地下水位自动监测系统在宝应站的应用及误差分析

王亚宾 尹景伟

一、引言

地下水是水资源的重要组成部分，在支持社会经济发展、维护生态平衡等方面发挥着重要作用。随着社会经济快速发展，对地下水监测的要求越来越高，地下监测必然向自动化方向发展，目前江苏省正在建设的水资源管理信息系统也将地下水自动监测作为重要建设目标。

二、宝应地下水监测站

宝应地下水监测站是国家级水位基本监测站，位于扬州市宝应县境内。根据该站最近十年观测资料统计，地下水位最高3.65m（地面积水除外），最低1.98m。该井地下水属潜水，含沙量低、水位变化较慢，适合压力式地下水位计的安装，2009年3月24日该井安装一套地下水位自动监测系统。

三、地下水位自动监测系统

宝应站地下水位自动监测系统的主要参数：

埋深范围：0～10m

水位变幅：0～10m

分辨力：0.1cm

准确度：优于±0.02m

水位变率：最大不低于40cm/min

工作温度：-20℃～80℃

系统由数据采集器、数据传输装置和中心计算机三部分组成，集成了水位、水温等数据的采集、存储、传输、入库和远程监控等功能。

1.数据采集器

该部分包括传感器和数据存储器。传感器采用固态压阻式元件，通过测量水下某固定点的静水压力，测得这点以上的水柱高度，由此获得水位。传感器直径3cm，长26cm，通过线缆悬挂在水面以下。数据存储器采用大容量静态RAM作为存储媒介，可以按照设定的频率定时采集数据。

2.数据传输装置

通过该装置可以按照设定的时间把监测数据以SMS形式通过中国移动网络发送到中心计算机，数据可以长时间保存在短消息服务中心或接收终端。

3.中心计算机

中心计算机上安装有系统管理软件与数据接收模块，可以实现对多个监测井的基本信息设置、监测数据的接收与入库、水位过程线的自动绘制以及远程监控，数据库中的监测资料能以Excel格式输出，便于整编与分析。

四、系统的安装

首先确定传感器埋深。根据宝应站观测资料可知该井最大水位埋深约2m，为确保观测到最低水位，结合系统自身情况，最终确定传感器埋深为9.15m。传感器通过线缆直接悬挂在水面以下。

数据传输装置安装在观测井旁，采用1.5V电池供电。现场设定传感器埋深、SIM卡号、自动监测频率、自动传输频率、传感器电压报警值、通讯电压报警值等参数。

安装完成后，对系统进行调试，使自动监测水位与人工观测水位一致。

中心计算机设在距离监测井100km处的扬州水文局内，在计算机上安装数据接收模块、SIM卡和系统管理软件。

五、系统的使用

系统自动记录每天早、晚八点的水位、水温等数据，并于每天早八点后将数据发送到中心计算机上。中心计算机将接收到得监测数据存入原始数据库，并自动绘制水位过程线。

通过接收的监测数据可以了解传感器工作是否正常、电池是否需要更换、通讯信号是否良好等信息，实现了对系统的远程监控。

定期将数据库中观测资料以Excel格式输出备份。

自动监测系统运行期间没有进行调整。为了解系统运行的稳定性与准确性，从2009年4月1日开始，每月1日、6日、11日、16日、21日和26日用测绳人工观测水位。

六、误差来源

宝应站地下水位自动监测系统的误差来源有系统自身的误差、外界条件变化引起的误差和系统安置不当造成的误差。

1.系统自身的误差

主要由传感器灵敏度漂移、温度漂移、输出漂移和计时误差等引起的。随着制作材料品质的提高和制造工艺的进步，通过有效的补偿措施，传感器自身的误差已能得到很好地控制。

2.外界条件变化引起的误差

主要由温度、大气压等变化引起的。由于热胀冷缩作用，温度变化会引起悬挂传感器的线缆发生伸缩，从而引起水位测量误差。对于该监测井来说，水位埋深较浅，水温变化较小，浸泡在水中的线缆伸缩量很小；暴露在空气中的线缆较短，由温度变化引起的伸缩量也很小。

根据资料可知，一个标准大气压为101325Pa，相当于10.336m高水柱，每百帕大气压的变化会引起0.01m水柱的变化。根据宝应气象站观测资料，4～10月人工观测水位时刻大气压的差值最大为32百帕，换算成水柱为0.32m。而系统计算水位时采用的是预置大气压，该值与实际大气压可能不符，这就会引起水位测量误差。而大气压变化是随机的，变化又比较剧烈，可以说大气压变化是系统水位测量误差的主要来源之一。

