周口市土壤墒情地下水自动监测系统建设施工技术探讨

□张铁印 （河南省周口水文水资源勘测局）

在国民经济快速发展的同时，也隐藏着水资源紧缺制约经济发展这一重大问题。河南省是产粮大省，粮食安全已上升到国家安全的战略高度，近几年，干旱天气频繁发生，而与抗旱保丰收紧密相关的地下水和土壤墒情监测明显滞后，其落后的监测手段已不能适应形势发展的需要，因此，建立土壤墒情地下水自动监测系统取代人工观测很有必要。建成后，能及时准确、全面掌握土壤墒情和地下水位变化动态，为合理开发利用地下水资源、指导农业生产提供科学依据。

一、水资源概况

周口市多年平均降水量为772.5mm，水资源量23.1×108m3。其中地表水资源量10.8×108m3，地下水资源量14.3×108m3（重复计算量为2×108m3），人均占有水资源量211.9m3，耕地亩均占有水资源量178.8m3；水资源量约占全省水资源总量的6%，为水资源较匮乏地区。周口市多年地下水平均埋深2～4m，浅井单井出水量一般在每小时50m3左右。

二、地下水、土壤墒情监测现状

周口市现有地下水监测井148眼，人工观测，频次为逐日观测或每月1、6、11、16、21、26日观测,主要测量工具为测绳，各县、市、区水利局负责管理与观测工作，周口市水务局、河南省周口水文水资源勘测局负责资料收集、整编汇编、刊印与发布等工作。由于观测经费偏低，长期投入不足等原因，造成部分地下水监测井淤积，观测人员不稳定、责任心不强等情况，因此地下水监测工作时断时续，监测资料代表性差。全市现有土壤墒情监测站9处，人工取样测验，每月监测3次，测验过程较长，时效性差。

三、项目来源及目的意义

近年来，干旱天气频繁发生，2008、2009年冬春和2010、2011年冬春的干旱天气都超过110d，全省小麦产量受到严重影响；随着经济社会的快速发展，土壤墒情地下水位信息采集与传输明显不能适应形势发展的需要。为此，省委省政府委托水利厅实施《河南省土壤墒情地下水自动监测系统一期工程建设》。至2010年底，已建成1个省中心、9个地市级分中心和198处土壤墒情地下水自动监测站，并投入试运行。周口市共建成分中心1处，土壤墒情地下水自动监测站54处。项目的建成，实现了土壤墒情地下水位信息的自动采集和传输、远程召测和异地会商，土壤墒情地下水监测的时效性、可靠性以及信息量都有较大提高，为各级领导正确指导农业抗旱、确保全省粮食稳产丰收具有十分重要的意义。

四、站网布设及站址选择

（一）站网布设

以基本均匀为布设原则，确保客观真实反映全市地下水位、土壤墒情平均水平。

（二）站址选择基本要求

一是宜选择大块农田，今后或至少5年内不被非农业生产占用；二是远离高大树木，与建筑物距离不少于50m；三是远离坑塘河流等水体，与灌溉机井距离不少于30m；四是站址地块平整，雨后无积水；五是交通便利，易于施工和管理。

五、土建工程

土建工程包括：成井技术、井台预制与埋置、附属设施施工3方面内容。

（一）成井技术

1.钻井工艺

本次地下水监测井属于管井，设计井深35m。钻井施工首先要在给定的区域选定井位，然后进行钻探作业。周口市由于是平原区，基本都可以在设计深度找到水源，因此成井对水文地质条件要求不高。钻探时必须对岩层进行采样留存，并详细记录，以了解含水层岩性及颗粒组成，为全面评价含水层特征、校正井管设计方案提供依据。

2.过滤器结构及安装

本次选用缠丝过滤器，即圆孔状垫筋、缠丝、包网式。表层孔隙率15%至25%。施工中，过滤器安装位置的上下偏差不得超过30cm。

3.井管结构及安装

井管分别由井壁管、过滤管和沉淀管组成。本次采用混凝土井管，内径30cm，外径36cm，每节长度0.8～1.0m，质量标准按照《混凝土和钢筋混凝土井管标准》（SL/T154-95）执行。

井管安装前要稀释泥浆和清除井底沉渣，要按照钻孔取得的实际地层资料校正井管设计，安装时要及时矫正井管，防止倾斜和错位。

4.滤料要求及填充

按照《机井技术规范》（SL256—2000）的要求，滤料选择质地坚硬，大小均匀，形状圆滑，粒径在3～5mm之间的新鲜石英砂，采用动水投入法围填。施工中，由于监测井设计有高1.1m、重800kg的圆筒形井台保护监测设备，因此滤料按要求填充压实后，滤料上部至井口段应选用碎石填充并压实，防止雨季沉陷导致井台倾斜或下沉，进而损坏井台内的监测设备。

