2020年11月第42卷第6期
Ground water
Nov. ,2020
Vol.42 NO.6地图标记
D01：10. 19807/jki.DXS.2020 -06 -017
杨春生\英爱文2
(1.北京金水信息技术发展有限公司，北京100053 ;2.水利部水文水资源监测预报中心，北京100053)
[摘要]从仪器比选、仪器检测内容、中标厂商的仪器抽检、安装测试、系统跟踪等方面对国家地下水监测 工程自动仪器的质量控制进行阐述，从监测站委托看护、监测井透水灵敏度试验及清淤洗井、监测井及辅助设施维修、监测设备维修与更换、监测设备现场校测等方面对自动仪器的运行维护进行阐述，旨在为地下水自动监测站建设管理和运行维护提供参考与借鉴。 [关键词]国家地下水监测工程；仪器；质量控制；运行维护
[中图分类号]P641.74 [文献标识码]B[文章编号]1004 - 1184(2020)06 -0051 -03
1国家地下水监测工程概述
古老的中华文明很早就有开发利用地下水的记述。最早 可追溯到5 700 a前新石器时代中期所建的余姚河姆渡井。我国的地下水监测则始于20世纪50年代，主要集中在宁夏黄河灌区、关中四大灌区（泾、渭、交、洛）、河南人民胜利渠灌 区以及安徽、江苏、山东等地，其目的是为工农业生产及城市生活供水服务。20世纪70年代至80年代，全国范围内两次 对地下水监测站网进行了调整，北方大部分省（自治区、直辖 市）普遍开展了地下水监测，初步形成了一定规模的地下水监测站网；20世纪90年代开始，规划并调整新建地下水监测 站，站网控制面积不断加大，站网密度不断提高。2015年之 前，我国的地下水监测以生产井、人工监测为主，北京、天津、湖北、陕西、山东、辽宁等省（区）试点建设了部分自动监测站。
国家地下水监测工程（水利部分）自2015年9月开工建 设，历时四年，建设任务全部完成。建成1个国家地下水监测中心、7个流域中心和32个省级中心，10 298个自动化监测站。国家地下水监测系统的建成，可实现对我国350万 km2平原区地下水动态的有效监控，为认识和掌握地下水变化规律、分析评价地下水资源、制定合理开发利用与有效保护措施、实现水资源可持续利用提供技术支撑。工程于2020 年1月16日通过水利部组织的验收。国家工程院院士、专 家、水利部领导对该工程的全面建成给予高度评价，认为国 家地下水监测工程的建成及投人使用，标志着我国地下水监测能力全面提升、进人到一个新时代，是我国地下水领域具有里程碑意义的标志性成果。
2水位（埋深）自动监测仪器
在国家地下水监测系统中，水位（埋深）自动监测仪器的 作用至关重要。国家地下水监测工程中的水位（埋深）自动 监测仪器主要采用压力式自动水位计（约占95.4%)，部分 采用浮子式水位计（共计475套）。水位（水温）监测采用一体化设备，即水位计、遥测终端机、电源等均完全内置在监测井中，采用干电池或锂电池供电，替代传统太阳能板和蓄电池的供电模式，降低工作与值守功耗，仪器结构设计易于安装与使用。这类仪器具有技术先进、占地少、分辨率高、环境 适应性强、安全性高、系统功耗低、数据传输汇集速度快等优点。
压力式水位（埋深）计是通过测量水下某一固定点的静水压强，再根据水体的容重得到该固定点的水
深，从而得到当时的水位（埋深），它可以用于地下水位测量，也可以用于地表水的水位测量。压力式水位计的测量原理与人工测量地下水水位中的测压气管法相同。压力式水位计一般包括压力传感器、引压管路（也可能包括信号及供电电缆）、传输 仪器、电源等组成部分。地下水压力式水位（埋深）计，由于 对保护设施的要求比较高，所以将电源传感器部分和信号传输部分都集成在一起，全部放在井筒内部。
压力传感器有压电式压力传感器、陶瓷电容压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压阻式压力变送器等5种。常用的为压阻式压力变送器和陶瓷电容压力传感器两种。投人式压力水位（埋深）计的压力传感器直接在水下测量水压力。这类产品的压力传感器、测量控制装置、测量数据的固态存储器、电源、数据输出通信接口都密封组装在约四公分的长圆柱形机壳内，其外壳具有较高的耐压密封性，外壳防护等级达到IP68(GB/T4208 -2017)要求。具 体耐压要求因产品不同而有所差异，一般情况下，水位量程越大的仪器在较深的水下工作时，耐压要求高于水位量程小的仪器。
