一孔多层监测井中地下水分层监测系统开发

张 磊, 任妹娟, 何计彬, 张建伟, 冯建华

(中国地质调查局 a.水文地质环境地质调查中心; b.自然资源部地质环境监测工程技术创新中心, 河北 保定 071051)

地下水一孔多层监测是指在目标监测区域内, 仅钻探一眼钻孔, 通过分层填砾料和止水, 将钻孔中分布的多个目标监测层逐级有效隔开, 满足可分层监测、 取样, 最终实现在同一眼钻孔中获得多地层水文地质数据。一孔多层监测井是针对传统监测井的不足而设计的, 相较于传统监测井, 其最大创新点为在一眼钻孔内实现对多个目标含水层的监测， 其基本特征是通过一根独立的具有多通道或阀门的管道在一个钻孔中实现地下水的分层监测和采样, 即通过单孔实现多个地下水含水层的监测和采样, 以Waterloo多层监测系统、 Westbay多层监测系统、 连续多通道(CMT) 多层监测系统最具代表性[1]。CMT监测井成井工艺简单、 施工成本较低, 比较符合中国现阶段水文钻探的技术水平, 适合在国内推广和应用[2]。CMT多层监测系统由Waterloo大学的在校研究生Murray Einarson发明, 随后授权Solinst公司在全球范围内生产和销售CMT系统, 该系统采用连续方式挤出的带有7个通道的高密度聚乙烯管, 可监测7个目的层, 具有无接头、 环保清洁、 成井工艺简单、 填砾和止水方便、 施工成本相对较低的特点[3-4]。

在地下水分层监测方面, 地下水监测井正在朝着小直径方向发展, 如连续多通道管分层监测井通道通径最大为31 mm, 对于小直径的分层监测井, 特别是地下水埋深较大的小直径监测井, 尚无可满足其监测的专用仪器。目前， 监测仪器多为一台仪器对应一路传感器， 这样一来, 如果一孔多层监测井的监测层数为多层, 就需要在一个监测井中放入多套仪器。很显然, 这种监测方式成本高, 安装过程及日后维护工作繁琐复杂。分层监测井使用, 不但增加了监测成本, 而且如果监测仪器内部的时钟不统一, 还会使测量结果混乱, 影响了分层监测数据的协调和统一。针对目前一孔多层监测井地下水的监测现状, 开展地下水分层监测与集中数据传输设备开发, 研发了一套适合于一孔多层监测井狭小空间监测要求的地下水分层自动监测技术, 在功能和性能上达到了国外同类产品的水平， 其工作方式灵活、 维护方便, 具有明显的优势。

1 系统整体介绍

结合一孔多层监测井的实际要求, 以分层监测的整机结构、 多层信息的自动获取、 多通道数据的远程传输、 监测设备的终端管理技术研究为主要核心内容, 同时通过场地实验进行监测技术和设备的验证, 根据实验结果对仪器设备进行优化完善。整体监测系统为分层自动监测系统， 由专用的复合式传感器、 自动采集与实时传输设备、终端管理平台等部分组成。实现了满足一孔多层监测井要求的分层自动监测传感器与多通道自动识别的全自动无人值守的低功耗控制的数据传输设备。采用“一主多从”的工作模式, 可分时分址自动解析地将集中数据传输至终端信息平台， 其地下水分层监测系统整体结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

2 监测系统硬件组成

2.1 地下水监测数据采集部分

地下水监测数据采集部分的功能为数据的采集和处理。由于受到一孔多层监测井所用的CMT多通道管孔直径限制, 为了保证前端传感器探头能够正常进入目标位置, 同时保证数据的可靠性和精确度, 现场采集部分充分利用成熟的地下水动态的数据采集技术(荷兰斯伦贝谢公司生产的micro diver水位计产品)。分层监测数据采集传感器直径小, 只有18 mm, 完全符合连续多通道分层监测井的监测要求。通过复合式传感器接口部件的设计开发, 实现了全程自动工作, 设定时间启动采集数据功能。本系统为每一层位的地下水配置了1个水位传感器, 实现分层监测井监测数据的获取。将多个传感器探头放置在地下水中(目前设计最多7个通道接口), 组成复合式的传感器探头, 其与监测主机设计构成分体结构形式, 并考虑将连接接口设计成通用方式方便系统扩展功能。

2.2 多通道数据通讯模式

根据micro diver水位计基于非Modbus协议通讯模式, 开发数据通讯接口电路。连接非Modbus协议的分层监测通讯主机。非Modbus协议研发的水位计不支持地址码寻址, 所以需要单独为总线上的水位计设计独立的控制与通讯接口电路, 利用配置软件将每个从机的控制中心定义成不同的地址, 配合编制好主-从机通讯协议, 主机发送带有地址码的协议帧至通讯总线, 每个从机接收后与自身的地址进行对比, 地址符合时从机的控制核心启动通讯接口与水位计通讯, 并将获取的数据通过协议封装成数据包返回至主机; 地址不符的从机对主机发来的协议帧不作回应。图2为非Modbus协议类分层监测通讯主机与水位计连接原理框图。

图2 通讯主机与水位计连接原理框图

2.3 数据传输通讯主机

数据传输通讯主机是整个地下水分层监测系统信息来源, 其设计是整个系统的关键, 由于其分布较分散, 需要长期工作在无人值守的环境中, 因此其低功耗和高可靠性尤为重要[5]。

