CN113267231B - 一种地下水位监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地下水位监测装置及其监测方法，其包括设置在地面上的监测分析模块，监测分析模块包括处理器、用于测量重力的第一电子测力计和第二电子测力计；处理器用于处理第一电子测力计和第二电子测力计测量的重力信息；第一电子测力计的下方设置有整体为密封结构的空心管，空心管顶部高度高于常年最高水位线，空心管的顶部与第一电子测力计连接，空心管的底部连接有配重体，配重体顶面设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体处于悬空状态；第二电子测力计的下方连接有用于实时监测地下水密度的参考体，参考体设置于被监测点常年最低水位线之下。本方案的地下水位监测装置可解决地下水密度变化情况下，地下水位实时、高精度测量的问题。

Description

一种地下水位监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及水位监测技术领域，特别涉及一种地下水位监测装置及其监测方法。

背景技术

地下水监测是水利、环境、地质、交通、农业等部门的一项基础工作。进行地下水水位、水质和水温等要素的监测工作，在水资源的管理、保护、利用等方面发挥着重要的作用，对我国经济发展、人民生活都具有重要意义。另外，对滑坡等地质灾害进行地下水位监测，还能进一步了解滑坡等地质灾害的稳定性影响因素，进一步判断滑坡等地质灾害的变形趋势，更好地确保人民群众生命财产安全。

不同地区的地下水的密度不同，且强降雨可能使水体浑浊，地下水的密度会改变，另外水体矿化程度变化时，均可能造成地下水密度的变化，即在实际的地下水位监测过程中，地下水体的密度是随时在发生改变的，而现有技术中应用较广的压力式水位计和浮子式水位计，在对地下水的高度进行测量时，存在以下问题：

1、现有技术中的压力式水位计测量地下水位时，忽略了地下水密度的变化，进而造成地下水位测量结果和精度与实际的地下水位偏差较大，测量的结果不能满足高精度或者准确测量的要求。；

2、传统的压力式水位计的需要将压敏传感器设置在地下水底部，容易导致水位监测装置中电气元件进水损坏，且在对整个水位监测装置进行安装和维护时，需要将水位监测装置提升至水面上，导致安装和维护极为不便，降低了安装和维护的效率。另外土体坍塌或者泥沙沉淀，造成传统压力式水位计易被填埋，从而影响测量结果的准确性，甚至造成仪器不能正常使用。

3、浮子式水位计，在使用过程中，易出现卡线等情况，安装和维护都存在许多不便之处。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种地下水位监测装置及其监测方法，解决了现有技术中压力式水位计和浮子式水位计，测量结果和精度较差，且不方便安装和维护、维修的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种地下水位监测装置，其包括设置在地面上的监测分析模块，监测分析模块包括处理器、用于测量重力的第一电子测力计和第二电子测力计；处理器用于接收并处理第一电子测力计和第二电子测力计测量的重力信息，根据预先设定的公式进行计算，同时可以对计算公式中的已知参数进行设置和调整；

第一电子测力计的下方设置有整体为密封结构的空心管，空心管顶部高度高于常年最高水位线，空心管的顶部与第一电子测力计连接，空心管的底部连接有配重体，配重体顶端设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体处于悬空状态；配重体不会因空心管和自身的浮力变化而产生上浮。

第二电子测力计的下方连接有用于实时监测地下水密度的参考体，参考体设置于被监测点最低水位线下。

进一步地，监测分析模块还包括与处理器电性连接的通讯模块。

进一步地，地下水位监测装置还包括设置于地表上的安装平台，监测分析模块设置于安装平台上。

进一步地，配重体和参考体的密度大于地下水的密度，配重体的顶部呈小端朝上的圆锥结构或圆端朝上半球形结构，参考体为圆球形或顶部为圆锥形，参考体的体积可调整。

进一步地，空心管的底端与配重体的顶部表面螺纹密封连接。

进一步地，空心管的顶部通过高强度钢丝绳与第一电子测力计固定连接；参考体通过高强度钢丝绳与第二电子测力计固定连接。

进一步地，空心管包括多段呈中空密封结构的管体，每段管体的顶部设置有螺纹槽，底部凸出设置有螺纹端，每段管体的长度为0.5m～3m，相邻的两段管体通过螺纹槽和螺纹端配合的方式连接；位于空心管底端的管体的底部用螺纹端与配重体的顶面连接。

