CN115032355A - 一种多深度地下水水质参数自动化监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多深度地下水水质参数自动化监测系统，水质传感器与第一水位传感器固定后一起伸入地下水中，水质传感器的另一端通过绳索固定于转盘，转盘通过刚性联轴器连接于调速电机，调速电机连接于调速开关；第二水位传感器伸入地下水井历史最低枯水位以下深度，第二水位传感器的另一端用扎带固定于地面；微机控制模块分别与调速开关、时间控制模块、数据采集模块、GPRS传输模块和供电模块相连，根据时间控制模块定时发送的信号或手机端APP指令实现两种监测模式间的切换。本发明只需要一组水质传感器，不需要像现有技术那样同时在不同深度埋设多组水质传感器，既节约设备成本又能大幅提高监测点密度，精细监测垂向水质参数剖面变化过程。

Description

一种多深度地下水水质参数自动化监测系统

技术领域

本发明涉及地下水位水质监测技术，具体涉及一种多深度地下水水质参数自动化监测系统。

背景技术

地下水水质参数(如电导率、pH等)是地下水质量评价、溶质运移模拟及生态保护修复评估中的重要指标。其中地下水表层水体是土壤包气带的下边界，受气象条件(降雨、蒸发)、农业生产活动等剧烈影响，是重要的水质参数监测区。此外，下层地下水水化学组成因受周边环境影响，例如点状污染源、高盐古地下水等，可能出现垂向水质参数的突变，该突变界面亦随时间变动。因此，需要同时监测随时间变化的表层及多个深度处水体的水质参数。

现有地下水水质参数野外长期监测方案中，通常设置单一传感器组监测单一深度处水质参数，多深度监测需要布设多个传感器组，如专利地下水分层自动监测系统(申请号201410157645.6)，该发明专利技术方案中设置的多深度监测所需传感器数量多，成本较高；并且该发明专利的监测技术中水质传感器组的监测位置固定，缺失未设置传感器组处的水体水质参数，因此无法精准探测可能存在的水质参数突变界面位置。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种多深度地下水水质参数自动化监测系统。

技术方案：本发明的一种多深度地下水水质参数自动化监测系统，包括水质传感器组、第一水位传感器、第二水位传感器和微机控制模块；所述水质传感器组与第一水位传感器固定后一起伸入地下水中(例如可以位于当前地下水水面以下至少10cm深度处)，水质传感器组的另一端通过绳索固定于转盘，所述转盘通过刚性联轴器连接于调速电机，所述调速电机连接于调速开关；所述第二水位传感器伸入地下水井历史最低枯水位以下深度，第二水位传感器的另一端用扎带固定于地面；所述微机控制模块分别与调速开关、时间控制模块、数据采集模块、GPRS传输模块和供电模块相连；

所述第一水位传感器实时检测定位水质传感器组的水下监测深度，所述第二水位传感器实时检测地下水位埋深；所述调速电机与调速开关调控水质传感器组的水下深度；所述时间控制模块实时向微机控制模块传输当前时间信息；

所述数据采集模块周期性将水质传感器组、第一水位传感器和第二水位传感器信号转成相应水质和水位数据进行存储，并传输至微机控制模块，所述微机控制模块收到水质和水位数据后通过GPRS传输模块实时发送至移动客户端(例如TLINK)，通过移动客户端来实现数据的实时查询、下载等等；

若第一水位传感器的实时数据触发表层水体稳定监测深度控制条件，则由微机控制模块向调速开关发送运转指令，调速开关控制调速电机执行模式(1)；模式(1)是指表层水体固定深度监测；

在时间控制模块内设定垂向巡航测量任务启动的时间间隔△T，由微机控制模块根据时间间隔△T定期向调速电机发送垂向巡航测量指令，调速开关控制调速电机周期性启动模式(2)；或通过移动客户端发送垂向巡航测量指令至GPRS传输模块，GPRS传输模块将垂向巡航测量指令传送至微机控制模块，微机控制模块向调速开关发送运转指令，调速开关控制调速电机启动模式(2)；所述模式(2)是指垂向等间距巡航测量。

本发明默认为模式(1)，可根据时间控制模块定时发送的信号或手机端APP指令实现两种监测模式间的切换。

进一步地，所述绳索采用聚四氟乙烯材质制成，所述转盘采用不锈钢材质制成；所述第二水位传感器的另一端通过尼龙扎带和生铁砝码固定于待测地下水井附近。

进一步地，所述模式(1)中第一水位传感器与水质传感器组所处深度位置相同，利用第一水位传感器来监测跟踪水面位置动态变化；设定D1(t)为某一时刻t第一水位传感器测量到的水下深度；

