地下水位监测仪器质量检测技术研究与应用

周川辰，蒋新新，李玉梅，班 莹

（1. 水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012；2. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；3. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）



地下水位监测仪器质量检测技术研究与应用

周川辰1，3，蒋新新2，3，李玉梅1，3，班 莹1，3

（1. 水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012；2. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；3. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）

摘 要：为解决目前地下水位监测仪器性能、可靠性、稳定性参差不齐，产品应用的实际情况与标称的技术指标差异较大的问题，开展地下水位监测仪器质量检测技术研究与应用，对地下水位监测仪器进行实验室检测和模拟野外比测的测试与分析，达到掌握国内外地下水位监测仪器产品的水位测量准确度、稳定性、环境适应性、固态存储、数据传输和其他性能指标，以及野外实际应用条件下稳定性、可靠性的目的，通过研究不仅能够建立严格的市场准入制度，还可遴选出市场上真正优质的生产厂家及仪器，为国家地下水监测工程项目的监测仪器选型工作提供参考依据及技术支撑。

关键词：地下水位；监测仪器；质量检测；性能指标

随着我国地下水监测业务的发展和国家地下水监测工程项目的实施，地下水测量站点将大量增加，站点监测的实时性和准确度的要求也越来越高。目前，无论是国外知名企业，还是国内专业企业，生产的压力式、浮子式及悬锤式水位计由于产品生产加工手段与工艺流程的差异，性能、可靠性、稳定性参差不齐，一些产品应用的实际情况与标称的技术指标差异较大，地下水位测验数据的准确性不能得到保证。为确保现场监测使用的地下水位监测仪器稳定可靠运行并能准确监测、传输数据，需要开展地下水位监测仪器质量检测关键技术的研究与方法应用，从品种繁多的产品中挑选出适应国家地下水监测工程项目的仪器，这也是解决我国地下水水位测量问题的关键。

1　检测技术的研究内容

依据国家地下水监测工程项目实施的有关要求，进行地下水位检测仪器质量检测技术的研究及比测，主要内容包括：

1）开展地下水位监测仪器质量检测关键技术研究，创建产品质量检测平台。

2）对地下水位监测仪器的水位检测准确度、测量稳定性、环境适应性、固态存储功能及其他技术指标进行实验室检测与分析评估，包括对传感器 + RTU 的一体化监测仪器的数据传输进行规约符合性检测。

3）针对压力式水位计的水位测量的长期稳定性和可靠性等技术指标，进行模拟野外比测与分析评估。

4）依据地下水位监测仪器实验室检测与模拟野外比测的具体情况，进行地下水位计产品质量性能的基本评价，出具检测报告，为国家地下水位监测工程项目的监测仪器选型工作提供参考依据。

2　检测方法的分析

针对国家地下水监测工程项目，考虑到监测仪器的适用性和长期稳定性，优先选用压力式和浮子式地下水位计。对于这些不同类型的仪器检测项目，提出适用于国家地下水监测工程要求的技术指标，新建了检测平台与设备，完善了检测方法及手段，最终以能够完全反映受检仪器关键性能质量为目的。检测方法的影响分析如下：

1）以往检测，传感器和 RTU 分别检测，为适应国家地下水监测工程的要求，对厂家提出了一体化仪器概念，即传感器 + RTU 一体化监测仪器，这样可避免将来项目上分别采购，安装时可能出现的数据传输问题，因此送检的产品首先需要进行的是规约符合性检测。

2）现行的国标中，压力式和浮子式水位计的准确度一般分为 3 个等级，针对国家地下水监测工程项目的市场准入制度，经过专家的论证，统一了技术指标[4]，浮子式和压力式地下水位计的准确度应能够达到 ±2 cm 以内（水位变化范围 0～10 m）或量程的 0.2%（水位变化范围大于 10 m），重复性和回差指标均应在 ±1 cm 以内。悬锤式水位计应能够达到 ±1 cm 以内（水位变化范围 0～10 m）或量程的0.1%（水位变化范围大于 10 m）。

