CN113252735B - 污染场地地下水水质分层监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污染场地地下水水质分层监测系统及方法。系统包括监测井井口上的井口防护箱，井口防护箱内设有横梁，横梁上安装可调节挂环和固定挂环，线缆将底层监测探头、中层监测探头和顶层复合监测探头串接后穿过可调节挂环与控制主机相连，控制主机经缆绳挂于固定挂环上。控制主机包括安装于主机壳内的主控制器和远程传输器，主机壳上安装气压传感器、溢水感应器。井口防护箱内安装防盗感应器、信号天线。信号天线经远程传输器与主控制器连接。底层监测探头、中层监测探头、顶层复合监测探头、气压传感器、溢水感应器和防盗感应器与主控制器连接。本发明对地下水能够分层获取水质数据，真实全面反映地下水污染情况。

Description

污染场地地下水水质分层监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种污染场地地下水水质分层监测系统及方法，属于地下污染水监测技术领域。

背景技术

随着人口密度的增加和工农业生产的快速发展，水资源矛盾日益突出，地下水污染问题逐渐突显。近年来，虽然城市内众多产生污染的企业被责令搬迁甚至关闭，但因遗弃存留的大量污染场地，城市的地下水水质普遍变差，甚至部分地段水质发生恶化，严重威胁着人类健康和生态环境。面对上述现状，我国已经开始了修复污染场地的工作，但是，地下水污染具有很大的隐蔽性、复杂性和滞后性，这给修复工作提出了更高的要求。

近些年，人们日益认识到准确表征地下水污染是进行有效修复的重要前提与保证，并且随着深入的研究，人们发现水体电导率可反映出水质中矿物质的总含量，从而可用来准确判断水质的好坏。但是，目前市场上出现的电导率检测仪通常是一套设备配接一个电导率传感器，其存在如下缺陷而无法真正、有效地投入到地下水监测工作中：

第一，已有的电导率检测仪使用的电导率传感器多为电极式，常规做法是将传感器的电极浸入被测水体中，电极检测到的信号经处理后得出结果。这种电极式电导率传感器虽然价格便宜，但用于地下水原位监测时，经过长时间工作后易发生极化现象，电极表面易结垢，从而会导致结果出现较大误差，且使用寿命大大缩短。即使采用高频交流电测定法，极化现象也仅能减轻一些而已。因此，这种电极式电导率传感器需要频繁维护、标定与更换，维护成本高。

第二，已有的电导率检测仪只设计有一个监测探头，对于一个监测井只能固定监测一个点位，不能实现地下水的分层精细监测。

第三，当监测井中的水位受到突水、河水暴涨等原因升高，甚至漫出井口时，电导率检测仪会被污染水体浸泡。虽然一些电导率检测仪具有一定的防水能力，但是经过长时间的浸泡后，设备进水也会造成电路板损坏甚至报废。

第四，大多监测井都是远离市区部署，无人看守，这便存在后期维护管理力度不强，监测井易受人员有意或无意破坏的问题，例如在一些重点工业区，有人为了逃避责任而破坏井盖，将监测探头放在干净的水体中，这些都会造成监测数据无法真实反映水质污染情况，管理部门不能及时有效了解污染状况的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污染场地地下水水质分层监测系统及方法，其对地下水能够分层获取水质数据，真实全面地反映地下水污染情况，且具有维护成本低，使用寿命长，防盗，防设备溢水等优点，适于推广普及。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种污染场地地下水水质分层监测系统，其特征在于：它包括安装在监测井井口上、将井口罩住的井口防护箱，井口防护箱内安装有一横梁，横梁上与井口相对地固定有可调节挂环和固定挂环，线缆将由下至上间隔排列的底层监测探头、中层监测探头和顶层复合监测探头串接在一起后穿过可调节挂环与控制主机相连，控制主机经由缆绳挂于固定挂环下方、地下水上方，其中：控制主机包括安装于主机壳内的主控制器和远程传输器，主机壳外安装有气压传感器，主机壳的底面安装有溢水感应器；井口防护箱内的顶壁上安装有防盗感应器；井口防护箱内的侧壁上安装有信号天线，信号天线经由远程传输器与主控制器电性连接；底层监测探头、中层监测探头包括无极式电导率传感器，顶层复合监测探头包括无极式电导率传感器和硅压阻式绝对压力传感器；各无极式电导率传感器、硅压阻式绝对压力传感器、气压传感器、溢水感应器和防盗感应器与主控制器电性连接。