当D1(t)与表层水体稳定监测深度H的绝对差值超过设定的变化阈值时，即∣D1(t)-H∣﹥△H时，微机控制模块控制调速开关启动调速电机，通过调速电机将水质传感器组和第一水位传感器重新放置于水深H处；

若D1(t)-H>△H，则将调速电机正向转动，将水质传感器组上拉至H处；反之，若H-D1(t)>△H，则将调速电机反向转动，将水质传感器组下放至H处；

其中H为表层水体稳定监测深度，△H为表层监测水深变化阈值。

为进一步监测地下水井各固定埋深处水质参数随时间的变化规律，当模式(2)的垂向等间距巡航测量任务启动后，首先将水质传感器组放置于表层水体稳定监测深度H处，即D1(t)＝H；然后利用第二水位传感器的深度测量值来确定水质传感器组所处埋深，即：

Da(t)＝Db-D2(t)+H；

设定下一个测量埋深为[int(Da(t)/△D)+1]*△D，水质传感器组的下降距离则为：[int(Da(t)/△D)+1]*△D-Da(t)；

接着按照测量间距△D将水质传感器组下放至下一个深度处，每个深度处的悬停测量时间为T，△t为T时段内的数据采集时间间隔，且T为△t的整数倍；

当完成最大埋深D_max处测量后，传感器组被缓慢上升至表层水体稳定监测深度H处；

上述测量过程中第一水位传感器与地面之间的距离Da(t)如下：

Da(t)＝D_w(t)+D1(t)＝Db-D2(t)+D1(t)；

D_w(t)＝Db-D2(t)；

其中D_w(t)为地下水面与地面之间的距离(即地下水位埋深)，D1(t)为第一水位传感器测量到的水下深度，D2(t)为第二水位传感器测量到的水下深度，Db为已知的第二水位传感器与地面之间的固定距离，△D为巡航测量垂向间距，D_max为地下水井最大测量埋深值，且D_max为△D的整数倍；

在垂向等间距巡航测量任务中，每次悬停时水质传感器组均进行水质参数采集任务。

进一步地，所述微机控制模块包括微机控制器、中间继电器一和中间继电器二，所述中间继电器一控制调速开关的上升模式，所述中间继电器二控制调速开关的下降模式；所述微机控制器判断两种监测模式中相应的上升触发条件和下降触发条件，具体如下：

当上升触发条件判断为YES时，微机控制器输出一个闭合开关量给中间继电器一，中间继电器一形成电路连通，将调速开关中的上升运行电路接通，调速开关即控制调速电机开启上升模式；当下降触发条件判断为YES时，微机控制器输出一个闭合开关量给中间继电器二，中间继电器二形成电路连通，将调速开关中的下降运行电路接通，调速开关即控制调速电机开启下降模式；当触发条件判断都为NO时，两个中间继电器均不连通，调速电机不转动。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明能够实现表层水体固定深度监测模式和垂向等间距巡航测量模式的自如切换，能够适应多种监测任务的需求。

(2)本发明只需要一组水质传感器即可，不需要像现有技术那样需要同时在不同深度埋设多组水质传感器，既节约了设备成本又提高了监测点密度，能够精细监测垂向水质参数剖面变化过程。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中不同测量位置和深度示意图；

图3为本发明中两种运行模式切换流程图；

图4为本发明中微机模块控制调速电机升降的流程图；

图5为实施例中监测结果对比示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1和图2所示，本发明的一种多深度地下水水质参数自动化监测系统，包括水质传感器组1、第一水位传感器2、第二水位传感器3和微机控制模块11；水质传感器组1与第一水位传感器2通过抱箍4固定后一起伸入地下水中，水质传感器组1的另一端通过聚四氟乙烯绳索5固定于不锈钢转盘6，不锈钢转盘6通过刚性联轴器7连接于调速电机8，调速电机8连接于调速开关9；第二水位传感器3伸入地下水井历史最低枯水位以下深度，第二水位传感器3的另一端通过尼龙扎带16和生铁砝码15(或者其他配重方式)固定于待测地下水井附近地面；微机控制模块11分别与调速开关9、时间控制模块10、数据采集模块14、GPRS传输模块12和供电模块13相连，第一水位传感器2实时检测定位水质传感器组1的水下监测深度，所述第二水位传感器3实时检测地下水位埋深；所述调速电机8与调速开关9调控水质传感器组1的水下深度；所述时间控制模块10实时向微机控制模块11传输当前时间信息；数据采集模块14周期性将水质传感器组1、第一水位传感器2和第二水位传感器3信号转成相应水质和水位数据进行存储，并传输至微机控制模块11，所述微机控制模块11收到水质和水位数据后通过GPRS传输模块12实时发送至移动客户端，实现数据的实时查询、下载等功能；

