地下水位监测传感器

如果问你监测水质意味着什么时，您会想到哪些参数？温度、电导率、pH值、溶解氧和浊度这“五大”参数吗？追踪有害藻华的叶绿素和藻蓝蛋白？以我作为水质仪器经理的经验来看，每当我问这个问题时，“水位”很少是我得到的第一个答案。实际上，在一些圈子中，水位根本不被认为是水质的衡量，而是水量的衡量，被当作一个完全独立的话题来对待。无论你是否相信水位是一个水质参数，水位可能是最重要的，当然也是最广泛的。今天测量的参数，准确的水位测量对于地下水监测、河流和河流测量、湖泊/池塘水位分析、洪水水位记录、灌溉渠道、波浪和潮汐分析都非常重要...不胜枚举。我最近写了气候变化教育的重要性，而水位也与之息息相关。伴随气候变化引发极端天气事件，各地区应对暴雨和洪水、干旱和缺水、海平面上升以及其他与气候相关的问题。此系列文章将重点介绍凭借 Xylem的水位测量实现重要应用的以下三个项目： 地下水监测暴雨监测洪水监测01地下水监测第一个例子来自于我的同事James Chen。James作为YSI的资深水质监测专家，提供从现场应用到销售和业务开发的全方位服务，并曾在世界上最迷人的地方开展工作。例如，James在西藏的拉萨开展过一个项目，监测地下水。出于多种原因，监测地下水水位非常重要，其中包括了解在静态条件和抽水条件下的蓄水层水位、确定水位与当地地表水源的相互作用以及了解地表开发对蓄水层的影响。拉萨被称为“亚洲水塔”，在这样的情况下，James将协助客户监测拉萨的自然资源- 尤其是水质。James用一台EXO1透气式水位主机来完成这项任务。这种仪器的选择至少说明了关于地下水监测的两个非常重要的原则。在传统意义上，水质监测也是一个优先事项。为什么客户要求测量诸如比电导、温度、pH/ ORP和浊度等水质参数，而不仅仅是测量地下水水位？主要原因就是，水量丰富并不代表水源适合饮用。雨水或地表水在渗入地下时会接触受污染的土壤，从那一刻起，雨水或地表水就可能会被污染，并将污染从土壤带到地下水蓄水层。而当液态有害物质通过土壤或岩石渗入地下水时，地下水也可能受到污染。还存在许多其他类型的地下水点源和非点源污染，而在这个项目中，客户需要监测这些威胁。连续监测标准水质参数的变化是一种很好的方法，同时也证明了相比于水位记录仪，使用窄小直径 EXO1进行地下水监测的关键优势。第二个原则，该项目揭示了在某些情况下使用透气式水位深度传感器的重要性。拉萨是世界上海拔最高的城市之一。海拔超过3650米，拉萨的气压比海平面的气压低约35%。正如以下James提供的数据所示，这对水位的测量产生了巨大影响，尤其是在不使用透气式水位传感器的情况下。所以...什么是透气式水位测量，它和深度传感器有哪些区别？02深度vs.透气式水位YSI EXO配备的传感器分为深度和透气式水位两种。深度由一个非透气式的应变传感器进行测量的，这里我们将其称为压力传感器（也称之为“深度传感器”）。压力传感器与电阻相连接，当传感器隔膜片上的压力变化时就会发出电信号。隔膜的一侧暴露在水中，另一侧暴露于真空中。在真空侧，压力恒定不变。在水侧，压力随水压(Pw)的变化而变化，水压与水深成正比。因此，水量越多意味着压力越大，信号被转换成工程单位（磅/平方英寸-PSI 或深度，单位为m、ft或bar）。据此，您就可以知道压力传感器上方的水深。有时，这些测量值被称为绝对深度。我不是特别喜欢“绝对”这个词。因为我始终认为有可能存在极低的测量误差。我认为“绝对”代表的含义是：所有对传感器隔膜施加的压力都会被转换成电信号，然后这些信号由仪器的固件转换成深度，但如果是这样，情况就变得复杂了...如您所见，Pw则不再仅代表水施加的压力。它也代表大气施加在水面的压力，甚至水的密度，受诸如盐等溶质以及诸如温等环境条件的影响。