本发明的优点是：

本发明一方面能够获取地下水多层水质数据，这种分层监测方式真实、全面、精细地反映了地下水的污染情况，为污染场地修复工作提供科学、可靠的数据，另一方面，本发明的监测探头无需维护、重复标定(密度校准、调零等)，使用寿命长，且本发明具有防盗、防设备溢水等优点，保证了在野外的可靠运行，减轻了工作人员的劳动强度，降低了维护成本，适于城市内、野外等各种环境下对污染场地地下水水质的监测与管理。

附图说明

图1是本发明污染场地地下水水质分层监测系统的示意图。

图2是本发明污染场地地下水水质分层监测系统的电路组成框图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明污染场地地下水水质分层监测系统包括安装在监测井200井口上、将井口罩住的井口防护箱10，井口防护箱10内安装有一横梁13，横梁13上与井口相对地固定有可调节挂环141和固定挂环142，线缆50将由下至上间隔排列的底层监测探头20、中层监测探头30和顶层复合监测探头40串接在一起后穿过可调节挂环141与控制主机60相连，控制主机60经由缆绳15挂于固定挂环142下方、监测井200内地下水300的上方，其中：控制主机60包括安装于主机壳内的主控制器61和远程传输器66，主机壳外安装有气压传感器68，主机壳的底面安装有溢水感应器70；井口防护箱10内的顶壁上安装有防盗感应器80；井口防护箱10内的侧壁上安装有信号天线90，信号天线90的信号端口经由远程传输器66与主控制器61的相应信号端口电性连接；底层监测探头20包括安装于底层探头密封壳内的无极式电导率传感器21，中层监测探头30包括安装于中层探头密封壳内的无极式电导率传感器31，顶层复合监测探头40包括安装于顶层探头密封壳内的无极式电导率传感器41和硅压阻式绝对压力传感器42；各无极式电导率传感器、硅压阻式绝对压力传感器42、气压传感器68、溢水感应器70和防盗感应器80的信号端口分别与主控制器61的相应信号端口电性连接。

在本发明中，线缆50在横梁13上的挂接确保了各监测探头的监测位置保持不变以及安全可靠的运行，且在对系统进行维护等作业时，只需要移动操作控制主机60，各监测探头不用跟随控制主机60的移动而改变监测位置，这在长期的监测过程中有效确保了对同一监测位置水质变化的分析精准性。

在实际设计中，各无极式电导率传感器21、硅压阻式绝对压力传感器42的信号端口以485总线的通讯方式经由设于主机壳内的通讯接口62分别与主控制器61的相应信号端口电性连接。

在实际设计时，无极式电导率传感器41与硅压阻式绝对压力传感器42的安装位置不受局限，较佳地，无极式电导率传感器41在上，硅压阻式绝对压力传感器42在下。无极式电导率传感器41、硅压阻式绝对压力传感器42采用本领域的已有传感器。

在本发明中，线缆50的作用为：第一，传输信号；第二，吊挂固定三个监测探头。

如图1，各无极式电导率传感器21与硅压阻式绝对压力传感器42之间的距离固定，此可通过固定的线缆50长度来实现，线缆50相对于可调节挂环141可收放调节并固定，即各无极式电导率传感器21与硅压阻式绝对压力传感器42之间的距离是固定的但它们在地下水300中的高低位置是可以整体上下移动调节的，也就是说可根据实际监测的水位埋深需求而调整三个监测探头在水中的高低位置。