空心管根据实际测量环境，可以由多段管体连接构成，管体的上表面与螺纹端端面之间的距离为0.5m～3m，每段管体的顶部设置有螺纹槽，底部凸出设置有螺纹端，相邻的两段管体通过螺纹槽和螺纹端配合的方式连接，且螺纹槽和螺纹端的长度相等，能完全无缝连接，保证多段管体连接后，空心管保持横截面积不变；空心管长度和横截面积可进行变化和优选，且根据空心管的长度和横截面积可以选择与其匹配的配重体，使得配重体不会因空心管浮力变化而产生上浮。位于空心管底端的管体的底部通过螺纹端与配重体的顶面螺纹密封连接，且空心管底端的管体的螺纹端完全嵌入配重体顶面的螺纹槽，从而保证连接处空心管横截面积与上部管体一致，提高测量精度。

本发明还提供一种地下水位监测装置的监测方法，其包括如下步骤：

步骤1：安装地下水位监测装置，配重体顶面设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体处于悬空状态，参考体设置于被监测点常年最低水位线下，记录当前地下水位初始高程H₀；

步骤2：记录第一电子测力计和第二电子测力计的当前初始读数，根据第二电子测力计的当前初始读数，得到当前地下水的初始密度；

步骤3：当水位高度和地下水密度发生变化时，根据第二电子测力计的读数的变化，得到变化后的地下水密度，实时监测地下水的密度变化；

步骤4：根据步骤3中得到的变化后的地下水密度以及第一电子测力计的读数的变化，得到变化后的地下水位高程；

步骤5：将步骤4中得到的变化后的地下水位高程通过通讯模块向远程监测系统或监测终端传输数据；

步骤6：重复步骤3～5，对地下水位水面高程进行实时监测。

进一步地，步骤2得到当前地下水的初始密度和步骤3中得到当前地下水密度的具体计算方法为：

设步骤2中当前地下水的初始密度为ρ，第二电子测力计的当前初始读数为F₀＇，参考体重力为G＇，参考体体积为V，则：

F₀＇＝G＇-ρgV 1)

通过公式1)，推导出步骤2中当前地下水的初始密度：

ρ＝(G＇-F₀＇)/(gV) 2)

步骤3中，当地下水位高程变化至H时，变化后的地下水密度变为ρ＇，第二电子测力计的当前读数为F＇，则：

F＇＝G＇-ρ＇·gV 3)

通过公式3)，推导出：

ρ＇＝(G＇-F＇)/(gV) 4)

由公式2)和公式4)即可对任意时刻的地下水密度进行计算，式中，g为重力加速度，参考体的重力G＇和参考体的体积V为已知，则根据第二电子测力计的读数由公式4)求得任意时刻变化的地下水密度变为ρ＇。

进一步地，步骤4中得到变化后的地下水位高程的具体计算方法为：

安装地下水位监测装置时，地下水位初始高程为H₀，第一电子测力计的初始读数为F₀，当地下水位高程变化至H时，第一电子测力计的当前读数为F，设钢丝绳、空心管和配重体三部分重力之和为G，配重体受浮力为F_浮，则：

F₀＝G-F_浮-ρgS(H₀-h₀) 5)

F＝G-F_浮-ρ＇·gS(H-h₀) 6)

通过公式5)和公式6)，得到当地下水位高程H：

H＝h₀+(ρ/ρ＇)·(H₀-h₀)-(F-F₀)/(ρ＇·gS) 7)

将公式2)和公式4)代入公式7)，得到：

H＝h₀+[(G＇-F₀＇)/(G＇-F＇)]·(H₀-h₀)-[(F-F₀)/(G＇-F＇)]·(V/S) 8)

通过公式7)或者公式8)即可对任意时刻的地下水位进行实时监测，式中，h₀为配重体顶端的高程，S为空心管的横截面面积，g为重力加速度，ρ＇为变化的地下水密度变为ρ＇，H为当前被测地下水位高程。

本发明的有益效果为：

1、本方案中的地下水位监测装置，可以通过第二电子测力计读数的变化，实时监测当前地下水的密度；由公式7)可知，我们可以通过第一电子测力计的读数变化、地下水的初始密度、当前地下水的密度、安装时的地下水位初始高程、配重体顶端高程计算出当前地下水位高程；由公式8)可知，通过第一电子测力计和第二电子测力计的读数数值、安装时的地下水位初始高程、配重体顶端高程、参考体的体积、空心管的横截面面积，计算出当前地下水位高程；本方案中的地下水位监测装置测量精度高、测量方便，测量的结果具有实际参考价值，可以解决地下水密度变化情况下，地下水位实时、高精度测量的问题。