3）稳定性[1]（这里指输出和温度的漂移）是极其关键的指标。现行国标中对于这 2 项指标要求不高，分别为“24 h 输出漂移不超过基本误差”和“在 0～+ 40℃ 环境温度下温度漂移误差不大于基本误差”（其中基本误差分为 3 级，分别为 ±1，±2 和 ±3 cm）。

4）环境适应性[3]相比现行标准及以往检测要求，提出了更具体的要求，针对一体化监测仪器中不同部位，分别提出指标要求。

5）常规检测方法只限于实验室检测过程，忽略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，因此在研究过程中特别加入了模拟野外比测环节，以考查仪器在一段时间内的准确度、稳定性和可靠性。

3　检测平台的创建与应用

检测技术与方法的研究离不开硬件条件的支撑，对于本课题而言，检测平台的创建与应用在整个研究过程中起到了重要的作用。检测平台包括规约符合性检测、实验室检测及模拟野外比测等 3 个平台。

3.1规约符合性检测平台

规约符合性测试平台指中心站计算机（含国家地下水监测工程（水利部分）监测数据通信报文规定专用检测软件和固定 IP 网络）。检测系统结构如图1 所示。

图1　检测系统结构示意图

1）检测平台。检测平台包括计算机和报文规定专用检测软件，具有数据收发、查询、控制功能，对发送、接收的正确信息帧实时显示和解析。可提取信息帧的分层信息，如链路层标志和功能码、应用层信息对象标识等，便于直观判断信息交换的正确性。GPRS 接入方式为 TCP/IP 协议。

2）受检仪器。根据检测的要素，应能按照报文规定要求处理、发送相关数据，实现相应功能。

3）信道设备。包括 GPRS 通信信道和固定 IP网络。受检仪器和检测平台，通过 GPRS 信道进行信息交互，检测平台接收通讯报文，并通过专用检测软件判断交换信息的正确性。

4）检测范围。依据《国家地下水监测工程（水利部分）监测数据通信报文规定》的要求，检测表 1所示的功能码。

表1　功能码

3.2实验室检测平台

实验室检测作为检测仪器基本性能最主要的检测阶段，检测平台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设备与设施，具体如表 2 所示。

3.3模拟野外比测平台

地下水位监测仪器模拟野外比测试验平台主要由以下装置组成：

1）模拟野外地下水试验井。试验井全井为钢管，井内水体与地下水完全隔离，配有相应的注/排水系统，其中排水采用井用潜水泵，通过人工改变水位，试验井口设有仪器升降装置。

主要技术指标如下：试验井井管为钢管，井管内径为 450 mm，井底封闭，通过配套的注/排水系统控制水位；试验井的深度为 33 m，井倾斜角度小于 2o；用于排水的井用潜水泵为单相井用潜水电泵，额定流量为 2 m3/h，额定功率为 0.37 kW，扬程为 35 m。

2）压力式水位计水下部分升降装置。仪器升降装置由升降架、升降机、不锈钢钢丝绳、仪器架、线缆卷等组成，升降机通过不锈钢钢丝绳将放置压力式水位计水下部分的仪器架放置在相应位置。

3）标准水位测量设备（悬锤式水位计）。量程为 50 m；测尺为复塑钢尺，分辨力为 1 mm；示值误差满足钢卷尺国家标准 Ⅱ 级精度（允许误差 △ =±（0.3＋0.2 L）mm，L 是以 m 为单位的长度值）。

表2　实验室检测平台设施设备表[5]

4　监测仪器的质量评估理论与方法

对于监测仪器的质量评估，应是一个综合评价过程，对于不同类型的仪器，应有相应的要求。对于包含 RTU 的一体化监测仪器，首先均必须通过数据传输规约符合性测试要求，浮子式水位计须满足实验室检测要求，压力式水位计则在此基础上，还应通过模拟野外比测试验，以验证仪器的长期稳定性和可靠性。仪器质量检测项目如表 3 所示[6]。

对于产品质量的评定，通过检测的仪器应在所有关键检测项目中全部检测合格，非关键检测项目，最多只允许有 1 项出现一般不合格情况（一般不合格指产品发生故障时，无需更换元器件、零部件及修改软件，仅需现场简单处理即可恢复产品的正常工作）。

