水位记录仪数据精确监测矿山水文地质数据

Solinst Levelogger 5 水位记录仪数据精确监测矿山水文地质数据

波兰露天采矿研究所 (Poltegor-Instytut) 的研究人员进行了多项研究，以确定Solinst Levelogger 水位记录仪是否适合对其采矿作业进行水文地质监测。

通过抽水测试和其他研究，他们表明，连续的高频水位数据对于准确跟踪采矿作业对地下水资源以及地表水与地下水相互作用的影响至关重要。

以下是发表在 Discovery Mining 上的有关研究的文章。

地下水位自动数据记录仪在水文地质研究中的应用

Grzegorz Firlit – “Poltegor-Instytut”露天采矿研究所，波兰弗罗茨瓦夫

本文提供了在水文地质研究中使用自动水位记录仪的示例。 由人为因素引起的地下水波动，例如开采矿物和地下水以及筑坝地表水，其特点可能是变化幅度频繁。研究结果表明，在测量地下水位变化时选择正确的测量频率对于解释观察到的现象和结果的质量至关重要。自动记录仪可以连续测量地下水位位置，使其成为监测研究中不可或缺的工具。

介绍

地下水是环境中不断发生数量变化的要素。 变化是由自然因素（例如季节性波动、不同的补给量）和人为因素（包括矿山脱水、地下水取水作业或地表水筑坝）引起的。 水环境的观测和研究是在自然条件下进行的，例如，在矿床勘探和记录过程中，以及与矿床开挖和开采有关的后期阶段，以及采矿后开挖的复垦过程中。 认识到脱水影响下发生的自然条件和变化，可以可靠地评估脱水对地表水道、天然和人工水库、地下水资源、地下水取水口功能、土壤、植被、农田和森林的影响， 地表水和地下水化学以及地面沉降。 许多作者都讨论过波兰地下水监测问题。

通过单井和多井抽水试验确定的含水层水力参数数据至关重要。 它们使得评估含水层和半渗透地层的水力参数成为可能。 在水道和水库中进行的研究使得评估河床和湖泊沉积物的水电导率成为可能。 在地下水监测中，必须将测量频率与观察到的现象正确匹配，这样才能正确评估持续的环境变化。 在这方面，自动地下水位记录仪是一个非常有用的工具。

地下水位自动记录仪在水位高频变化条件下的使用

作为“Poltegr-Institute”进行的水文地质研究的一部分，Solinst 的 Levelogger 5 Junior 数据记录仪（图 1）用于测量地下水位位置的变化，从而自动测量地下水位波动。它们是绝对数据记录器，测量施加在传感器上的总压力（水柱和大气压力）。通过安装Barologger（一种测量大气压力的表面记录仪）可以获得准确的结果。它用于通过大气压力补偿 Levelogger 5 Junior 的读数。 这样的一套可以在整个测量范围内以 0.01-0.02% 的精度进行测量，并以 0.5 秒至 99 小时的频率进行记录。 记录仪最多可存储40000组数据。 此外，它还配备了铂金RTD温度传感器，测量精度可达±0.1°C。 温度测量的频率与水位测量的频率相同。 使用 PC 的光学扩展坞（Field Reader 5）对记录器进行编程和读取数据。 Levelogger 软件允许以表格和图表的形式查看存储在记录器中的数据、将数据导出为其他格式以及对记录器进行编程。

自动地下水位数据记录仪用于抽水蓄能电站下水库区域的测量。进行测量的渗压计距离水库海岸线约 300 m，捕获第一个含水层，含水层为中粒和粗粒砂，混合有沙子和砾石。压力计安装了 191 小时，自动水位数据记录器编程为每小时记录一次。 收集结果的图表（图 2）显示了地下水位的清晰最大值，每 24 ± 2 小时定期重复一次。 数据表明抽水蓄能电站下水库地表水位对其附近地下水的影响。 这些波动与抽水蓄能电站的运行节奏、电站下水库的注水和排空密切相关。 如果在南方以每 24 小时一次的频率进行测量，则显示地下水位的图表形状（图 2）将无法观察到地下水位以 24 小时为周期的变化。 在这种情况下，最多只能观察到两个最大值，这与抽水蓄能电站的运行无关。 此外，每隔一小时和每 24 小时进行一次测量的地下水位波动幅度也存在显着差异。 每一小时测量一次，为0.083 m； 每 24 小时测量一次，该值是 0.041 m，小两倍。 这个例子说明了根据正确选择的测量频率来解释所获得的结果的可能性。