2、本方案中通过将配重体设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体处于悬空状态，空心管的顶端设置于常年最高水位线上；在地下水位液面高度没变时，电子测力计记录当前重力读数，即拉绳、空心管和配重体三部分重力之和减去空心管和配重体两者受到的浮力之和；在地下水位的液面高度改变时，空心管所受到的浮力也发生相应的变化，此时电子测力计采集得到重量数据发生变化，根据电子测力计数据的变化和地下水密度的变化，可以直接推测出地下水位的高差变化，进而推算出地下水位当前高程，整个装置结构简单，成本低，便于维护，可以在水位监测技术领域推广应用。该装置测量的前提是配重体的体积和重量要满足即使地下水位升高至最高水位，空心管不会整体被淹没，且配重体也不会随水位升高空心管浮力增大而产生上浮；且拉绳基本没有弹性伸缩，即使长时间使用后有微量伸缩，可以通过定期测量空心管顶部高程方便的进行测量结果校正，从而进行高精度测量。

3、本方案中水位监测装置的精度可根据实际测量精度要求进行方便的调整或提高。一是可以通过提高电子测力计的精度来实现，在空心管直径一定的情况下，当电子测力计的精度提高后，该装置可感受更小长度的空心管浮力变化，但该种方法会增大电子测力计的成本，且受制于目前的技术条件限制；二是空心管的直径可以调整大小，在电子测力计的精度值一定的情况下，可以通过增大空心管的直径来获取更高的测量精度，空心管的直径增大，其单位长度所受到的浮力也增大，当地下水位液面高度变化时，空心管单位长度所受浮力变化也更大，从而使该装置测量也更加灵敏，从而提高整个水位监测装置的测量精度。

4、该装置量程可根据实际测量需求，方便的进行调整，生产出多种量程规格的产品：空心管材料和直径一定，可通过两种方式来调整仪器测量量程，一是配重体密度一定，可调整配重体体积和与之匹配的空心管长度来获取不同的仪器测试量程；二是保持配重体体积不变，通过更改配重体密度和与之匹配的空心管长度来获取不同的仪器测试量程。

附图说明

图1为一种地下水位监测装置的结构示意图。

图2为空心管的结构示意图。

其中，1、处理器；2、第一电子测力计；3、第二电子测力计；4、空心管；401、管体；402、螺纹槽；403、螺纹端；5、配重体；6、参考体；7、通讯模块；8、安装平台。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～2所示，本发明提供一种地下水位监测装置，其包括设置在地面上的监测分析模块，监测分析模块包括处理器1、用于测量重力的第一电子测力计2和第二电子测力计3；处理器1用于接收并处理第一电子测力计2和第二电子测力计3测量的重力信息，根据预先设定的公式进行计算，同时可以对计算公式中的已知参数进行设置和调整；

第一电子测力计2的下方设置有整体为密封结构的空心管4，空心管4顶部高度高于常年最高水位线，空心管4的顶部与第一电子测力计2连接，空心管4的底部连接有配重体5，配重体5顶端设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体5处于悬空状态；使用过程，无论水位变化到何位置，空心管顶端都不会被淹没，配重体不会上浮，拉绳基本不会伸缩，即使长时间使用后拉绳有微量伸缩，可以通过测量空心管顶部高程，对配重体顶端高程h₀值进行校正，进行高精度测量。

第二电子测力计3的下方连接有用于实时监测地下水密度的参考体6，参考体6设置于被监测点常年最低水位线下。

处理器1可以为PLC单片机，第一电子测力计2和第二电子测力计3均与处理器1电性连接，处理器1根据预先设定的公式进行计算，同时可以对计算公式中的已知参数进行设置和调整，通过第一电子测力计2和第二电子测力计3的读数变化量，计算出当前地下水的密度以及当前地下水位水面高程；监测分析模块还可以设置有通讯模块7，通信模块的型号可以为NRF52832蓝牙通讯装置，通讯模块的型号也可以为AB433P西门子plc专用无线通讯模块，实现无线通讯功能；在处理器1将计算后的当前地下水位水面高程传递给通信模块7，通信模块7将当前地下水位高程向远程监测系统或监测终端传输数据，可以对地下水位水面高程进行实时监测。本方案中的电器元件之间的连接关系和选型为现有的成熟技术，故在此不赘述电气元件之间的电路结构和工作原理。