对于许多应用，这些其他因素可以忽略不计。但是在浅水应用中，有两个因素可能会产生严重影响：盐度（也可解释为水的比重ρ）和大气压。在室温1个大气压（即海平面）下，纯水的比重为1。海水的比重则要高 50%，甚至还取决于温度。因此，考虑温度的盐度测量可用于补偿水位测量。其中一个重要的例子是与海平面上升相关的气候变化研究，如在佛罗里达州Clam Bayou案例的经典文章关于海平面上升的YSI应用指南所描述的。Clam Bayou案例研究也描述了第二个关键变量–大气压。特别是在水深较浅的应用中（YSI认为透气式水位主机中的压力传感器通过透气管与大气联通。当使用压差传感器时，这确保了整个测量中自动补偿了大气压力(Pair) 。有时气压会发生剧烈波动，例如在暴风雨期间。在生活中，您甚至可能认识一些可以感知这些变化的人，——也许他们会患上气压性头痛。海拔变化也会影响气压，这也是拉萨气压如此低的一个重要原因。因此，让我们从Clam Bayou向上爬升3,650米，看看大气压补偿有多重要。03高海拔水位的气压补偿 我的同事James在西藏拉萨的客户现场安装了一台 EXO1透气式水位主机。之后他的一位合作伙伴也访问了该地点，并在同一口井中安装了一台配有非透气式压力传感器的EXO2主机，他们也想在那里观察水质。这台非透气式主机的深度传感器只是在出厂前进行了校准。工厂校准可能仍然非常好(深度传感器相当稳定)。但是，俄亥俄州的金泉市海拔为260米，实际的传感器本身是在压力控制室中校准的。这也就是在部署之前深度传感器通常应该在室外现场进行校准的原因。在深水应用中，Pw远大于Pair，这可能无关紧要。但如果是在地表水应用，且使用我们的垂直剖面仪进行深度测量的情况下，则一定要进行现场校准。然而，James的合作伙伴起初并不想测量深度，因此他没有校准深度传感器。尽管如此，深度传感器仍在部署过程中进行了记录。10周后，James查看和分析数据时他注意到了一些显著的差异，如下图所示。James比较了他的EXO1主机和合作伙伴的EXO2主机的测量值。在下图中，左侧Y轴表示EXO1水位值，右侧Y轴表示EXO2深度值，两者均以米为单位：从另一个角度来看数据，James绘制了两条线之间的差值，且还是使用米作为Y轴上的度量单位。该图显示了两台主机所测得的水位值之间相差约6.5-6.85米，此外更重要的是它还显示了值在6.67至6.84 米之间的波动。这一点很有趣引起我们的注意，并还会在我们的最终分析中再次出现。我们已经暗示过，拉萨的低气压可能是引起两个探头测得的数据之间的波动和差值的一个原因，但是这一假设是否得到有力证据的支持？James在右侧Y轴上绘制了以百帕斯卡 (hPa) 为单位的气压测量值，并在左侧Y轴上绘制了两个探头所测的深度差 (m)。作为参考，海平面上的1个标准气压为1013.25hPa。除了这两条线看起来相互跟踪程度外，该图的右轴数据还显示出了气压非常之低，与拉萨的高海拔相对应。James继续评估了两个主机所测的深度差值（X轴、ΔDepth，以m为单位）与Y轴的气压之间的相关性。通过线性回归分析，大多数环境科学家认定它们之间存在非常强的相关性：这为在高海拔地区使用透气式水位测量进行地下水监测这一假设提供了有力的依据。04准确度规格当我看到这些数据时，我想到，如果想知道水是什么时候抽出或流入的，主要的深度测量可能不是最重要的，而是检测变化的能力。换句话说，假设EXO2主机测得的起点为9m实际上是错误的，但我仍然能够检测到几厘米的变化，就像我使用透气式水位主机一样。那么如果我有一台EXO2，又不想再买另一台主机，这样够用了吗？以下为来自EXO用户手册的规格信息：这项研究中使用的EXO2是中等深度 (100m) 主机，其准确度规格约为满量程的±0.04% ，即±4cm。