地下水水位测量仪器的精度与测量范围有关，即与水位 的埋深、井深有关。但目前，国家地下水监测工程中的水位测量精度控制是按照地表水水位测量精度的要求，即统一要 求±2c m控制。理论上讲，不够合理，需要在标准修订时加以考虑。地下水埋深的测量误差与埋深数值有关，埋深越大测量误差越大。除此之外，还应考虑水位变化范围的影响，如果仅用绝对误差±2c m来控制欠妥。
[收稿曰期]2020 -06 - 10
[作者简介]杨春生（1977 -)，男，黑龙江绥棱人，高级工程师，主要从事地下水监测系统的建设管理和运行维护等工作。
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3质量控制
3.1
仪器比选
2015年，国家地下水监测工程开工后，我们对地下水水 位监测仪器设备从性价比、稳定性、准确度、售后运维等方面 进行了充分的论证，开展了仪器比选（厂商筛选）工作。要求
所选取的仪器必须符合《地下水监测规范》（SL 183 - 2005) m 等相关规范要求。在进行国家地下水监测工程设计 时，将自动化监测设备定位为国产化仪器。尽管相比国外进 口设备，国产化设备在质量和精确度上稍差，但考虑到地下 水数据安全问题，最终自动监测仪器全部选为国产化设备。
随着监测水平和要求的不断提高，对监测仪器的集成化 要求也越来越高。根据市场需求，逐渐出现一批一体化自动 监测设备，即传感器、数据采集传输设备、供电系统集成为一 体。部分产品采用陶瓷电容压力传感器替代了传统压阻式 压力传感器。仪器设备高度集成，可方便置于井内。但市场 上产品质量参差不齐，且普遍没有通过检验或产品鉴定。
当时，国家地下水监测工程项目建设办公室决定，为遴 选出测量准确、稳定可靠的仪器，确保监测使用的地下水位 计稳定可靠运行且数据准确，在进行水位监测仪器招标之 前，决定对市面上潜在的厂商进行筛选、产品比选，委托水利 部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心（以下简 称“质检中心”），对仪器设备的各项技术指标进行必要的检 测与质t t 评估，并对通过检测的厂商名录进行公开发布-并 且规定，只有通过检测的仪器厂商，才能参与招投标，且在中 标后需对仪器进行抽检。为此，质检中心专门建设完成了实 验室检测平台，对地下水水位仪器测量准确度、稳定性、环境 适应性、固态存储功能等主要技术参数提出了评估指标，形 成一套成熟的检测流程和操作规范，完成了仪器设备招标前 检测和比测、仪器设备中标后抽检。
3.2仪器检测内容
仪器检测项目包括：外观、结构、电源、功耗、稳定性、密 封性、固态存储、数据通信规约符合性、气候环境适应性、机 械环境适应性、电磁环境适应性、温度测量误差等。
根据不同检测项目对仪器性能的影响程度和仪器检测过 程中的重要程度，将检测项目划分为关键和非关键项目。在 产品质M 评估时，所有关键检测项目必须全部检测合格。非 关键检测项目，最多只允许有1项出现一般不合格情况，-- 般不合格指产品发生故障时，无需更换元器件、零部件、修改 软件，仅需现场简单处理即可恢复产品的正常工作。
地下水位监测仪器检测包括试验室检测、模拟野外检 测和数据传输规约符合性测试三部分：
(1)
实验室检测。这是仪器检测过程中最主要的环节， 涵盖了针对仪器准确度、稳定性（针对压力式水位计）、环境 适应性、外观结构、电源功耗、密封性能、温度测量误差、固态
存储等各项指标的检测。
梁延淼(2) 模拟野外比测13]。实验室检测不能解决仪器在现场 使用过程中随着环境变化和时间推移而产生的仪器自身的 性能改变的问题。因此特别加人了模拟野外比测环节，用以 检测仪器在一段时间内的准确度、稳定性和可靠性。模拟野 外检测，主要是针对一体化压力式水位计的长期稳定性进行 测试。模拟野外比测试验平台主要由模拟野外地下水试验井、压力水位计水下部分升降装置、标准水位测量装置等组
成。野外比测时间为60 d 。具体指标：地下水位埋深变幅0 ~ 10 m 时，埋深测量综合误差《 ±2 c m 数据率这95%，且综 合误差矣±3 c m 数据率100% ；中心站接收数据率（自报及 召测）英9 5 % ；固态存储数据与中心站接收、招测数据（数值 与时间）一致率1〇〇%。
(3)规约符合性测试：为满足国家地下水监测工程数据 规约要求，避免传感器和远程终端单元（简称RTU )分别采 购，导致数据传输不稳定等情况。要求设备厂商必须提供传 感器和RTU —体化设备，规定送检的一体化监测仪器首要进 行数据传输规约符合性检测。规约符合性测试内容：包括地 下水位监测设备的数据传输规约符合性和数据传输能力。
