地下水流向?流速原位在線監(jiān)測站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要

地下水流速流向是水文地質(zhì)勘察、地下水污染防控、地?zé)豳Y源開發(fā)、場地環(huán)境調(diào)查中最核心的水動(dòng)力參數(shù)。傳統(tǒng)抽水試驗(yàn)、多井示蹤試驗(yàn)成本高、周期長、難以實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)監(jiān)測，單點(diǎn)瞬時(shí)測量數(shù)據(jù)無法反映含水層動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。本文設(shè)計(jì)一套集井下探頭、地面主控單元、4G?LoRa無線傳輸、云平臺(tái)數(shù)據(jù)管理于一體的地下水流向流速自動(dòng)化監(jiān)測站，采用單井粒子光學(xué)示蹤測量原理，同步采集地下水流速、流向、水位、水溫、電導(dǎo)率多參數(shù)；詳細(xì)闡述監(jiān)測站硬件架構(gòu)、傳感器選型、井下防護(hù)工藝、數(shù)據(jù)解算算法、遠(yuǎn)程傳輸方案。通過現(xiàn)場工程試驗(yàn)驗(yàn)證，該監(jiān)測站可在松散孔隙含水層、基巖裂隙含水層、巖溶含水層實(shí)現(xiàn)原位、連續(xù)、無人值守監(jiān)測；測量流速范圍0.1?500?cm/d，流向測量精度±5°，系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性良好。研究成果可為地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、污染羽運(yùn)移預(yù)判、中深層地?zé)峋μ卣髟u(píng)價(jià)提供新型技術(shù)裝備支撐。

關(guān)鍵詞：地下水監(jiān)測站；地下水流向流速；原位監(jiān)測；粒子示蹤；無線傳輸；含水層；水動(dòng)力參數(shù)

1 引言

地下水作為我國重要戰(zhàn)略水資源，支撐城鄉(xiāng)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、地?zé)衢_發(fā)、生態(tài)基流補(bǔ)給。隨著工業(yè)化進(jìn)程加快，土壤地下水污染場地?cái)?shù)量逐年增多，地下水污染溯源、污染羽擴(kuò)散范圍預(yù)判、地下水修復(fù)工程效果評(píng)估都必須以精準(zhǔn)的地下水流速、流向數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)依據(jù)。傳統(tǒng)地下水流場獲取方式主要依靠區(qū)域水位等值線推求水力梯度，間接計(jì)算滲透流速。該方法屬于間接反演，受含水層非均質(zhì)性影響大，計(jì)算結(jié)果與真實(shí)地下水流向偏差較大，僅適用于大尺度區(qū)域概化分析。而熒光劑示蹤試驗(yàn)需要多口監(jiān)測井、投放示蹤材料，試驗(yàn)周期長、成本高昂，且不能長期連續(xù)觀測，無法捕捉雨季、回灌、抽水?dāng)_動(dòng)條件下地下水流場動(dòng)態(tài)變化。

近年來單井原位流速流向測量技術(shù)快速發(fā)展，相比于多井示蹤，單井監(jiān)測具有施工簡單、單井即可獲取流向流速、可長期監(jiān)測的突出優(yōu)勢。但目前國內(nèi)多數(shù)地下水流速流向設(shè)備以短期便攜式測量為主，缺少能夠野外長期放置、全天候無人值守、自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)的一體化監(jiān)測站成套裝備，設(shè)備耐水壓、抗井下泥沙干擾、長期穩(wěn)定性成為制約推廣應(yīng)用的技術(shù)短板。

基于以上行業(yè)痛點(diǎn)，本文研制一體化地下水流向?流速在線監(jiān)測站，從系統(tǒng)總體方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件算法、防護(hù)結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場試驗(yàn)等方面開展系統(tǒng)研究，探索一條地下水水動(dòng)力長期原位自動(dòng)化監(jiān)測的可行路徑。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