若第一水位传感器2的实时数据触发表层水体稳定监测深度控制条件，则由微机控制模块11向调速开关9发送运转指令，调速开关9控制调速电机8执行模式(1)；模式(1)是指表层水体固定深度监测；

在时间控制模块10内设定垂向巡航测量任务启动的时间间隔△T，由微机控制模块11根据时间间隔△T定期向调速开关9发送垂向巡航测量指令，调速开关9控制调速电机8周期性启动模式(2)；或通过移动客户端发送垂向巡航测量指令至GPRS传输模块12，GPRS传输模块12将垂向巡航测量指令传送至微机控制模块11，微机控制模块11向调速开关9发送运转指令，调速开关9控制调速电机8启动模式(2)；所述模式(2)是指垂向等间距巡航测量。

本实施例的模式(1)中第一水位传感器2与水质传感器组1所处深度位置相同，利用第一水位传感器2来监测跟踪水面位置动态变化；设定D1(t)为某一时刻t第一水位传感器2测量到的水下深度；

当D1(t)与表层水体稳定监测深度H的绝对差值超过设定的变化阈值时，即∣D1(t)-H∣﹥△H时，微机控制模块11控制调速开关9启动调速电机8，通过调速电机8将水质传感器组1和第一水位传感器2重新放置于水深H处；

若D1(t)-H>△H，则将调速电机8正向转动，将水质传感器组1上拉至H处；反之，若H-D1(t)>△H，则将调速电机8反向转动，将水质传感器组1下放至H处；

其中H为表层水体稳定监测深度，△H为表层监测水深变化阈值。

本实施例的模式(2)中垂向等间距巡航测量任务启动后，首先将水质传感器组1放置于表层水体稳定监测深度H处，即D1(t)＝H；然后利用第二水位传感器3的深度测量值来确定水质传感器组1所处埋深，即：

Da(t)＝Db-D2(t)+H；

设定下一个测量埋深为[int(Da(t)/△D)+1]*△D，水质传感器组1的下降距离则为：[int(Da(t)/△D)+1]*△D-Da(t)；

接着按照测量间距△D将水质传感器组1下放至下一个深度处，每个深度处的悬停测量时间为T，△t为T时段内的数据采集时间间隔，且T为△t的整数倍；

当完成最大埋深D_max处测量后，传感器组被缓慢上升至表层水体稳定监测深度H处；

上述测量过程中第一水位传感器2与地面之间的距离Da(t)如下：

Da(t)＝D_w(t)+D1(t)＝Db-D2(t)+D1(t)；

D_w(t)＝Db-D2(t)；

其中D_w(t)为地下水面与地面之间的距离(即地下水位埋深)，D1(t)为第一水位传感器2测量到的水下深度，D2(t)为第二水位传感器3测量到的水下深度，Db为已知的第二水位传感器3与地面之间的固定距离，△D为巡航测量垂向间距，D_max为地下水井最大测量埋深值，且D_max为△D的整数倍；

在垂向等间距巡航测量任务中，每次悬停时水质传感器组1均进行水质参数采集任务。

如图3所示，本实施例启动模式(2)垂向等间隔巡航测量的方式有两种，其一是GPRS传输模块12接收到手机端APP发送的巡航启动指令，GPRS传输模块12将巡航启动指令发送给微机控制模块11，其二是时间控制模块10中到了设定的巡航测量启动时间时，时间控制模块10输出闭合开关量给微机控制模块11，当微机控制模块11接收到闭合开关量或巡航启动指令，则启动模式(2)，若未收到闭合开关量或巡航启动指令，则运行模式(1)。

如图4所示，本实施例中微机控制模块11包括微机控制器和两个中间继电器，其中中间继电器一控制调速开关9的上升模式，中间继电器二控制调速开关9的下降模式。微机控制器判断两种监测模式中相应的上升触发条件和下降触发条件，具体如下：