本方案中的地下水位监测装置，可以通过第二电子测力计读数的变化，实时监测当前地下水的密度；由公式7)可知，我们可以通过第一电子测力计的读数变化、地下水的初始密度、当前地下水的密度、安装时的地下水位初始高程、配重体顶端高程计算出当前地下水位高程；由公式8)可知，通过第一电子测力计和第二电子测力计的读数数值、安装时的地下水位初始高程、配重体顶端高程、参考体的体积、空心管的横截面面积，计算出当前地下水位高程；本方案中的地下水位监测装置测量精度高、测量方便，测量的结果具有实际参考价值，可以解决地下水密度变化情况下，地下水位实时、高精度测量的问题。具体的，地下水位监测装置还包括设置于地表上的安装平台8，监测分析模块设置于安装平台8上，第一电子测力计2、第二电子测力计3、处理器1和通信模块均设置于水面上，水位监测装置不会出现因进水而导致的电气元件的损坏，且安装和维护水位监测装置方便，极大的提高了安装和维护的效率。

配重体5的密度大于地下水的密度，配重体5的顶部呈小端朝上的圆锥结构或圆端朝上半球形结构，参考体6为圆球形或顶部为圆锥形，参考体6的体积可以调整。配重体5的顶部为圆锥形或半球形，水底的泥沙基本不会附着在配重体5的顶部，可以避免配重体5上部泥沙沉淀影响配重体5重量，即使长期使用，泥沙沉淀到配重体5上造成配重体质量有轻微改变，或者钢丝绳伸缩长度有轻微变化，也可以通过定期校正测量公式中的F₀和H₀进行高精度测量。

空心管4的底端与配重体5的顶部表面螺纹密封连接，且空心管底端的管体的螺纹端完全嵌入配重体顶面的螺纹槽，从而保证连接处空心管横截面积与上部管体一致，提高测量精度，方便拆卸和连接。

空心管4的顶部通过高强度钢丝绳与第一电子测力计2固定连接；参考体6通过高强度钢丝绳与第二电子测力计3固定连接。高强度钢丝绳的密度和横截面积足够小，故钢丝绳所受重力与浮力均约等于0，即第二电子测力计3的读数变化主要由参考体6所受的浮力和重力的差值变化所引起，可以减少测量误差。参考体6的体积和第二电子测力计3的精度可调整，在参考体6密度一定的情况下，参考体6的体积越大、第二电子测力计3的精度越高，则地下水密度的测量精度会更高。即使钢丝绳所受重力与浮力不可忽略或者实际测量有更高精度测量需求，可推算公式对钢丝绳的重力和浮力进行校正，能使测量结果更加精准。

空心管4包括多段呈中空密封结构的管体401，每段管体401的顶部设置有螺纹槽402，底部凸出设置有螺纹端403，管体401的上表面与螺纹端403端面之间的距离为0.5m～3m，相邻的两段管体401通过螺纹槽402和螺纹端403配合的方式连接；位于空心管底端的管体的底部用螺纹端与配重体的顶面连接。

空心管4根据实际测量环境，可以由多段管体401连接构成，管体401的上表面与螺纹端403端面之间的距离为0.5m～3m，每段管体401的顶部设置有螺纹槽402，底部凸出设置有螺纹端403，相邻的两段管体401通过螺纹槽402和螺纹端403配合的方式连接，且螺纹槽402和螺纹端403的长度相等，能完全无缝连接；空心管4长度可根据实际测量的地下水位变化范围进行变化和优选，且根据空心管4的长度相应更改配重体5的体积或密度，使得配重体5不会因水位变化空心管4所受浮力变化而产生上浮，才能确保仪器量程有效。位于空心管4底端的管体的底部通过螺纹端403与配重体5的顶面螺纹密封连接，且空心管4螺纹端403的长度与配重体5顶面的螺纹槽长度相等，安装时空心管4底端的管体401的螺纹端403完全嵌入配重体5顶面的螺纹槽，从而保证连接处空心管4横截面积与上部管体401一致，提高测量精度。