地下水流向?流速在線監(jiān)測站以單口監(jiān)測井為載體，實(shí)現(xiàn)含水層原位、長期、連續(xù)、多參數(shù)同步監(jiān)測；自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程無線上傳至云端管理平臺(tái)；支持超限預(yù)警、歷史曲線回放、流向矢量圖自動(dòng)生成，減少人工下井巡檢頻次，降低野外作業(yè)成本。監(jiān)測參數(shù)包含：地下水流速、地下水流向、地下水水位、水溫、電導(dǎo)率五項(xiàng)核心指標(biāo)。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

整套監(jiān)測站分為三層架構(gòu)：井下傳感探頭層、地面采集控制層、云端數(shù)據(jù)平臺(tái)層。

1）井下傳感探頭：下放至含水層濾水管段，內(nèi)置光學(xué)成像粒子示蹤模塊、電子羅盤、壓力水位傳感器、溫度?電導(dǎo)率傳感器；探頭外殼采用316L不銹鋼防腐耐壓殼體，線纜采用高強(qiáng)度防水鎧裝電纜。

2）地面主控采集箱：安裝于井口地面，內(nèi)含遙測終端RTU、工業(yè)電源模塊、太陽能供電系統(tǒng)、4G?LoRa通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、防雷保護(hù)單元。主控箱實(shí)時(shí)接收井下探頭傳回原始圖像與傳感數(shù)據(jù)，完成流速?流向解算。

3）云端管理平臺(tái)：接收監(jiān)測站上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可視化展示、報(bào)表導(dǎo)出、異常報(bào)警、遠(yuǎn)程參數(shù)配置。

3 硬件系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 井下流速流向探頭設(shè)計(jì)

探頭測量原理采用單井膠體粒子光學(xué)示蹤法，無需投放外部示蹤劑，直接觀測地下水中天然懸浮膠體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，連續(xù)抓拍序列圖像，通過圖像互相關(guān)算法追蹤粒子位移矢量，結(jié)合高精度電子羅盤校正磁偏角，最終解算出真實(shí)地下水流速與地理流向，避免傳統(tǒng)流量法、熱示蹤法受井內(nèi)環(huán)流干擾帶來的數(shù)據(jù)失真問題。

探頭技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)：流速測量范圍0.1?500?cm/d；流速精度±5%；流向測量范圍0?360°，流向精度±5°；耐壓等級(jí)≥3.0?MPa，適配最深300?m監(jiān)測井；工作溫度0?60?℃；外殼316L不銹鋼，防硫化氫、地下水腐蝕；鏡頭配置自清潔防刮鏡片，降低泥沙附著造成鏡頭污染。

3.2 多參數(shù)集成傳感器配置

為實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力?水環(huán)境同步監(jiān)測，探頭集成投入式水位變送器、鉑電阻溫度傳感器、四電極電導(dǎo)率傳感器。水位測量精度±0.5?cm，溫度精度±0.1?℃，電導(dǎo)率測量范圍0?20000?μS/cm。多傳感器與流速流向探頭集成一體，一次下放即可完成全部參數(shù)測量，減少多次下井對(duì)含水層流場的擾動(dòng)。

3.3 地面監(jiān)測站主控單元與供電方案

地面采集箱為戶外防水機(jī)柜，防護(hù)等級(jí)IP65。內(nèi)部核心為工業(yè)級(jí)RTU采集控制器，支持MODBUS?RTU通信協(xié)議，可設(shè)定采集間隔5?1440?min自由可調(diào)。野外無市電區(qū)域采用太陽能+鋰電池供電方案，配置100W太陽能光伏板、100Ah磷酸鐵鋰電池，陰雨天氣續(xù)航不低于30天；市區(qū)有市電點(diǎn)位可采用220V交流供電，雙供電模式提升監(jiān)測站野外適應(yīng)性。系統(tǒng)配備電源浪涌防雷模塊，降低雷雨天氣野外設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 鎧裝傳輸線纜與井口安裝結(jié)構(gòu)

井下探頭與地面主機(jī)之間采用耐水、抗拉鎧裝屏蔽電纜，根據(jù)井深配置50?300?m不同長度。井口配套密封法蘭、井管固定支架，防止探頭線纜滑落，同時(shí)隔絕地面雨水沿井管下滲，避免淺層地表水對(duì)目標(biāo)含水層監(jiān)測數(shù)據(jù)造成干擾。