特别需要注意的是，对于压力式水位计的模拟野外比测，是一个较为复杂的评价指标，它综合验证了仪器的准确度、稳定性和可靠性。对此提出一套能够真实反映一体化监测仪器（含传感器和RTU）质量的技术指标，作为模拟野外比测的评价标准，技术指标如下：

1）地下水位埋深变幅为 0～10 m 时，埋深测量综合误差在 ±2 cm 内数据率 ≥ 95%，且综合误差在 ±3 cm 内数据率为 100%；

2）中心站接收数据无缺失，且与固态存储数据相（数值与时间）相一致。

表3　仪器质量检测项目

5　检测关键技术与方法的研究

地下水监测仪器的质量检测工作近年来一直在开展，包括产品的出厂、型式检验等，但针对一些关键技术指标的检测，以往常规检测并不深入。

5.1稳定性检测

目前市场上的压力式监测仪器[2]多为陶瓷电容压力传感器的结构，通常采用双电容结构，稳定性较高，蠕变、时间和温度漂移都较小，这几个指标对于压力式监测仪器来说极其重要，通常的稳定性检测分为以下 2 种漂移检测：

1）时间漂移。试验时被测水位计按照每天采集 6 次发送 1 次的工作模式连续工作 10 d（水温变差 ≤±3 ℃），仪器放入时漂装置并调试完成后，检测人员通过水位测针读取装置内标准水位值，5 min内连续 3 次测量，取平均值（最大值与最小值之差≤ 0.5 mm，若超过则重新测量），同时记录各被测仪器测量值，作为测量初值，记录在附表中。时间漂移试验 10 d 内，考虑到水面蒸发对标准水位值的影响，检测人员在通过水位测针读取装置内水位变化时，每天 9:00 和 15:00 通过人工补水的方式保证装置内水位不变（水位变化不超过 0.1 mm）。试验全程中被测水位计的输出值发送并存储至测试数据接收平台，被测水位计输出值与各自测量初值之差的最大值，为该测试点水位计的时间漂移测量误差。

2）温度漂移。在试验前用经过计量检定的温度计校准装置显示水温数据（在水面下 1 m 处，保证标准温度与试验装置显示温度之差 ≤ 0.5 ℃）。试验时通过温度调节装置调节试验水温，将装置内的水温单向从 4 ℃ 变化到 40 ℃，取 4，10，20，30 和 40 ℃等 5 个温度点附近温度进行试验，被测水位计连续工作。装置内水体温度稳定在第 1 个测试点（4 ℃）15 min后，待装置内水位静置，通过水位测针读取装置内标准水位值，5 min 内连续 3 次测量取平均值（最大值与最小值差 ≤ 0.5 mm，若超过则重新测量），同时记录各被测仪器测量值，作为测量初值。考虑到试验过程中温度变化对水体体积（标准水位值）的影响，达到每个试验温度点恒定 15 min 后，检测人员通过水位测针读取装置内水位变化，并人工调整装置内水位，保证装置内水位不变（水位变化不超过0.1 mm，3 次测量，方法与 4 ℃ 时相同），并读取此时被测水位计的输出值。被测水位计输出值与各自测量初值之差的最大值，为该温度测试点水位计的温度漂移测量误差。

5.2模拟野外比测

地下水位监测仪器模拟野外比测试验过程中采用人工改变比测试验井内水位，加速模拟测试环境变化的方法，测量标准水位值和受检仪器测量值。标准水位值的测量通过人工采用悬锤式水位计测量的方法获得。比测试验井内水位随机变化，水位变率不大于 60 cm/min。受检仪器测量值通过 GPRS 发送至测试数据接收平台，比测时间不少于 60 d，受检仪器综合测量误差的计算基值，通过受检仪器放置在井内固定位置后前 2 天的埋深测量值和标准水位值计算并设定，通过对数据的分析处理，考核受检仪器的长期测量稳定性和可靠性。模拟野外比测流程如图 2 所示。