在本发明中，井口防护箱10安装于监测井200井口来保护井内设备。

如图1，井口防护箱10包括固定在监测井200的井口上的圆筒状防护筒11，防护筒11的顶部安装有倾斜的井盖12。进一步地，井盖12上面安装有太阳能板100，太阳能板100、设于井口防护箱10内的锂电池67的信号端口经由设于主机壳内的电源管理器65为本发明污染场地地下水水质分层监测系统的各器件供电。

在实际中，本发明采取太阳能板100供电为主，锂电池67供电为辅的双电源供电模式。太阳能可以保证长期稳定的电力，但为了解决阴雨季等阳光不足的天气情况，以及太阳能板出现问题损坏的情况，本发明增加了锂电池作为备用的应急电源，这样在出现太阳能板供电不足时，电源管理器65自动切换至锂电池供电，以保证整个系统的用电可靠与安全，即太阳能板100与锂电池67的组合供电方式可为整个系统不间断地提供电力。

为了更好地接收太阳光照射，井盖12采取斜面设计，且在安装时应令井盖12的斜面朝向正南方向。

在本发明中，电源管理器6主要用于监测太阳能板100、锂电池67的电量，在太阳能板100与锂电池67之间切换，以及对太阳能板100、锂电池67的输出电压进行转换后向外供电。

在实际设计中，井口防护箱10为不锈钢材质，相对于其它铁材质而言，不锈钢材质在污染场地的环境下的耐腐蚀性能更高，但是，不锈钢材质对移动信号有屏蔽作用，因此，如图1，井口防护箱10的侧壁上与安装信号天线90相对应的位置开设有通讯洞口且通讯洞口由尼龙塑料块16封堵，通讯洞口与尼龙塑料块16的设计有效确保了移动通讯信号的传输。

在本发明中，控制主机60内还设有时钟电路63，时钟电路63用于使各监测探头以及其它器件按照设定好的工作频率来工作。

另外，主控制器61与存储器64连接，以对监测数据进行存储。

在实际实施时，主控制器61经由远程传输器66、信号天线90与控制管理中心400之间进行无线信息交互。

在实际设计中，防盗感应器80呈水平状态固定。当井盖打开或遭到破坏振动等的时候，防盗感应器80触动报警，唤醒控制主机60远程发送报警信息至控制管理中心400。

在本发明中，溢水感应器70优选采用光电式水浸传感器，光电式水浸传感器基于光电检测原理实现，整个结构采用全密封设计，外部采用耐腐蚀的球状保护罩来保护传感器，使用寿命长，适应恶劣条件下的污染水体环境。

在本发明中，防盗感应器80优选采用SVM30系列智能化振动倾角传感器。

在本发明中，气压传感器68优选采用型号为MS5803-02BA的绝压型气压传感器。

在本发明中，主控制器61、通讯接口62、时钟电路63、存储器64、电源管理器65、远程传输器66、信号天线90等均为本领域的已有或熟知器件，故不在这里详述。

基于上述本发明污染场地地下水水质分层监测系统，本发明还提出了一种污染场地地下水水质分层监测方法，包括如下步骤：

1)借由可调节挂环141收放线缆50，以将底层监测探头20、中层监测探头30和顶层复合监测探头40下放至监测井200内的地下水300中的预定监测位置，其中：悬挂不动的控制主机60处于地下水300上方；

2)顶层复合监测探头40内的硅压阻式绝对压力传感器42检测其所在位置的水压，底层监测探头20、中层监测探头30和顶层复合监测探头40各自内的无极式电导率传感器21、31、41检测各自所在位置的水体电导率，同时气压传感器68检测监测井200所处的环境大气压力；

3)各传感器将检测到的数据通过线缆50反馈给控制主机60内的主控制器61，主控制器61基于检测的环境大气压力值和水压值获得硅压阻式绝对压力传感器42所处的水位埋深值，其中：水压值减去环境大气压力值为硅压阻式绝对压力传感器42所在位置的实际水压值，硅压阻式绝对压力传感器42的水位埋深值基于实际水压值计算得到；