相比之下，EXO1浅水透气式主机 (10m) 的准确度规格为满量程的±0.03% ，即±0.3cm。准确度足足提高了10倍以上！然而... 如果James的同事部署的并不是100m量程的主机，而是浅水不透气的EXO2主机，由于浅水非透气式主机（EXO1或EXO2）在10m量程范围内的准确度为±0.4cm，所以所得测量结果可能会与EXO1透气式水位主机的测量值更接近。当然，前提是已经在现场正确校准了EXO2。假设您打算进行校准，您可能会想，为什么还要这么费心使用透气呢？0.4cm我听着挺好的！请记住这些准确度规格是在受控的海平面条件下测得的。气压仍然是必须考虑的干扰因素。使用透气式水位主机，气压补偿将自动完成。但对于非透气式标准主机，必须从外部完成气压补偿，现在有另一个测量误差被引入总误差预估。这就意味着，在这个高度偏远的地区，气压的一些单独测量必须与探测器的水位测量同时进行，气压测量是可靠的，以最终进行大气压补偿，从而完成最终的水位测量。如果这听起来有点混乱，那是因为确实如此。当在拉萨James现场的百帕的变化相差2-4% (16hPa) 时，要做到这一点颇为困难：最后，相对于含水层的总体积，水位变化所代表的估计体积对于选择仪器时的理解也很要，这将提高应用所需的整体准确度。最终分析：这些有关系吗？所以在这个故事中，我们遇到了不同的状况。有两种不同类型的测量值：深度和透气水位。另一个现实是，EXO2主机没有进行现场校准，这进一步增加了深度测量的误差。但是，总体来说，如果James的客户选择信任这台EXO2主机的深度测量结果，而不是EXO1的透气水位测量结果，会发生什么？再看上图，气压变化在 648-632hPa之间波动，EXO1报告的水位变化约为6cm(3.045-2.985m)。但是EXO2报告的水“位”变化为20cm (9.98-9.68)。我们可以估计出，EXO2报告的约17cm的差异是由缺乏气压补偿导致（6.84-6.670m，来自上面的差异图）。如果未进行此补偿，操作人员怎么知道地表水流入、流出或其他因素正在发生呢？如需更多讨论和信息，请联系James.Chen@xylem.com 。05 Case Study此案例研究说明了为什么YSI建议您使用经过适当校准的透气式水位主机进行地下水水位测量。针对地下水监测的YSI标准建议如下：大多数地下水应用，需要使用高准确度的透气式水位传感器。无论是自动（通过透气）还是手动补偿，都建议在高海拔或气压易于出现明显波动的地方实施大气补偿。如果优先考虑其他水质参数，尤其是在可能需要盐度或比重补偿也是必要的，那么透气式水位的主机（而不是压力传感器）是最正确的解决方案。

《地块土壤和地下水中挥发性有机物采样技术导则》（HJ1019-2019）提出了地下水采样的几条具体操作要求。（1）洗井低速抽水。开始洗井（采样前洗井，并非成井洗井）时，以低流量抽水，速率应在100~500ml/min，洗井过程应实时测定地下水位，确保水位降幅＜10cm。（2）洗井过程中连续三次测定的水质稳定。记录抽水开始时间，同时洗井过程中每隔5分钟读取并记录pH、温度、电导率、溶解氧、氧化还原电位及浊度，连续三次采样达到以下要求（表1）即可结束洗井。检测指标稳定标准pH±0.1以内温度±0.5℃以内电导率±10%以内氧化还原电位±10mV以内，或在±10%以内溶解氧±0.3mg/L以内，或在±10%以内浊度≤10NTU，或在±10%以内（3）取样过程避免样品与空气接触。地下水洗井和采样都应避免对井内水体产生气提气曝等扰动，尤其是以VOC为分析目标的采样。各种对水体的扰动，都会引起溶解氧的变化和水中挥发性物质的散逸，导致样品分析结果不准确。因此，尽量避免取水全过程中水样与空气的接触。