图2　模拟野外比测流程示意图

6　检测技术的创新点

研究的检测技术具有以下几个创新点：

1）建设了一套完整的地下水位监测仪器质量控制的检测平台。检测平台针对国家地下水监测工程项目的要求，涵盖了地下水位监测仪器的规约符合性检测、实验室检测及必要的模拟野外比测，能够满足监测仪器各项技术指标的质量检测。以往此类仪器的检测，均是参考国家标准，通过常规检测装置及手段进行产品的质量检测，缺乏针对性。本平台的建设弥补了以往常规检测装置未达到的测量范围或精度，针对压力式水位计建设的长期模拟野外比测平台，从规约符合性检测到实验室检测，再到模拟野外比测，填补地下水位监测仪器综合评价的空白。

2）提出了新的质量评价关键指标。针对国家地下水监测工程项目，提出的质量评价关键指标，为将来相关仪器国标的修订提供技术上的支撑，如仪器准确度、稳定性、环境适用性、功耗及固态存储指标等。同时，改进了压力式水位计的温度、时间稳定性检测方法，使检测结果更加能够反映仪器的真实质量水平。

3）提出了地下水位监测仪器的模拟野外比测试验方法。模拟野外比测方法可对仪器的长期稳定性、可靠性进行考核。由于模拟野外比测是建立在考核传感器 ＋ RTU 的一体化仪器的基础上，所以不仅对传感器的测量误差有要求，同时还对数据采集、传输、存储都有较高要求，是一个综合评价的过程。所以在模拟野外比测的数据结果基础上，对每支仪器的数据都进行了统计分析，提出了一套全面的评价指标，该评价指标同时涵盖了对传感器、RTU 及数据传输的要求，有一定的全面性、针对性和合理性。

7　结语

通过地下水位监测仪器质量检测技术的研究与应用，不仅建立了严格的市场准入制度，还遴选出了市场上真正优质的生产厂家及仪器，淘汰一批质量不合格的产品。检测平台的建立，实验室检测结合模拟野外比测的质量控制模式，可为今后我国水利行业其它专项项目建设提供借鉴、示范模板，同时也为地下水位监测仪器相关标准的修订提供有力的依据。总体而言，无论是从产品发展角度还是行业管理角度，都有着积极深远的意义。建议今后应继续深入对地下水位监测仪器的产品原理及长期稳定性的研究工作，同时不断完善健全质量控制体系，为我国水利行业提供技术保障。

参考文献：

[1] 姚永熙. 水文仪器与水利水文自动化[M]. 南京：河海大学出版社，2001: 27-35.

[2] 姚永熙，杨汉塘. 水文仪器研究与设计[M]. 南京：河海大学出版社，2011: 174-179.

[3] 姚永熙，章树安，杨建青. 地下水信息采集与传输应用技术[M]. 南京：河海大学出版社，2011: 11-14.

[4] 姚永熙，章树安，杨建青，等. 水资源信息监测及传输应用技术 [M]. 南京：河海大学出版社，2013: 13-14.

[5] 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技术方案[M]. 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: 3-7.

[6] 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[M]. 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.

Research and Application of Quality Inspection Technique about Monitoring Instrument for Groundwater Level

ZHOU Chuanchen1,3, JIANG Xinxin2,3, LI Yumei1,3, BAN Ying1,3
(1. Hydrological Instruments and Geotechnical Instrumentation for Quality Supervision and Testing Center, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 2. Jiangsu Naiwch Co.Ltd, Nanjing 210012, China; 3. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Abstract:In order to solve the problem that performance, reliability and stability of underground water level monitoring instrument is uneven, differences between the actual application situation of product and nominal technical index larger, the article carries out research and application of underground water monitoring instruments quality detection technology, measures and analyzes laboratory and field simulation test about underground water level monitoring instrument, achieves the purposes of mastering water level monitoring accuracy, stability, environmental adaptability, solid-state storage, data transmission and other performance indexes, and the purpose of mastering stability and reliability of the domestic and foreign underground monitoring instrument in field application conditions. The research can not only establish a strict market access system, also select the real good manufacturer and the instrument on the market. It provides reference and technical support for monitoring equipment selection of national groundwater monitoring project.

Key words:groundwater level; monitoring instrument; quality testing; performance indicators

作者简介：周川辰（1987-），男，上海人，本科，主要从事水文仪器计量研究工作。

基金项目：水利部水利信息中心科技项目（2014-017）

收稿日期：2015-07-31

中图分类号：P335

文献标识码：A

文章编号：1674-9405(2016)01-0038-06