当上升触发条件判断为YES时，微机控制器输出一个闭合开关量给中间继电器一，中间继电器一形成电路连通，将调速开关9中的上升运行电路接通，调速开关9即控制调速电机8开启上升模式；同理，当下降触发条件判断为YES时，微机控制器输出一个闭合开关量给中间继电器二，中间继电器二形成电路连通，将调速开关9中的下降运行电路接通，调速开关9即控制调速电机8开启下降模式；当触发条件判断都为NO时，两个中间继电器均不连通，调速电机8不转动。

实施例1：

本实施例以滨海盐碱地地下潜水为例，滨海盐碱地的表层地下水受降水、人工灌溉等多种因素影响，盐分含量相对较低，盐度极高的古海水埋藏于地下较深处，水体中盐分含量呈现明显的垂向变化特征。

假设滨海盐碱地某一口地下水井深度为6.00m，历史最低枯水位埋深2.00m，设置最大测量埋深D_max＝6.00m，巡航测量垂向间距△D＝15cm。表层水体稳定监测深度为H＝10cm，水深变化阈值△H＝2cm，数据采集时间间隔△t＝10s，垂向巡航测量时每个深度处的悬停测量时间T＝30s，为尽可能减少传感器下降、上升过程对水体的扰动影响，采用低速的调速电机8。垂向巡航测量任务启动时间间隔设置△T＝24小时，每天上午8点开启采集。

将系统内各部件连接固定后，将第二水位传感器3放置于井内地下埋深2.50m处，将绑定后的第一水位传感器2与水质传感器组1放入地下水面以下任一深度处，此时微机控制器根据第一水位传感器2的实时水深数据判断，控制调速开关9，启动调速电机8，将水质传感器组1提升至水深10cm处，开始监测水质参数。

当地下水位因持续蒸发而降低，且第一水位传感器2的水深值小于8cm时，调速电机8反向转动，将水质传感器组1下放，直至水深10cm处；当降雨补给致使地下水位上升，且第一水位传感器2的水深值大于12cm时，调速电机8正向转动，将水质传感器组1上拉，直至水深10cm处。

当每天上午8点时，微机控制器触发巡航测量指令，控制调速电机8转动，首先将水质传感器组1定位至水深10cm处，悬停30s测量水质数据，假设此时第二水位传感器3测得的水深值D2(t)＝1.05m，则地下水位埋深值D_w(t)＝1.45m，此时水深10cm处埋深为1.55m，即Da(t)＝155cm，已知△D＝15cm，则下一个测量埋深为1.65m([int(155cm/15cm)+1]*15＝165cm)，因此调速电机8反向转动，将水质传感器组1下降10cm后，悬停30s。

随后水质传感器组1每次下放15cm后，悬停30s进行测量，直至第一水位传感器2的水深数据达到4.45m(即到达最大测量埋深)时。最大测量埋深处悬停时间结束后，通过调速电机8将水质传感器组1缓慢上升至水深10cm处。此外，也可以通过移动客户端发送垂向巡航测量指令，开启一次测量任务。

为进一步验证本发明技术方案的有益效果，如图5所示，将本发明与现有技术方案做对比试验。现有技术方案在5个固定埋深(2.25m、3m、4m、5m、6m)处设置水质传感器组1，连续10天无雨，地下水受蒸发作用逐渐降低，第1天、第4天、第7天、第10天的地下水埋深分别为1.2m、1.35m、1.8m、2.1m。随着地下水位下降，高咸水界面逐渐上升。图5(a)为本发明方案的水体垂向电导率监测数据，图5(b)为现有技术方案电导率监测数据。

通过上述试验可发现，本发明只需要用一组水质传感器组1即可加密监测垂向多个固定埋深处的水质参数，监测期内至少有27个监测点数，可精细追踪咸淡水界面的变化过程。而其他现有技术方案利用固定埋深处的监测方案，只能得到垂向5个点位的监测数据，仅能推测较为粗略的咸淡水过渡区间，无法获取咸淡水界面的变化过程。

Claims (5)

1.一种多深度地下水水质参数自动化监测系统，其特征在于：包括水质传感器组、第一水位传感器、第二水位传感器和微机控制模块；所述水质传感器组与第一水位传感器固定后一起伸入地下水中，水质传感器组的另一端通过绳索固定于转盘，所述转盘通过刚性联轴器连接于调速电机，所述调速电机连接于调速开关；所述第二水位传感器伸入地下水井历史最低枯水位以下深度，第二水位传感器的另一端用扎带固定于地面；所述微机控制模块分别与调速开关、时间控制模块、数据采集模块、GPRS传输模块和供电模块相连；

所述第一水位传感器实时检测定位水质传感器组的水下监测深度，所述第二水位传感器实时检测地下水位埋深；所述调速电机与调速开关调控水质传感器组的水下深度；所述时间控制模块实时向微机控制模块传输当前时间信息；