3.3中标厂商的仪器抽检
为避免企业中标后，批量生产的仪器质量与送检时不一 致，我们增加中标厂商出厂产品的抽样检测工作。企业中标 后，将规定数量的仪器进行封存，随机选取一定比例（一般为总 量的5% )，再次送质检中心进行复核，合格后方可发货安装。 质检中心为此制定了严格的抽检办法、工作流程、保障措施等， 并出具检测报告，进一步确保项目所用仪器设备质量。
抽检全部在实验室进行，实验室检测周期为20个工作日。 对检测通过的仪器，在质检中心和送检方双方共同监督下，拍 照存档、封存留样、签字确认，由质检中心代为保存。中标产品 的抽样检测工作从2016年10月18日开始，至2017年11月1 曰截止，抽样的水位监测仪器有三种，分别为一体化压力式
水 位计、一体化浮子式水位计、悬锤式水位计。抽检工作累计完 成了 32个省（自治区、直辖市）和新疆兵团，抽样基数为11035 套，抽样数量共531套。抽样检测项目及技术要求参照合格产 品名录检测工作时的要求（考虑到供货及安装进度要求，未再 次进行模拟野外比测）。抽样检测共完成72批次，出具检测报 告7 2份，检测结果均符合《国家地下水监测工程（水利部分） 产品抽样检验测试实施办法》的要求。
3.4 安装测试
仪器安装调试，是国家地下水监测工程自动监测仪器质 量控制的重要环节，是确保国家地下水监测系统能够获得准 确、可靠数据的基础保障。安装测试的主要步骤是：
技术培训，中标厂商对各地的水文部门的潜在使用人员 进行技术培训，掌握仪器的性能和安装调试的主要内容；
现场安装，厂家派出专业人员到现场进行安装和指导， 明确仪器运行、维护等方面的注意事项；
现场调试，仪器安装好后进行现场调试（人工比测）和联 网调试；
数据复核，将有关的基础数据复核后，输人仪器系统中。
特别要注意，计算埋深的起始点数据要核实准确，以避免“假 埋深”问题。检查核实，水文人员对仪器的安装和运行状况进行检查
核实。3.5 系统跟踪野外安装调试工作完成后，系统人员进行实时的跟踪监 视。系统跟踪同样是自动监测仪器质量控制的重要环节。系统中设立自动报警功能，比如将每次报出的水位相差
±2 m 或±1 m 作为一个阈值；
工作人员每天进行巡视，发现异常情况进行初步分析，
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出事故的原因；
系统人员发现问题后，及时和现场（水文分局）的人员进 行沟通，出产生异常数据的原因；
现场人员对产生异常数据的原因进行排查和调整，如果 不能进行修正，要及时和厂商取得联系；
直至恢复数据正常。
4自动仪器的运行维护
工程建设的目的在于发挥效益。俗话说“三分在建，七 分在管”，过去水利工程与其他很多工程一样，存在着“重建 轻管”的问题，不能充分的发挥工程效益，甚至在建设完成后只能发挥部分效益，或完全不能正常投人使用。为解决此问 题，我们通过水利部向财政部成功申请工程建设期的运行维护经费和建设后的运行维护经费，这在水利工程建设管理中史无前例，对于保证工程的正常、稳定、可靠运行和发挥作用奠定了重要基础。
国家地下水监测工程的自动监测仪器全部集中在监测井内部，所以设备的运行维护需要综合监测站的运行进行整体维护，包括监测站及辅助设施委托看护、监测井井深测量、透 水灵敏度试验及清淤洗井、监测井及辅助设施维修、监测设 备维修及更换、自动监测设备现场校测等工作。
4.1监测站委托看护
为确保监测站正常运行，需委托专人对监测站进行看护。监测站看护是防止监测井、辅助设施以及监测设备免遭破坏的有效措施。
4.2监测井透水灵敏度试验及清淤洗井
监测井使用过程中，沉积物附着使得过滤管区域的滤网和 滤料出现堵塞现象。此外，由于地下水中极
少量的泥沙进人监 测井内，随着泥沙的不断沉积，沉淀物厚度超过沉淀管长度，淤 堵过滤器，使得监测井内的水位难以真实反映地下水变化的实 际情况。根据《地下水监测工程技术规范》（GB/T51040 2014)[4]和《地下水监测规范》（SL 183 -2005)⑴，每年需进行 一次井深测量和透水灵敏度试验，用以掌握井内淤积物变化情 况和过滤管的透水性能，有针对性的开展测井、清淤、洗井工 作。定期对监测井进行井深测量、透水灵敏度试验及清淤洗井 是确保监测井正常运行，监测数据准确可靠的重要保障。