智能化地下水低速采样系统布设在采样井中，通过气囊泵采样、水质参数监控和智能化控制的系统，实现地下水自动化和定制化采样目标，完全符合HJ1019-2019的技术要求。现场布设完成后，即可实现自动化和标准化操作，大大提高了采样效率。主要原理智能化地下水低速采样系统，采用带有泄降控制单元的气囊泵，固定在地下水位以下，水体在水位压力的作用下自动充满气囊。地面智能控制器内的高压充气泵提供气源动力，对泵体内气囊进行挤压，将气囊中的水样提升至地面的水质智能检测单元，对pH、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度等6个参数进行实时监测。当6个参数的变化符合HJ1019-2019的技术要求时，水样自动流入样品收集器。采样过程中，地下水位的变化由泄降控制单元进行监控，当水位下降超过10cm时，控制器自动停止工作，当含水补给水位恢复到10cm以内时，控制器自动启动采样。水样与空气全过程无接触，气囊和水样管路均采用特定材料，对VOC没有化学吸附，最大程度地保留水样的原来状态。技术优势G.O.Sampler智能化地下水低速采样系统属于创新型产品，多项技术在国内属于首创，具有独特的技术优势。l 完全符合规范HJ1019-2019的标准化采样（低速、无扰动、洗井监测），全过程自动化。l 水位泄降控制单元与气囊泵一体化设计，具有大气压补偿功能，水位测量更准确。l 水路管道均为特定材料，无化学吸附，最大程度保持样品原状。l 采样信息自动记录。l 采样频次和监测频次可调节。l 洗井完成后水质数据可作为现场测量的指标存储和传输。l 多种数据协议接口，兼容第三方数据平台。l 系统维护频率低。主要构成G.O.Sampler智能化地下水低速采样系统主要包括：气囊泵、水位泄降控制单元、水质智能监测单元、智能控制器、管路系统。（1）气囊泵气囊泵（图1）是一种低流速、无扰动式地下水洗井及采样设备，适合于各类地下水尤其是VOC类污染物样品的采集，适于各种大小监测井。泵体内有气囊，上端连接进气管和出水管，分别与控制器和水质智能监测单元连接，全过程空气与水样无接触。气囊泵的应用，可以大大减少洗井水量，与传统的抽水泵洗井采样方式相比，具有低流量、低速率、无扰动的优势。（2）泄降控制单元泄降控制单元用于地下水采样中的水位降幅监测，通过地面的智能控制器内大气压力补偿，获取精准的地下水动态水位。泄降控制单元集成于气囊泵泵体，采用一体化设计，完全实现水位变化与泄降控制的协同自动化。（3）水质智能监测单元水质智能监测单元包括一个特定材料的流速池和多个水质测量传感器，可以对水样中的pH、温度、电导率、氧化还原电位、溶解氧和浊度等6个参数进行实时测量，用于采样条件的自动判定。同时也可以作为地下水水质连续监测的水质数据，为后续地下水水质监测大数据平台提供支撑。（4）智能控制器智能控制器是整个采样系统的中控枢纽，可实现提供气源、泄降控制启停、采样间隔设置、水质参数读取存储、洗井结束提示、废水管与样品出水管的自动切换、采样记录的显示与传输等多个功能。同时预留多种数据接口，可匹配接入大数据平台；还具有无线传输和手机App同步功能，可实现数据平台和手机的反向控制。智能控制器和水质智能监测单元作为一体化组合元件，设置在自动监测站内。（5）管路系统管路系统包括气路、水路和电路。其中，水路与气路相互独立，样品全程不与外源气体接触，确保样品的合规性。技术参数单元指标描述气囊泵泵身316不锈钢气囊材料惰性材料最小监测井内径5cm最大操作压力100 psi最小操作压力5 psi最大采样深度61m水质传感器pH范围0~14，精度±0.01温度精度±0.1℃溶解氧范围0~20mg/L，精度±0.2%FS电导率范围1~2000μS/cm，精度±1μS/cm浊度范围0~400NTU，精度±1.0%FS氧化还原电位范围-2000~2000mV，精度±0.01mV智能控制器RS-485通讯接口支持标准的Modbus RTU控制协议，最高支持不低于50Kbps的无差错传输速率。