4)基于线缆50上的各无极式电导率传感器21、31、41与硅压阻式绝对压力传感器42之间的距离数据，获得各无极式电导率传感器21、31、41所处的水位埋深值，从而得到处于不同水位埋深的各无极式电导率传感器21、31、41的水体电导率，即获得监测井200内的地下水中各层的水体电导率，以实现精细分层监测；

5)主控制器61将各无极式电导率传感器21、31、41所测的水体电导率值及其分别所处水位埋深值进行存储并上传至控制管理中心400。

在实际实施时，主控制器61基于时钟电路63设置的频率，控制相关器件工作，以定时对地下水的水体电导率进行分层监测。然后，基于不同水深的地下水水体电导率来对此监测井200的水质好坏进行判断。

需要提及的是，由于不同水深的地下水温度与污染情况是不一样的，因此，本发明采取的这种分层监测方式可以更加精细、准确地判断地下水的污染情况，从而为后续的科学研究与分析提供可靠的依据。

在实际实施时，水体电导率与其自身成分和温度都有关系，当水中成分固定不变时，如果温度变化，水体电导率值也会发生较大变化，因此，检测得到的水体电导率需要进行温度补偿，即本发明污染场地地下水水质分层监测方法还包括步骤：将各无极式电导率传感器21、31、41所测的水体电导率值转换为标准环境温度25℃下的水体电导率值，从而基于各水体电导率值及其对应水位深埋值对地下水300的水质好坏进行判断。

为了保证水位埋深的准确性，以及鉴于硅压阻式绝对压力传感器在水体温度、纯净度(污染场地地下水的水体密度与纯净水差别较大，会很大程度影响测量精度)与现场重力加速度三者任一发生变化都会对液体密度产生作用，最终影响其对水位埋深的测量精度的情况，在投入使用前需要对硅压阻式绝对压力传感器42进行密度校准以及调零，具体为：

硅压阻式绝对压力传感器42的密度校准过程包括：

A1)将硅压阻式绝对压力传感器42先后下放至监测井200的地下水300内高低不同的两个测量点；

A2)在每个测量点上，通过硅压阻式绝对压力传感器42测量的水压值而得到水位埋深监测值，以及通过诸如量尺直接测量得到水位埋深实测值；

A3)基于两个测量点的水位埋深监测值y1、y2和水位埋深实测值Y1、Y2，计算出斜率偏差Δk：

Δk＝(y2-y1)/(Y2-Y1)-1；

A4)获取硅压阻式绝对压力传感器42的密度寄存器内存储的原始水密度值ρ1，基于公式ρ2＝ρ1-Δk计算出实际水密度值ρ2；

A5)将实际水密度值ρ2写入密度寄存器中；

A6)完成密度校准过程。

密度校准后还要进行零点调整才能达到预期测量精度，硅压阻式绝对压力传感器42的调零过程包括：

B1)将硅压阻式绝对压力传感器42下放至监测井200的地下水300中的测试点；

B2)通过硅压阻式绝对压力传感器42测量的水压值而得到水位埋深监测值z1，以及通过诸如量尺直接测量得到水位埋深实测值Z1；

B3)基于水位埋深监测值z1和水位埋深实测值Z1，计算出误差Δz：Δz＝z1-Z1；

B4)获取硅压阻式绝对压力传感器42的调零寄存器内存储的原始值Z，基于公式z＝Z-Δz计算出调零值z；

B5)将调零值z写入调零寄存器中；

B6)完成调零过程。

在实际实施中，在遇到诸如监测井中的水位受到突水、河水暴涨等原因升高，甚至漫出井口的情形时，当地下水300的水位上升接触到控制主机60时，溢水感应器70便被触动报警，主控制器61将报警信号经由远程传输器66、信号天线90同步发送至控制管理中心400，提醒工作人员注意。并且在浸水状态中，溢水感应器70每间隔1个小时检测一次当前溢水状态，且主控制器61将溢水信息上传至控制管理中心400。当长时间处于溢水状态时，主控制器61向控制管理中心400发出严重警告，以便安排维护人员前来处理，从而避免控制主机60长时间被浸泡在污染水体里受损。当溢水情况消失后，溢水感应器70自动恢复，回归正常状态，此时主控制器61向控制管理中心400发送解除报警信息，使工作人员清晰了解监测井中的溢水情况。