4.3监测井及辅助设施维修
监测站看护虽能有效避免监测井及辅助设施免遭破坏，但随着经济和城镇化进程的快速发展，人类活动已经影响到监测井及辅助设施，存在监测井及辅助设施损毁、丢失等现象。监测井定期维修，也即对井内异物进行清理、对破损和锈蚀的井管进行修复并及时进行监测井固井。根据《水文基 础设施及技术装备管理规范》的要求，定期对监测站辅助设施（包括水准点、标示牌、井口保护设施等）进行维护和养护。
4.4监测设备维修与更换
分界开关控制器
监测设备电池更换。水位（埋深）自动监测设备通过“锂 电池或干电池”供电，完成信息采集与传输。随着监测设备的使用，电池电量逐渐衰弱，为防止因电池电量减弱而引起数据漏测、数据传输不畅等
问题，需定期对电池进行更换。根据监测设备信息采集、传输频次和设备厂家标注的电池使用年限，RTU电池一般2 3更换一次，监测设备每年有一定比 例（比如20% ~ 35%)的更换。
根据《水文基础设施及技术装备管理规范》（SL 415 - 2007)[5]，压力式和浮子式水位计的使用年限为5〜10 a。
《水文基础设施及技术装备管理规范》（SL415 - 2007 )[5]中
的水位计使用年限设计针对的是地表水且不涉及水样采集，
而本工程的监测井每年需进行井深测量、透水灵敏度试验、
清淤洗井和水样采集，需将监测设备从井中提出，使得监测
设备损害的可能性增大。结合开展地下水监测工作省份使
用地下水监测设备情况以及设备厂家标注的设备平均无故
障工作时间（MTBF)，考虑到国产仪器设备的材料、工艺等水
平的现实情况，压力式水位计的使用年限以3 ~5a为宜。
4.5 监测设备现场校测
地下水水位监测设备运行过程中，由于时间漂移和温度
漂移等原因，使得自动监测数据产生系统偏离，造成监测数
据不准确，根据《地下水监测工程技术规范》（GB/T 51040 -2014)，地下水水位、水温、水量等自动监测设备应每年校测
1次，采用人工监测和自动比测的方式进行。
5结语
通过国家地下水监测系统工程的建设和管理实践，我们
初步有了以下认识：
(1) 在地下水监测系统中，自动水位计是最关键、最核心 的设备，必须要在各个环节进行监督监测，严格把好质量关。
否则，无法收到准确的监测数据，系统显得毫无意义。
(2)对于在国家地下水监测工程中占绝大多数的压力式水位计来说，数据采集部分的传感器是地下水监测仪器的核
牙科涡轮机心部分。从目前国内市场来看，传感器部分已经有不同价
格、品质的各类产品，因选择不同仪器设备，监测的精度和使
用的时限差异大，建议在采购过程中选择质量上乘的仪器设
备。除此之外，在批次采购过程中，还应要求厂商报出探头
的型号、规格、生产日期等参数，定期进行必要的抽检工作。
(3 )地下水监测井需要进行井深测量、清淤洗井和水质
采样抽水等，每次都要将压力式水位计从井中提出，并进行
反复校测和井内作业，可能损害仪器设备影响其监测精度。
所以压力式地下水水位计的使用年限应比地表水的时间缩
短,3 ~5 a为宜。除此之外，建议每年的运行维护费考虑对
水位计进行183 —定比例的更换。
(4)地下水自动监测仪器的技术要求比较高，地下水数
据安全越来越重要，因此要坚定不移地走国产化之路，确保
地下水数据安全。
参考文献
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民_共和国国际质量
监督检验检疫总局.地下水监测工程技术规范：G B T-51040 -
2014.北京：中国计划出版社.2013.
[2] 中华人民共和国水利部.地下水监测规范：S L183 -2005.中国
水利水电出版社.2005.
[3]水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心.地下
水位监测仪器实验室检测及模拟野外比测实施办法.南京：水利
部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心.2014: 5.
[4]周川辰，蒋新新，李玉梅，等.地下水位监测仪器质量检测技术研
究与应用.水利信息化.2016. (1 ) :38 -43.
[5] 中华人民共和国水利部.水文基础设施及技术装备管理规范：SI..
415 -2007.中国水利水电出版社.2007.
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