Modbus TCP控制协议以太网口支持标准，传输速率可达到100Mbps4G无线模块支持MQTT标准协议，传输速率5Mbps窄带物联网模块以NB模块为标准，带宽为180KHZ。支持移动、联通NB-IOT卡。创新点：智能化地下水低速采样系统布设在采样井中，通过气囊泵采样、水质参数监控和智能化控制的系统，实现地下水自动化和定制化采样目标，完全符合HJ1019-2019的技术要求。现场布设完成后，即可实现自动化和标准化操作，大大提高了采样效率。 G.O.Sampler智能化地下水低速采样系统

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 从自然资源部中国地质调查局获悉，2018年，由该单位组织实施，31个省级自然资源主管部门和地质环境监测机构配合，自然资源部门国家地下水监测工程建设全面完成，大幅提升了地下水监测的专业化和自动化水平。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 自然资源部门国家地下水监测工程共建成层位明确的国家级地下水专业监测站点10168个，全部安装一体化地下水自动监测设备，实现了全国主要平原盆地和人类活动经济区的地下水水位、水温监测数据自动采集、实时传输和数据接收，与水利部门地下水监测数据实时共享。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 改建完成西北干旱、华北半干旱地区的2个地下水均衡试验场和1个秦皇岛地下水与海平面综合监测站，实现了土壤水负压、潮汐等要素的实时在线监测，提高了土壤水运移、海平面变化等方面的分析研究能力。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 利用云平台和大数据技术，研发了监测信息应用服务系统和三维地下水云计算实时模拟系统，实现了监测数据管理、动态分析、水质水量综合评价与信息发布等功能，建立了国家—省—市县多级数据共享与异地联动的工作模式。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 建成国家地下水监测网络数据中心，与31个省级节点实现互联互通；建成现代化的水质监控实验室，满足《地下水监测网运行维护规范》中规定的100项水质指标测试监控能力，实现对国家地下水质标准93项指标的全覆盖。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 在国家地下水监测工程实施过程中，首次研发并成功实施了承压—自流井监测技术，有效地解决了承压水与无压水转化过程的自动监测问题，有效解决了水样采集、冬季的防冻和洗井清淤难题；完成了基于北斗传输的自动监测站点建设，解决了无移动信号网络覆盖或信号较弱地区监测数据传输问题；编制了12项地下水监测行业标准规范，提出了多要素综合评价的地下水位和水质监测网优化设计方法，总结形成了多层含水层系统的分层监测井建设技术和服务于生态环保的浅部地下水分层监测井建设技术。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 国家地下水监测工程的建设，形成了10168个监测孔的地层编录和抽水试验资料，获取了丰富的水文地质参数，进一步揭示了区域含水层结构特征，深化了区域水文地质条件认识。信息应用服务系统每年产生近9000万条地下水水位、水温、水质数据，将为水资源科学管理、地质环境问题防治、生态文明建设提供重要支撑。 /p