溫度變化引起的伸縮量也很小。

根據(jù)資料可知，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101325Pa，相當(dāng)于10.336m高水柱，每百帕大氣壓的變化會引起0.01m水柱的變化。根據(jù)寶應(yīng)氣象站觀測資料，4～10月人工觀測水位時刻大氣壓的差值最大為32百帕，換算成水柱為0.32m。而系統(tǒng)計(jì)算水位時采用的是預(yù)置大氣壓，該值與實(shí)際大氣壓可能不符，這就會引起水位測量誤差。而大氣壓變化是隨機(jī)的，變化又比較劇烈，可以說大氣壓變化是系統(tǒng)水位測量誤差的主要來源之一。

3.安裝不當(dāng)引起的誤差

主要由供電不穩(wěn)、傳感器安置不當(dāng)?shù)仍斐傻?。若電源與系統(tǒng)連接不牢固，會使傳感器供電不穩(wěn)，引起傳感器靈敏度漂移，也會影響數(shù)據(jù)信號的輸出，從而引起水位測量誤差。懸掛傳感器的線纜在安裝初期存在彎曲，隨著時間推移逐漸變直，這一過程會引起傳感器埋深發(fā)生變化。而系統(tǒng)計(jì)算水位時采用的是預(yù)置傳感器埋深，該值與傳感器實(shí)際埋深可能不符，這就導(dǎo)致系統(tǒng)水位測量誤差。并且線纜越長對測量水位的影響就越大，這也是系統(tǒng)水位測量誤差的主要來源之一。

七、水位分析

本文采用4～10月的自動監(jiān)測水位與人工觀測水位進(jìn)行對比分析，并認(rèn)為人工觀測水位精度穩(wěn)定。

1.對比分析

圖1為自動監(jiān)測水位與人工觀測水位過程線對比圖?？梢妰蓷l過程線變化基本一致；自動監(jiān)測水位低于人工觀測水位；兩水位差值變化不定，初次觀測差值最小。

（1）兩條水位過程線變化一致說明自動監(jiān)測系統(tǒng)可以反映該井地下水位的變化過程，系統(tǒng)是可行的。

（2）自動監(jiān)測水位低于人工觀測水位主要由傳感器安置不當(dāng)造成的。安裝傳感器時首先量取線纜的長度為預(yù)置傳感器埋深，然后用線纜將傳感器懸掛在監(jiān)測井內(nèi)。初期由于線纜存在彎曲，傳感器的實(shí)際埋深比系統(tǒng)中預(yù)置埋深小，隨著線纜逐漸變直，傳感器的實(shí)際埋深逐漸增大并接近系統(tǒng)中預(yù)置的傳感器埋深。

自動監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算水位Z自的公式如下：

Z自=H地-S感+P感-P置-Δ水

式中H地為地面高程，S感為預(yù)置傳感器埋深，P感為傳感器壓強(qiáng)，P置為系統(tǒng)預(yù)置大氣壓，Δ水為水位埋深校正量。

計(jì)算水位時，H地、S感、P置和 Δ水是系統(tǒng)中設(shè)定值，P感是實(shí)測值。在不考慮大氣壓引起誤差的前提下，因?yàn)閰⒓佑?jì)算的傳感器埋深S感比實(shí)際埋深大，所以計(jì)算所得水位數(shù)值偏??；又因?yàn)榘惭b系統(tǒng)時把自動監(jiān)測水位與人工觀測水位調(diào)整為一致，所以系統(tǒng)計(jì)算所得水位比人工觀測水位要低。

（3）自動監(jiān)測水位主要受大氣壓變化與傳感器埋深變化的影響。安裝系統(tǒng)時把自動監(jiān)測水位與人工觀測水位調(diào)整為一致，此時兩水位差值最??；經(jīng)過一段時間后，傳感器埋深趨于穩(wěn)定，兩水位間就存在一個比較固定的差值。而大氣壓變化引起的水位誤差變化不定，這就使得兩水位差值變化不定。

2.誤差修正

由上文分析可知，寶應(yīng)站地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)測量水位主要有大氣壓變化引起的偶然誤差和傳感器埋深變化引起的系統(tǒng)誤差。

（1）偶然誤差的修正

修正大氣壓變化引起的水位誤差可用寶應(yīng)氣象站實(shí)測大氣壓P測代替系統(tǒng)中預(yù)置大氣壓P置進(jìn)行水位計(jì)算。設(shè)ΔP為P測與P置的差值，則有：

Z偶可視為修正偶然誤差后的地下水位。

（2）系統(tǒng)誤差的修正

傳感器埋深在經(jīng)過一段時間后才趨于穩(wěn)定，所以取5～10月人工觀測水位Z人與Z偶的差值計(jì)算中誤差，為0.21m。

此值可視為接近自動監(jiān)測水位的系統(tǒng)誤差，則有：

Z系=Z自+0.21

Z系可視為修正系統(tǒng)誤差后的地下水位。

（3）修正效果

寶應(yīng)站地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)水位誤差修正公式為：

Z修=Z自－ΔP+0.21

Z修為經(jīng)過誤差修正后的水位，計(jì)算人工觀測水位與該水位的差值Δ，見表1。

表中

式中Z真為水位真值，Δ人為Z人的總誤差，Δ修為Z修的總誤差。

根據(jù)《地下水監(jiān)測規(guī)范》（SL183-2005）中“組建系統(tǒng)應(yīng)選用3級以上設(shè)備”的規(guī)定，本文取2級水位計(jì)觀測水位允許誤差±0.02m為Δ修，人工觀測水位誤差Δ人為±0.02m，根據(jù)協(xié)方差傳播律可得：

表1 人工觀測水位與修正水位差值

此值即為規(guī)范允許的人工觀測水位與自動監(jiān)測水位差值。

參照《水文資料整編規(guī)范》（SL247-1999），對人工觀測水位與修正后的自動監(jiān)測水位進(jìn)行符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)，全部通過，人工觀測水位與修正后的自動監(jiān)測水位置信水平95%的隨機(jī)不確定度為±0.03m，精度符合規(guī)范要求。

所以寶應(yīng)站地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測水位經(jīng)誤差修正后，可以代替人工觀測水位。

八、經(jīng)驗(yàn)

1.系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）具有功耗小、內(nèi)存大和遠(yuǎn)程監(jiān)控等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站無人值守。

（2）運(yùn)行穩(wěn)定。寶應(yīng)站自動監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行至今未出現(xiàn)故障。

（3）兼容性好?？梢詳U(kuò)展PH值、溶解氧等數(shù)據(jù)的采集，可以與其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。

（4）運(yùn)行費(fèi)用低。

（5）安裝方便。

2.系統(tǒng)缺點(diǎn)

（1）沒有大氣壓消除裝置，監(jiān)測水位可能出現(xiàn)較大誤差。

（2）對地面積水情況不能準(zhǔn)確處理，需要后期人工干預(yù)。

（3）采用定時SMS通信，未能實(shí)現(xiàn)隨機(jī)查詢。

3.改進(jìn)措施

（1）用熱脹冷縮系數(shù)小的繩索代替懸掛傳感器的線纜，減小傳感器埋深變化引起的誤差。

（2）采取消除大氣壓影響的措施，減小大氣壓變化引起的誤差。

（3）定時人工校測調(diào)整自動觀測系統(tǒng)，保持觀測水位一定的精度