本方案中水位监测装置的精度可根据实际测量精度要求进行方便的调整或提高。一是可以通过提高第一电子测力计2的精度来实现，在空心管4直径一定的情况下，当第一电子测力计2的精度提高后，该装置可感受更小长度的空心管浮力变化，但该种方法会增大第一电子测力计2的成本，且受制于目前的技术条件限制；二是空心管4的直径可以调整大小，在第一电子测力计2的精度值一定的情况下，可以通过增大空心管4的直径来获取更高的测量精度，空心管4的直径增大，其单位长度所受到的浮力也增大，当地下水位液面高度变化时，空心管4单位长度所受浮力变化也更大，从而使该装置测量也更加灵敏，提高整个水位监测装置的测量精度。

设该装置电子测力计的测量精度为ΔG，则有：ΔG＝ρgS·ΔH，ΔH即为该装置可测量的水位精度值。

从而：ΔH＝(ΔG)/(ρgS)

式中，ρ为地下水密度，S为空心管横截面积，g为重力加速度。

根据上式，要使精度值越高(即让ΔH值越小)，若地下水密度ρ、重力加速度g一定的情况下，可通过提高第一电子测力计2的精度值ΔG(即ΔG越小)或增大空心管4横截面积S来实现。提高第一电子测力计2的精度值ΔG受制于目前的技术条件限制，且会提高核心部件成本；增大空心管横截面积S在理论上则可以方便的对精度值进行无限提高，当然这受制于实际使用的环境条件。

该装置量程可根据实际测量需求，方便的进行调整，生产出多种量程规格的产品：空心管4材料和直径一定，可通过两种方式来调整仪器测量量程，一是配重体5密度一定，可调整配重体5体积和与之匹配的空心管4长度来获取不同的仪器测试量程；二是保持配重体5体积不变，通过更改配重体5密度和与之匹配的空心管4长度获取不同的仪器测试量程。

在空心管4横截面积S(直径)一定的情况下，设配重体5密度为ρ_配重，其体积为V_配重，地下水密度为ρ，空心管4安装长度为h，则要使仪器量程刚好为h(即仪器使用过程中，空心管4淹没长度为h时，整个装置也不会产生上浮)，

有：ρ_配重·g·V_配重-ρg·V_配重-ρgSh＝0。

推导出：V_配重＝[ρ/(ρ_配重-ρ)]·Sh ①

ρ_配重＝[1+(Sh/V_配重)]·ρ ②

由上式可以看出：若某地的地下水位高程最大变化范围是h，则要使仪器量程达到h，则空心管4的安装长度至少应为h，若地下水密度为ρ、配重体5密度ρ_配重和空心管4横截面积S均一定时，则由①式可求取安装中配重体5所需最小体积；另外，若地下水密度为ρ、配重体5体积V_配重和空心管4横截面积S均一定时，从②式可求取安装中配重体所需最小密度。从而根据①、②两式方便的对该装置量程和配重体5的规格进行计算和调整。

另外，若地下水密度ρ是变化的，则根据①、②两式，应代入地下水变化的最大的密度值进行计算，并获取配重体5所需体积或密度，否则该装置在地下水密度变大时可能失效。

本发明还提供一种地下水位监测装置的监测方法，其包括如下步骤：

步骤1：安装地下水位监测装置，配重体5顶面设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体5处于悬空状态，参考体5设置于被监测点常年最低水位线下，记录当前地下水位初始高程H₀；

步骤2：记录第一电子测力计2和第二电子测力计3的当前初始读数，根据第二电子测力计3的当前初始读数，得到当前地下水的初始密度；

步骤:3：当水位高度和地下水密度发生变化时，根据第二电子测力计3的读数的变化，得到变化后的地下水密度，实时监测地下水的密度变化；

步骤4：根据步骤3中得到的变化后的地下水密度以及第一电子测力计2的读数的变化，得到变化后的地下水位高程；

步骤5：将步骤4中得到的变化后的地下水位高程通过通讯模块7向远程监测系统或监测终端传输数据；

步骤6：重复步骤3～5，对地下水位水面高程进行实时监测。

步骤2中得到当前地下水的初始密度和步骤3中得到变化后的地下水密度的具体计算方法为：

设步骤2中当前地下水的初始密度为ρ，第二电子测力计3的当前初始读数为F₀＇，参考体重力为G＇，参考体体积为V，则：

F₀＇＝G＇-ρgV 1)

通过公式1)，推导出步骤2中当前地下水的初始密度：

ρ＝(G＇-F₀＇)/(gV) 2)

步骤3中，当地下水位高程变化至H时，变化后的地下水密度变为ρ＇，第二电子测力计3的变化后的读数为F＇，则：

F＇＝G＇-ρ＇·gV 3)