4 監(jiān)測站軟件與數(shù)據(jù)解算系統(tǒng)

4.1 井下原始圖像預(yù)處理算法

探頭內(nèi)置高清攝像頭以固定時(shí)間間隔拍攝地下水內(nèi)部粒子圖像。原始井下圖像易受光照不均、懸浮泥沙遮擋、氣泡干擾，首先開展灰度校正、噪聲濾波、圖像增強(qiáng)預(yù)處理，消除井下成像環(huán)境帶來的圖像誤差。

4.2 粒子追蹤?流速流向解算模型

采用連續(xù)兩幀圖像互相關(guān)匹配算法，識(shí)別同一懸浮粒子在兩幅圖像中的位移矢量；根據(jù)已知采樣時(shí)間間隔計(jì)算水流運(yùn)動(dòng)速度；結(jié)合電子羅盤方位數(shù)據(jù)，將探頭坐標(biāo)系下的流向轉(zhuǎn)換為地理正北方向的真實(shí)流向，輸出以角度（0?360°）表示的流向數(shù)據(jù)。同時(shí)建立質(zhì)量控制規(guī)則，剔除粒子運(yùn)動(dòng)異常、井內(nèi)垂向環(huán)流造成的無效數(shù)據(jù)，提升監(jiān)測結(jié)果可靠性。

4.3 云端監(jiān)測平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

云平臺(tái)具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)查詢下載、地下水流向矢量時(shí)序圖、水位?流速耦合曲線、超標(biāo)預(yù)警推送、遠(yuǎn)程修改采集頻率等功能。平臺(tái)可導(dǎo)出Excel監(jiān)測報(bào)表，直接用于水文地質(zhì)報(bào)告編制、地下水?dāng)?shù)值模擬模型參數(shù)校準(zhǔn)。

5 現(xiàn)場工程試驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)場地概況

選取華北平原某淺層地下水污染調(diào)查場地開展現(xiàn)場試驗(yàn)，場地含水層為第四系松散孔隙含水層，監(jiān)測井深度85?m，濾水管段位于地下42?50?m，地下水埋深21.6?m。將地下水流速流向監(jiān)測站安裝于該監(jiān)測井，設(shè)置采樣間隔30分鐘，連續(xù)運(yùn)行45?d無人值守監(jiān)測。

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該場地淺層地下水平均流速為28.6?cm/d，主流向?yàn)?/span>135°（東南方向）；在周邊抽水井間歇性抽水影響時(shí)段，地下水流速出現(xiàn)短期增大、流向小幅偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，該動(dòng)態(tài)變化過程被監(jiān)測站完整捕捉。對(duì)比同期區(qū)域水位等值線推求流向結(jié)果，監(jiān)測站實(shí)測流向偏差小于7°，數(shù)據(jù)一致性良好。試驗(yàn)期間監(jiān)測站太陽能供電穩(wěn)定，井下探頭鏡頭泥沙附著輕微，驗(yàn)證整套監(jiān)測站野外長期運(yùn)行可靠性。

6 系統(tǒng)優(yōu)勢與現(xiàn)存不足分析

相比于傳統(tǒng)多井示蹤試驗(yàn)、便攜式流速流向儀，本一體化在線監(jiān)測站優(yōu)勢：①單井原位測量，無需投放示蹤劑，綠色無污染；②可長期連續(xù)監(jiān)測，捕捉地下水流場動(dòng)態(tài)變化；③多參數(shù)同步采集，實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力?水環(huán)境耦合監(jiān)測；④遠(yuǎn)程無線傳輸，野外無人值守，降低人工成本。

同時(shí)系統(tǒng)也存在局限性：對(duì)于極低流速含水層（<0.1?cm/d），天然懸浮粒子過少時(shí)成像識(shí)別難度增大；大顆粒泥沙含量高的巖溶涌水含水層，鏡頭自清潔能力有待進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)。后續(xù)可通過增加輔助微弱示蹤模塊、優(yōu)化高壓自清潔鏡頭結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化的性能。