当有人对井口防护箱10进行破坏，如锤击、敲打，或者有人违规开启井盖12时，防盗感应器80会立即触发紧急报警，对现场破坏人员进行声光警示的同时，主控制器61将相关信息发送至控制管理中心400。防盗感应器80设计有多级振动筛查功能，从而能够屏蔽来往车辆等一些非破坏行为导致的振动，避免发生误触发警报的现象。

本发明整个系统按照设定频率每天定时将针对地下水各层获得的水体电导率值连同系统安全状态信息(包括溢水情况、监测井振动、井盖开启、电池电压等)上传至控制管理中心400，即使是没有报警事件发生，依然将涉及安全的数据上报，这样工作人员可以清楚明了地实时掌握系统的运行状态。

本发明的优点是：

1、本发明采用了无极式电导率传感器，其是将两个线绕合金环形线圈固定在环形模塑中，是非接触式的，与被测水体完全隔离开，所以不受污染水体影响，避免出现长时间工作产生极化现象，电极表面结垢等问题，确保了监测结果的准确，使用寿命大大延长，无需频繁维护、标定与更换。

2、本发明对监测井中的地下水能够自动采集高低多个层位的水体电导率，可真实、全面、精细地反映地下水的污染情况。

3、本发明设计了溢水感应器，避免了监测井中水位升高浸泡设备损坏的情况发生，确保了整个系统的稳定运行。当控制主机接触到水面时，溢水感应器便会将浸泡情况远程发送至控制管理中心，提醒工作人员注意。

4、本发明设计了防盗感应器，对井口防护箱具有井盖振动、开启报警功能。当有人敲击破坏井盖或开启井盖时，防盗感应器便被触发发出声光报警，并将相关信息同步远程发送至控制管理中心，提醒工作人员注意。这种防盗的方式大大减轻了工作人员的工作量，提高了野外工作效率，使工作人员可及时有效了解污染状况。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种污染场地地下水水质分层监测系统，其特征在于：它包括安装在监测井井口上、将井口罩住的井口防护箱，井口防护箱内安装有一横梁，横梁上与井口相对地固定有可调节挂环和固定挂环，线缆将由下至上间隔排列的底层监测探头、中层监测探头和顶层复合监测探头串接在一起后穿过可调节挂环与控制主机相连，控制主机经由缆绳挂于固定挂环下方、地下水上方，其中：

控制主机包括安装于主机壳内的主控制器和远程传输器，主机壳外安装有气压传感器，主机壳的底面安装有溢水感应器；井口防护箱内的顶壁上安装有防盗感应器；井口防护箱内的侧壁上安装有信号天线，信号天线经由远程传输器与主控制器电性连接；底层监测探头、中层监测探头包括无极式电导率传感器，顶层复合监测探头包括无极式电导率传感器和硅压阻式绝对压力传感器；各无极式电导率传感器、硅压阻式绝对压力传感器、气压传感器、溢水感应器和防盗感应器与主控制器电性连接；