3.安装不当引起的误差

主要由供电不稳、传感器安置不当等造成的。若电源与系统连接不牢固，会使传感器供电不稳，引起传感器灵敏度漂移，也会影响数据信号的输出，从而引起水位测量误差。悬挂传感器的线缆在安装初期存在弯曲，随着时间推移逐渐变直，这一过程会引起传感器埋深发生变化。而系统计算水位时采用的是预置传感器埋深，该值与传感器实际埋深可能不符，这就导致系统水位测量误差。并且线缆越长对测量水位的影响就越大，这也是系统水位测量误差的主要来源之一。

七、水位分析

本文采用4～10月的自动监测水位与人工观测水位进行对比分析，并认为人工观测水位精度稳定。

1.对比分析

图1为自动监测水位与人工观测水位过程线对比图。可见两条过程线变化基本一致；自动监测水位低于人工观测水位；两水位差值变化不定，初次观测差值最小。

（1）两条水位过程线变化一致说明自动监测系统可以反映该井地下水位的变化过程，系统是可行的。

（2）自动监测水位低于人工观测水位主要由传感器安置不当造成的。安装传感器时首先量取线缆的长度为预置传感器埋深，然后用线缆将传感器悬挂在监测井内。初期由于线缆存在弯曲，传感器的实际埋深比系统中预置埋深小，随着线缆逐渐变直，传感器的实际埋深逐渐增大并接近系统中预置的传感器埋深。

自动监测系统计算水位Z自的公式如下：

Z自=H地-S感+P感-P置-Δ水

式中H地为地面高程，S感为预置传感器埋深，P感为传感器压强，P置为系统预置大气压，Δ水为水位埋深校正量。

计算水位时，H地、S感、P置和 Δ水是系统中设定值，P感是实测值。在不考虑大气压引起误差的前提下，因为参加计算的传感器埋深S感比实际埋深大，所以计算所得水位数值偏小；又因为安装系统时把自动监测水位与人工观测水位调整为一致，所以系统计算所得水位比人工观测水位要低。

（3）自动监测水位主要受大气压变化与传感器埋深变化的影响。安装系统时把自动监测水位与人工观测水位调整为一致，此时两水位差值最小；经过一段时间后，传感器埋深趋于稳定，两水位间就存在一个比较固定的差值。而大气压变化引起的水位误差变化不定，这就使得两水位差值变化不定。

2.误差修正

由上文分析可知，宝应站地下水位自动监测系统测量水位主要有大气压变化引起的偶然误差和传感器埋深变化引起的系统误差。

（1）偶然误差的修正

修正大气压变化引起的水位误差可用宝应气象站实测大气压P测代替系统中预置大气压P置进行水位计算。设ΔP为P测与P置的差值，则有：

Z偶可视为修正偶然误差后的地下水位。

（2）系统误差的修正

传感器埋深在经过一段时间后才趋于稳定，所以取5～10月人工观测水位Z人与Z偶的差值计算中误差，为0.21m。

此值可视为接近自动监测水位的系统误差，则有：

Z系=Z自+0.21

Z系可视为修正系统误差后的地下水位。

（3）修正效果

宝应站地下水位自动监测系统水位误差修正公式为：

Z修=Z自－ΔP+0.21

Z修为经过误差修正后的水位，计算人工观测水位与该水位的差值Δ，见表1。

表中

式中Z真为水位真值，Δ人为Z人的总误差，Δ修为Z修的总误差。

根据《地下水监测规范》（SL183-2005）中“组建系统应选用3级以上设备”的规定，本文取2级水位计观测水位允许误差±0.02m为Δ修，人工观测水位误差Δ人为±0.02m，根据协方差传播律可得：

表1 人工观测水位与修正水位差值

此值即为规范允许的人工观测水位与自动监测水位差值。

参照《水文资料整编规范》（SL247-1999），对人工观测水位与修正后的自动监测水位进行符号检验、适线检验和偏离检验，全部通过，人工观测水位与修正后的自动监测水位置信水平95%的随机不确定度为±0.03m，精度符合规范要求。

所以宝应站地下水位自动监测系统监测水位经误差修正后，可以代替人工观测水位。

八、经验

1.系统优点

（1）具有功耗小、内存大和远程监控等特点，可以实现监测站无人值守。

（2）运行稳定。宝应站自动监测系统运行至今未出现故障。

（3）兼容性好。可以扩展PH值、溶解氧等数据的采集，可以与其他系统联网。

（4）运行费用低。

（5）安装方便。

2.系统缺点

（1）没有大气压消除装置，监测水位可能出现较大误差。

（2）对地面积水情况不能准确处理，需要后期人工干预。

（3）采用定时SMS通信，未能实现随机查询。

3.改进措施

（1）用热胀冷缩系数小的绳索代替悬挂传感器的线缆，减小传感器埋深变化引起的误差。

（2）采取消除大气压影响的措施，减小大气压变化引起的误差。

（3）定时人工校测调整自动观测系统，保持观测水位一定的精度