5.井管外部封闭

井口周围可用一般粘土夯实，厚度≥20cm。对于松散易于沉陷的地块，可夯实后用混凝土硬化，厚度≥20cm。

6.洗井和抽水试验

结构安装完成后，应进行洗井和抽水试验。以增大滤水管周围的渗透能力和进水能力，从而使监测井能够得到最大的出水量，保证水位监测值的代表性和灵敏性。

（二）井台预制与埋置

1.井台分护管和盖板两部分，二者以标准内六方螺栓连接。

2.护管高110cm，内径70cm，外径90cm，配置防护筋。预制时，在护管顶面两侧对称位置预埋2个内径为22mm的标准螺母，螺母上端与护管顶面平齐；在护管上部预留4个透气孔，以便通风干燥。

3.盖板直径100cm，厚度10cm，配置防护筋。预制时，预留2个与护管上螺母位置相应的螺栓穿接孔，螺栓应与护管上的螺母相配套，并预埋2个钢筋环形套，以便工作人员打开盖板。

4.埋置时，井台埋入地面下30cm，内用混凝土灌注与井口齐并抹平，预埋地下水自动监测仪支架并整平，预埋穿线管1个。

（三）附属设施施工

1.电杆埋设

本次采用标准8m空心钢筋混凝土电杆2根，靠近监测井一侧，沿农田耕作方向或垂直方向埋设，间距1.4m，埋深1.5m。埋前在电杆下端1.2m和6.0m处各打一个20mm的圆孔，两孔在同一侧同一垂线上；埋设时将电杆上下两孔分别相对，埋后夯实，确保电杆垂直竖立坚固牢靠。

2.金属横担与设备框

金属横担采用长1.8m，∠40×40×4镀锌角钢2根，施工时，将金属横担用螺栓固定在两电杆上离地面4m处。金属横担上固定设备框，设备框采用不锈钢焊接，规格为：1.1m×0.6m×0.6m,设备框上一面挂XXX土壤墒情地下水监测站牌，一面挂警示标识牌。

3.防雷接地体布设

本次防雷接地体装置采用一字形地网，垂直接地体采用3根长1.5m，∠50×50×5镀锌角钢，角钢一端切割成尖状，便于打入地下，垂直接地体间距为3m；水平接地体采用1根长6m，50×5型镀锌扁钢。水平接地体与垂直接地体在地面以下0.8m处以不锈钢螺栓紧固，其两端留有接线孔。埋设后，用摇表测量其接地电阻值不得大于5Ω。

六、信息采集、传输与设备安装

地下水位信息采集采用浮子式水位传感器，土壤墒情信息采集采用土壤水分传感器；信息数据传输是通过通讯设备实现的，通讯设备配置包括数据采集终端、通信模块、供电设备、避雷针及下杆线、野外防锈设备箱等。

施工时，浮子式水位传感器安装在井台内预埋的支架上，土壤水分传感器3个一组埋设在监测井一侧选定的地块上，埋深分别为10cm、20cm、40cm；避雷针固定在电杆顶端，最高点应比天线高出2m以上；将数据采集终端、通信模块等固定在野外防锈设备箱内，将野外防锈设备箱固定在电杆横担上的设备框内；太阳能电池板向阳安装在电杆上部；传感器线缆、避雷针下杆线等通过电杆上的预留孔穿入电杆内进行上下连接，起到保护作用。

七、水准点设置与高程测量

按国家四等水准点设置标准设立水准点，水准点埋设应在地面以下60cm处，并做好详细记录，便于今后查找。水准点埋设稳定后，从三等水准点以不低于三等水准的标准对其高程进行引测，进而测定监测井井口高程。

八、观测场地保护设置

为了保护监测设备不被破坏，观测场四周应设立防护网。一般监测站观测场1.5m×2.5m，防护网高1m，四周用4根长2m、10cm×10cm钢筋混凝土柱支撑，将该柱埋入地下80cm，四周用铁丝网或刺丝围起来。设立的防护网应将电杆、监测井和土壤水分传感器围在其中。

施工实践中，可先将钢筋混凝土柱预制好，地上部分刷以长10cm红白相间的外墙漆，埋设时做到垂直竖立，间距方正，工程结束后，再将铁丝网或刺丝围上。这样做一方面不影响仪器安装，另一方面混凝土柱经过沉降不易倾斜，可保证防护网整体美观。

九、结语

在地下水土壤墒情自动监测系统建设中，成井工艺是关键环节。地下水监测井不同于普通的灌溉井，要防止雨后沉降造成井台倾斜或下沉，因此工程监理人员要及时深入工地，加强监督指导，尤其监督滤料填充要按要求足额到位、滤料上部到井口段要用碎石填充并压实，防止偷工减料或用粘土填充给工程留下隐患。