硅压阻式绝对压力传感器的密度校准过程包括：

A1)将硅压阻式绝对压力传感器先后下放至监测井的地下水内高低不同的两个测量点；

A2)在每个测量点上，通过硅压阻式绝对压力传感器测量的水压值而得到水位埋深监测值，以及通过直接测量得到水位埋深实测值；

A3)基于两个测量点的水位埋深监测值y1、y2和水位埋深实测值Y1、Y2，计算出斜率偏差△k：△k＝(y2-y1)/(Y2-Y1)-1；

A4)获取硅压阻式绝对压力传感器的密度寄存器内存储的原始水密度值ρ1，基于公式ρ2＝ρ1-△k计算出实际水密度值ρ2；

A5)将实际水密度值ρ2写入密度寄存器中；

A6)完成密度校准过程。

2.如权利要求1所述的污染场地地下水水质分层监测系统，其特征在于：

各所述无极式电导率传感器、所述硅压阻式绝对压力传感器以485总线的通讯方式经由设于所述主机壳内的通讯接口与所述主控制器电性连接。

3.如权利要求2所述的污染场地地下水水质分层监测系统，其特征在于：

各所述无极式电导率传感器与所述硅压阻式绝对压力传感器之间的距离固定，所述线缆相对于所述可调节挂环可收放调节并固定。

4.如权利要求1所述的污染场地地下水水质分层监测系统，其特征在于：

所述井口防护箱包括固定在所述监测井的井口上的圆筒状防护筒，防护筒的顶部安装有倾斜的井盖；

井盖上面安装有太阳能板，太阳能板、设于所述井口防护箱内的锂电池经由设于所述主机壳内的电源管理器对外供电。

5.如权利要求4所述的污染场地地下水水质分层监测系统，其特征在于：

所述井口防护箱为不锈钢材质，所述井口防护箱的侧壁上与安装所述信号天线相对应的位置开设有通讯洞口且通讯洞口由尼龙塑料块封堵。

6.一种基于权利要求1至5中任一项所述的污染场地地下水水质分层监测系统实现的污染场地地下水水质分层监测方法，其特征在于，它包括步骤：

1)借由所述可调节挂环收放所述线缆，以将所述底层监测探头、所述中层监测探头和所述顶层复合监测探头下放至所述监测井内的地下水中的预定监测位置，其中：悬挂不动的所述控制主机处于地下水上方；

2)所述硅压阻式绝对压力传感器检测其所在位置的水压，各所述无极式电导率传感器检测各自所在位置的水体电导率，同时所述气压传感器检测所述监测井所处的环境大气压力；

3)所述控制主机基于检测的环境大气压力值和水压值获得所述硅压阻式绝对压力传感器所处的水位埋深值，其中：水压值减去环境大气压力值为所述硅压阻式绝对压力传感器所在位置的实际水压值；

4)基于所述线缆上的各所述无极式电导率传感器与所述硅压阻式绝对压力传感器之间的距离数据，获得各所述无极式电导率传感器所处的水位埋深值，从而得到处于不同水位埋深的各所述无极式电导率传感器的水体电导率；

5)将各所述无极式电导率传感器所测的水体电导率值及其分别所处水位埋深值进行存储并上传至控制管理中心。

7.如权利要求6所述的污染场地地下水水质分层监测方法，其特征在于：

所述污染场地地下水水质分层监测方法还包括步骤：

将各所述无极式电导率传感器所测的水体电导率值转换为标准环境温度25℃下的水体电导率值，从而基于各水体电导率值及其对应水位深埋值对地下水的水质好坏进行判断。

8.如权利要求6所述的污染场地地下水水质分层监测方法，其特征在于：

所述硅压阻式绝对压力传感器的调零过程包括：

B1)将所述硅压阻式绝对压力传感器下放至所述监测井的地下水中的测试点；

B2)通过所述硅压阻式绝对压力传感器测量的水压值而得到水位埋深监测值z1，以及通过直接测量得到水位埋深实测值Z1；

B3)基于水位埋深监测值z1和水位埋深实测值Z1，计算出误差△z：△z＝z1-Z1；

B4)获取所述硅压阻式绝对压力传感器的调零寄存器内存储的原始值Z，基于公式z＝Z-△z计算出调零值z；

B5)将调零值z写入调零寄存器中；

B6)完成调零过程。

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