7 結(jié)論

本文研發(fā)的地下水流向?流速一體化在線監(jiān)測站，基于光學(xué)粒子示蹤原理，集成水位水溫電導(dǎo)率多參數(shù)監(jiān)測、太陽能野外供電、4G無線云端傳輸，實(shí)現(xiàn)含水層地下水流場長期原位自動(dòng)化監(jiān)測。現(xiàn)場試驗(yàn)證明系統(tǒng)測量精度、穩(wěn)定性滿足水文地質(zhì)勘察、地下水污染監(jiān)測工程需求。該監(jiān)測站可填補(bǔ)地下水水動(dòng)力長期在線監(jiān)測裝備短板，在地下水污染場地調(diào)查修復(fù)、地?zé)豳Y源勘查、地下水超采治理、巖溶地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域具備廣闊推廣應(yīng)用前景。

地下水行業(yè)全套關(guān)鍵詞（分大類，論文、標(biāo)書、宣傳、視頻號(hào)均可直接使用）

一、核心主關(guān)鍵詞（論文標(biāo)題）

地下水監(jiān)測、地下水流速流向監(jiān)測、原位地下水監(jiān)測、地下水在線監(jiān)測、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測、地下水水動(dòng)力監(jiān)測、含水層監(jiān)測、地下水原位測量、地下水自動(dòng)監(jiān)測站、地下水長期監(jiān)測

二、技術(shù)?參數(shù)關(guān)鍵詞（硬件、設(shè)備、原理）

地下水流速、地下水流向、水位監(jiān)測、水溫監(jiān)測、電導(dǎo)率、pH值、溶解氧、氧化還原電位、濁度、粒子光學(xué)示蹤、單井流速流向、膠體粒子追蹤、圖像互相關(guān)算法、電子羅盤、磁偏角校正、鎧裝電纜、316L不銹鋼探頭、井下傳感器、RTU遙測終端、4G?LoRa無線傳輸、太陽能供電、云端監(jiān)測平臺(tái)、自清潔鏡頭、耐壓井下探頭、多參數(shù)一體化監(jiān)測

三、水文地質(zhì)?含水層關(guān)鍵詞

孔隙含水層、基巖裂隙含水層、巖溶含水層、潛水、承壓水、地下水埋深、水力梯度、滲透流速、地下水流場、地下水補(bǔ)給、地下水徑流、地下水排泄、地下水?dāng)?shù)值模擬、溶質(zhì)運(yùn)移、達(dá)西定律、含水層非均質(zhì)性、地下水污染羽、地下水示蹤試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)

四、應(yīng)用場景關(guān)鍵詞（工程方向）

地下水污染場地調(diào)查、地下水污染溯源、地下水修復(fù)、污染羽防控、地下水風(fēng)險(xiǎn)管控、土壤地下水調(diào)查、工業(yè)遺留場地、加油站地下水監(jiān)測、垃圾填埋場地下水監(jiān)測、地?zé)峥辈?、地源熱泵水文監(jiān)測、地下水超采治理、水源地保護(hù)、礦山地下水監(jiān)測、基坑降水監(jiān)測、野外原位勘察、地下水環(huán)境監(jiān)測井

五、工程建設(shè)、平臺(tái)軟件關(guān)鍵詞

地下水監(jiān)測站建設(shè)、地下水監(jiān)測井網(wǎng)優(yōu)化、地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、地下水云平臺(tái)、地下水矢量圖、流向時(shí)序曲線、監(jiān)測數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、無人值守監(jiān)測、地下水預(yù)警系統(tǒng)、監(jiān)測成果評(píng)估、修復(fù)效果評(píng)估

六、論文長尾關(guān)鍵詞（適合摘要、關(guān)鍵詞欄）

地下水原位在線監(jiān)測技術(shù)；單井地下水流速流向測量；地下水動(dòng)態(tài)變化特征；非均質(zhì)含水層流場研究；地下水污染羽遷移預(yù)判；地下水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)；地下水水動(dòng)力參數(shù)長期觀測；地下水監(jiān)測裝備研發(fā)

七、短視頻/朋友圈推廣標(biāo)簽（流量標(biāo)簽）

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