2.3.1 数据传输通讯主机功能 通讯主机主要包括定时启动、 环境大气压的采集与数据传输等工作程序。由于采用的是绝压型的压力传感器, 需要与水位探头的工作频率一致, 同时采集环境大气压需进行校正以消除大气压力的影响。虽然是多个水位探头的数据, 但是只需要采集一个气压数据, 然后与多个水位计一一进行匹配从而完成对采集数据的校正。当数据传输装置到达设定时间, 时钟模块在触发数据传输装置启动的同时, 一并唤醒井下的水位探头, 保证了上下两部分系统的协同统一。本监测系统将井下水位探头采集的数据和传输装置采集到的数据按照监测的目标层位打包为一个整体, 传送到数据库服务器。数据发送完毕, 数据传输装置和井下设备进入休眠状态, 避免消耗不必要的电量。根据地下水监测的特点， 数据采用短信无线传输的方式， 整体硬件电路原理框图如图3所示。

2.3.2 微处理器的选择 采用德州仪器公司MSP430系列单片机作为主控制核心, 该系列微控制器专门针对微功耗系统应用设计, 芯片内集成多种智能外部设备，资源丰富、 集成度高, 可以最大程度地简化监测方案, 能够满足数据传输终端对体积机功耗的需求。在设计上主要突出了控制功能, 调整了接口配置, 使整个系统的效率和可靠性大为提高， 同时, 实现多通道和分布式控制。多通道数据采集仪器采用标准数据接口, 在现场通过与计算机或移动存储介质直连完成监测数据的采集和监测参数的设置， 将设计自动采集仪器与传输设备有效地融合为一体, 实现监测数据的自动采集、 存储、 传输与全自动无人值守控制。

2.3.3 通讯接口 主控制核心为通讯主机的核心器件, 负责整个系统的定时采样、 数据处理、 外围通讯以及短信收发等功能有序地进行。该控制器需具备以下几个基本通讯接口, 如表1所示。

表1 通讯接口介绍

2.3.4 降低功耗措施 在野外实际应用中, 降低系统功耗的措施是非常有必要的。在本系统的设计中降低功耗的措施主要有: 1)应用MSP430超低功耗系列微控制器用于整套监测系统的控制设计中; 2)对系统的电源模块进行优化控制, 将用电量降至最低[6]; 3)对数据的采集与传输方式进行完善, 数据采集和传输更加合理高效, 避免不必要的电量损耗。

3 软件设计

硬件控制软件运行于通讯仪器的微控制器中, 负责协调微控制器的各个功能外设以及构成整个通讯仪器的功能模块间的信息交互以及逻辑控制等操作。采用C语言编写通讯主机的控制软件, 该控制程序主要协调上位机与通讯主机的微控制器之间的信息沟通, 解译上位机管理软件发出的命令以及各种参数, 并将通讯主机作出的各种响应整合成通讯包按照规定的协议规则发送至上位机。该控制软件采用“模块化编程”为指导思想, 整体软件方案被划分为不同的功能模块, 方便后续的功能升级以及代码维护[7]。硬件主控制程序流程如图4所示。

图4 主控程序流程图

4 野外应用

在三江平原农田区选择某多通道监测井进行野外试验应用。利用现有的覆盖域广的手机通信网络实现任意距离的无线数据采集工作, 可靠、 方便, 省去了组网的步骤[8]。多通道监测井钻孔包含5个含水层。对该钻孔开展分层洗井和分层抽水试验工作后, 部署了地下水分层监测仪器, 获取大量的监测数据, 由于地下水的温度相对稳定, 波动幅度很小, 因此本文主要对水位的动态变化进行研究, 监测数据曲线如图5所示, 其中监测曲线HMT-K10-1—5分别代表的是含水层1～5。三江平原农田区以大气降水入渗为主要补给源, 径流、 蒸发和人工开采为主要排泄途径的地下水系统, 受人为和降雨双重因素影响。降雨主要集中在6—9月, 占降雨总量的80%以上。通过得到的地下水位监测数据结合地下水开采情况, 多个含水层的水位监测曲线的变化趋势相同, 在人为和降雨双重影响下, 表现出在年内丰水期为低水位, 枯水期为高水位的地下水位动态变化特征, 即11月—次年4月为地下水的枯水期, 地下水水位为一年中的高值期; 5—8月进入稻田的泡田期与灌溉期, 开始大量开采地下水, 造成水位迅速下降, 地下水位进入了年内的最低值, 并处于降雨和人工开采影响下的平衡状态; 9—10月地下水水位逐步回升。通过监测曲线可知, 含水层1(HMT-K10-1)与含水层2(HMT-K10-2)、 含水层4(HMT-K10-4)与含水层5(HMT-K10-5)的监测曲线基本重合。含水层1与含水层2之间是2.3 m厚的粘土层, 含水层4与含水层5之间是2.2 m厚的泥岩层, 含水层间有贯通现象的发生, 造成了水位变化趋势一致。含水层4与含水层5监测数据也反映出受开采地下水进行灌溉作业的影响, 出现每隔一段时间水位埋深降幅较大的现象。

图5 水位动态变化监测曲线

5 结束语

研发了一套适于CMT连续多通道狭小空间分层连续监测技术方法, 研制了满足一孔多层监测井要求的分层自动监测传感器与多通道自识别的全自动无人值守的低功耗控制传输设备。以地下水分层监测技术和设备分层刻画, 自动化代替手工, 支撑示范区多层地下水数据精细分析、 地下水演化规律深入研究、 水文地质参数的真实获取, 提高精度, 提升效率。应用一年多来整体工作状态良好, 仪器整体功耗很低， 所用的一号碱性南孚电池也未曾更换； 但在野外试验运行中发现每次监测应该同时收到5个通道的数据, 偶尔会有数据丢失的情况出现, 是移动通信的原因造成数据丢失或是仪器自身故障没有将数据发出, 还需要进一步研究验证。因为需发送多条数据, 尤其是碰到信号质量不佳的情况, 电池相对损耗较快, 今后可考虑供电电源更换为高容量的锂电池。