图 1. A – 水位记录仪和气压记录仪在水文地质钻孔中的安装方案，B – Solinst 的 Levelogger 5 Junior，C – 用于将数据记录器连接到计算机的软件窗口以及使用光学扩展坞连接的数据记录器。

图2 抽水蓄能电站下水库区域1 h和24 h频率测量地下水位波动图

使用自动地下水位计的另一个例子来自对广阔河谷系统中地表水和地下水之间相互作用的观察。 在本例中，数据记录仪安装在斯西纳瓦上游奥得河谷的渗压计中。 测压计P2位于距河床600 m处，被选为代表点。 图表（图 3）显示了 2021 年 3 月期间希纳瓦 IMGW 水位计显示的奥得河水位，以及压力计 P2 中地下水的波动情况。下半月，淡水波 奥得河有记录，希西纳瓦水位计连续五天超过警报水位。 安装在压力计 P2 中的液位记录器经过编程，以每天一次的频率执行测量。 在这样一个周期中进行的测量可以将地表水位和地下水位的特征状态关联起来。 这些数据可以确定地下水从地表水补给的响应时间，在本例中为 1-2 天。 这些数据可用于确定水位的适当筑坝高度，以满足河谷作为依赖高地下水位的生态系统的环境要求。 在拦截短期潮汐的情况下，以较低测量频率进行的观测将无法建立地表水位和地下水位的相关性。 以每天一次的频率进行手动测量将迫使观察员的雇用，在地下水监测网络由十几个或更多点组成的情况下，这比安装自动数据记录仪的成本更高。

研究人员讨论了使用地下水监测数据来评估水电站等筑坝结构影响的问题。 自动地下水位记录仪形式的现代解决方案有助于正确解释所获得的监测数据。

Levelogger 5 Junior非常成功地用于监测水文地质钻孔测量抽水过程中地下水位位置的变化，特别是在需要同时观察几个到十几个或更多压力计的压力计系统中。 最敏感的阶段是抽水测试的启动后阶段，此时以高频率进行地下水位测量，即从抽水开始至 15 分钟每 1 分钟一次，抽水每 2 分钟至 30 分钟一次，每 5 分钟进行一次地下水位测量。 分钟至 2 小时的泵送时间。准确绘制抽水试验期间地下水位下降及其恢复稳定状态的图表，可以正确解释水文地质实验的结果，并准确确定水电导率（T）、过滤系数（k）等含水层参数。Levelogger 5 Junior可以成功安装在水文地质井的观测渗压计中，也可以安装在抽水井中，在抽水完成后，在填充所形成的凹陷锥体期间。 泵的运行会干扰压力记录仪的读数，导致无法将记录仪安装在抽水井中。

图4为抽水试验过程中测压系统的三个观测测压计的地下水位测量结果。 数据记录仪被编程为以每 5 分钟一次的频率进行测量和记录，这使得能够获得三种不同速率的抽水测试期间地下水位波动的准确图表以及地下水位的稳定性。 以如此精确度获得的数据使我们能够绘制泵送曲线

图 3. 2021 年 3 月希西纳瓦 IMGW 水位计上的地表水位和 P2 压力计上的地下水位。

图 4 水工系统测量抽水过程中三个观测测压计地下水位图

结论

上述示例仅说明了“Poltegor-Institute”员工在水文地质研究中使用的地下水位自动记录仪的一些选定应用。 当需要进行高频测量或同时进行多点测量时，这些设备特别有用。它们可以成功地用于观察人为因素引起的地下水位变化，例如采矿排水、地下水集约开采、地表水筑坝和滞留。 由上述因素引起的地下水环境变化通常发生得很快，比自然季节变化快得多，并且手动测量并不总是能够正确识别所观察到的现象的规模。事实证明，针对所观察到的现象选择正确的测量频率至关重要。测量频率太低会极大地扭曲观察结果并影响其解释。