通过公式3)，推导出：

ρ＇＝(G＇-F＇)/(gV) 4)

由公式2)和公式4)即可对任意时刻的地下水密度进行计算，式中，g为重力加速度，参考体6的重力G＇和体积V为已知，则根据第二电子测力计3的读数由公式4)求得任意时刻变化后的地下水密度ρ＇。

进一步地，步骤4中得到变化后的地下水位高程的具体计算方法为：

安装地下水位监测装置时，地下水位初始高程为H₀，第一电子测力计2的初始读数为F₀，当地下水位高程变化至H时，第一电子测力计2的当前读数为F，设钢丝绳、空心管4和配重体5三部分重力之和为G，配重体5受浮力为F_浮，则：

F₀＝G-F_浮-ρgS(H₀-h₀) 5)

F＝G-F_浮-ρ＇·gS(H-h₀) 6)

通过公式5)和公式6)，得到当地下水位高程H：

H＝h₀+(ρ/ρ＇)·(H₀-h₀)-(F-F₀)/(ρ＇·gS) 7)

将公式2)和公式4)代入公式7)，得到：

H＝h₀+[(G＇-F₀＇)/(G＇-F＇)]·(H₀-h₀)-[(F-F₀)/(G＇-F＇)]·(V/S) 8)

通过公式7)或者公式8)即可对任意时刻的地下水位进行实时监测，式中，h₀为配重体5顶端的高程，S为空心管4的横截面面积，g为重力加速度，ρ＇为变化的地下水密度变为ρ＇，H为当前被测地下水位高程。

地下水位监测装置的测量原理为：安装时，配重体5和参考体6必须全部淹没在地下水常年最低水位线之下，并使配重体5和参考体6处于悬空状态，不能接触水底面。且无论水位变化到何高度，配重体5和参考体6位置始终不会随水位升高空心管浮力增大而产生上浮，钢丝绳基本不会产生伸缩变化。且在安装地下水位监测装置时，当前地下水位初始高程已知，此时第一电子测力计2的读数表示为拉绳、空心管4和配重体5三部分重力之和减去空心管4和配重体5两者受到的浮力之和；随着地下水位高度的变化，空心管4被淹没的长度会发生改变，进而造成整个悬空部分所受浮力发生变化，从而造成第一电子测力计2读数的变化；处理器1根据电子测力计读数的变化和预先设定的公式及已知量可以自动测量出当前水位高度；而第二电子测力计3可以实时测量当前地下水的密度，可解决地下水密度变化情况下，地下水位实时、高精度测量的问题。

Claims (10)

1.一种地下水位监测装置，其特征在于，包括设置在地面上的监测分析模块，监测分析模块包括处理器(1)、用于测量重力的第一电子测力计(2)和第二电子测力计(3)；所述处理器(1)用于接收并处理所述第一电子测力计(2)和第二电子测力计(3)测量的重力信息；

所述第一电子测力计(2)的下方设置有整体为密封结构的空心管(4)，所述空心管(4)顶部高度高于常年最高水位线，空心管(4)的顶部与第一电子测力计(2)连接，空心管(4)的底部连接有配重体(5)，所述配重体(5)的顶面设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体(5)处于悬空状态，配重体(5)不会因空心管(4)和自身的浮力变化而产生上浮；

空心管(4)由多段管体(401)连接构成，空心管(4)长度可根据实际测量的地下水位变化范围进行变化和优选，且根据空心管(4)的长度相应更改配重体(5)的体积或密度，使得配重体(5)不会因水位变化空心管(4)所受浮力变化而产生上浮；

所述第二电子测力计(3)的下方连接有用于实时监测地下水密度的参考体(6)，所述参考体(6)设置于被监测点常年最低水位线下。

2.根据权利要求1所述的一种地下水位监测装置，其特征在于，监测分析模块还包括与所述处理器(1)电性连接的通讯模块(7)。

3.根据权利要求1所述的一种地下水位监测装置，其特征在于，还包括设置于地表上的安装平台(8)，监测分析模块设置于所述安装平台(8)上。

4.根据权利要求1所述的一种地下水位监测装置，其特征在于，所述配重体(5)和参考体(6)的均密度大于地下水的密度，配重体(5)的顶部呈小端朝上的圆锥结构或圆端朝上半球形结构，参考体(6)为圆球形或顶部为圆锥形，参考体(6)的体积可调整。