所述数据采集模块周期性将水质传感器组、第一水位传感器和第二水位传感器信号转成相应水质和水位数据进行存储，并传输至微机控制模块，所述微机控制模块收到水质和水位数据后通过GPRS传输模块实时发送至移动客户端；

若第一水位传感器的实时数据触发表层水体稳定监测深度控制条件，则由微机控制模块向调速开关发送运转指令，调速开关控制调速电机执行模式(1)；模式(1)是指表层水体固定深度监测；

在时间控制模块内设定垂向巡航测量任务启动的时间间隔△T，由微机控制模块根据时间间隔△T定期向调速开关发送垂向巡航测量指令，调速开关控制调速电机周期性启动模式(2)；或通过移动客户端发送垂向巡航测量指令至GPRS传输模块，GPRS传输模块将垂向巡航测量指令传送至微机控制模块，微机控制模块向调速开关发送运转指令，调速开关控制调速电机启动模式(2)；所述模式(2)是指垂向等间距巡航测量。

2.根据权利要求1所述的多深度地下水水质参数自动化监测系统，其特征在于：所述绳索采用聚四氟乙烯材质制成，所述转盘采用不锈钢材质制成；所述第二水位传感器的另一端通过尼龙扎带和生铁砝码固定于待测地下水井附近。

3.根据权利要求1所述的多深度地下水水质参数自动化监测系统，其特征在于：所述模式(1)中第一水位传感器与水质传感器组所处深度位置相同，利用第一水位传感器来监测跟踪水面位置动态变化；设定D1(t)为某一时刻t第一水位传感器测量到的水下深度；

当D1(t)与表层水体稳定监测深度H的绝对差值超过设定的变化阈值，即∣D1(t)-H∣﹥△H时，微机控制模块控制调速开关启动调速电机，通过调速电机将水质传感器组和第一水位传感器重新放置于水深H处；

若D1(t)-H>△H，则调速电机正向转动，将水质传感器组上拉至H处；反之，若H-D1(t)>△H，则将调速电机反向转动，将水质传感器组下放至H处；

其中H为表层水体稳定监测深度，△H为表层监测水深变化阈值。

4.根据权利要求1所述的多深度地下水水质参数自动化监测系统，其特征在于：当模式(2)的垂向等间距巡航测量任务启动后，首先将水质传感器组放置于表层水体稳定监测深度H处，即D1(t)＝H；然后利用第二水位传感器的深度测量值来确定水质传感器组所处埋深，即

Da(t)＝Db-D2(t)+H；

设定下一个测量埋深为[int(Da(t)/△D)+1]*△D，水质传感器组的下降距离则为：[int(Da(t)/△D)+1]*△D-Da(t)；

接着按照测量间距△D将水质传感器组下放至下一个深度处，每个深度处的悬停测量时间为T，△t为T时段内的数据采集时间间隔，且T为△t的整数倍；

当完成最大埋深D_max处测量后，传感器组被缓慢上升至表层水体稳定监测深度H处；

上述测量过程中第一水位传感器与地面之间的距离Da(t)如下：

Da(t)＝D_w(t)+D1(t)＝Db-D2(t)+D1(t)；

D_w(t)＝Db-D2(t)；

其中D_w(t)为地下水面与地面之间的距离，D1(t)为第一水位传感器测量到的水下深度，D2(t)为第二水位传感器测量到的水下深度，Db为已知的第二水位传感器与地面之间的固定距离，△D为巡航测量垂向间距，D_max为地下水井最大测量埋深值，且D_max为△D的整数倍。

5.根据权利要求1所述的多深度地下水水质参数自动化监测系统，其特征在于：所述微机控制模块包括微机控制器、中间继电器一和中间继电器二，所述中间继电器一控制调速开关的上升模式，所述中间继电器二控制调速开关的下降模式；所述微机控制器判断两种监测模式中相应的上升触发条件和下降触发条件，具体如下：

当上升触发条件判断为YES时，微机控制器输出一个闭合开关量给中间继电器一，中间继电器一形成电路连通，将调速开关中的上升运行电路接通，调速开关即控制调速电机开启上升模式；当下降触发条件判断为YES时，微机控制器输出一个闭合开关量给中间继电器二，中间继电器二形成电路连通，将调速开关中的下降运行电路接通，调速开关即控制调速电机开启下降模式；当触发条件判断都为NO时，两个中间继电器均不连通，调速电机不转动。

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