5.根据权利要求4所述的一种地下水位监测装置，其特征在于，所述空心管(4)的底端与所述配重体(5)的顶部表面螺纹密封连接。

6.根据权利要求1～5任一所述的一种地下水位监测装置，其特征在于，所述空心管(4)的顶部通过高强度钢丝绳与所述第一电子测力计(2)固定连接；所述参考体(6)通过高强度钢丝绳与所述第二电子测力计(3)固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种地下水位监测装置，其特征在于，所述空心管(4)包括多段呈中空密封结构的管体(401)，每段管体(401)的顶部设置有螺纹槽(402)，底部凸出设置有螺纹端(403)，所述管体(401)的上表面与所述螺纹端(403)端面之间的距离为0.5m～3m，相邻的两段管体(401)通过螺纹槽(402)和螺纹端(403)配合的方式连接；位于空心管(4)底端的管体(401)的底部用螺纹端(403)与配重体(5)的顶面连接。

8.根据权利要求1～7任一所述的一种地下水位监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：安装地下水位监测装置，配重体(5)顶面设置于地下水常年最低水位线之下，且配重体(5)处于悬空状态，参考体(6)设置于被监测点常年最低水位线下，记录当前地下水位初始高程H₀；

步骤2：记录第一电子测力计(2)和第二电子测力计(3)的当前初始读数，根据第二电子测力计(3)的当前初始读数，得到当前地下水的初始密度；

步骤:3：当水位高度和地下水密度发生变化时，根据第二电子测力计(3)的读数的变化，得到变化后的地下水密度，实时监测地下水的密度变化；

步骤4：根据步骤3中得到的变化后的地下水密度以及第一电子测力计(2)的读数的变化，得到变化后的地下水位高程；

步骤5：将步骤4中得到的变化后的地下水位高程通过通讯模块(7)向远程监测系统或监测终端传输数据；

步骤6：重复步骤3～5，对地下水位水面高程进行实时监测。

9.根据权利要求8所述的一种地下水位监测装置的监测方法，其特征在于，步骤2得到当前地下水的初始密度和步骤3中得到变化后的地下水密度的具体计算方法为：

设步骤2中当前地下水的初始密度为ρ，第二电子测力计(3)的当前初始读数为F₀＇，参考体(6)重力为G＇，参考体(6)体积为V，则：

F₀＇＝G＇-ρgV 1)

通过公式1)，推导出步骤2中当前地下水的初始密度：

ρ＝(G＇-F₀＇)/(gV) 2)

步骤3中，当地下水位高程变化至H时，变化后的地下水密度变为ρ＇，第二电子测力计(3)的变化后的读数为F＇，则：

F＇＝G＇-ρ＇·gV 3)

通过公式3)，推导出：

ρ＇＝(G＇-F＇)/(gV) 4)

由公式2)和公式4)即可对任意时刻的地下水密度进行计算，式中，g为重力加速度，参考体(6)的重力G＇和参考体(6)的体积V为已知，则根据第二电子测力计(3)的读数由公式4)求得任意时刻变化后的地下水密度ρ＇。

10.根据权利要求9所述的一种地下水位监测装置的监测方法，其特征在于，步骤4中得到变化后的地下水位高程的具体计算方法为：

安装地下水位监测装置时，地下水位初始高程为H₀，第一电子测力计(2)的初始读数为F₀，当地下水位高程变化至H时，第一电子测力计(2)的当前读数为F，设钢丝绳、空心管(4)和配重体(5)三部分重力之和为G，配重体(5)受浮力为F_浮，则：

F₀＝G-F_浮-ρgS(H₀-h₀) 5)

F＝G-F_浮-ρ＇·gS(H-h₀) 6)

通过公式5)和公式6)，得到当地下水位高程H：

H＝h₀+(ρ/ρ＇)·(H₀-h₀)-(F-F₀)/(ρ＇·gS) 7)

将公式2)和公式4)代入公式7)，得到：

H＝h₀+[(G＇-F₀＇)/(G＇-F＇)]·(H₀-h₀)-[(F-F₀)/(G＇-F＇)]·(V/S) 8)

通过公式7)或者公式8)即可对任意时刻的地下水位进行实时监测，式中，h₀为配重体(5)顶端的高程，S为空心管(4)的横截面面积，g为重力加速度，ρ＇为变化后的地下水密度，H为当前被测地下水位高程。

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