簡易可視井、孔水文地質觀測儀的研制和應用

摘 要：利用微型視頻技術和高精度光電計數技術，研制了一款用于地質勘探井、孔內簡易水文地質觀測的儀器，解決了以往水文監(jiān)測儀器能“測”不能“觀”等缺陷，它既可同時觀測地表溫度和井、孔內的地下水水溫、水位，又是井、孔內落物、斷桿和撈泵等鉆探事故處理的好幫手。經實際應用驗證，該儀器測量精度高，穩(wěn)定性好，抗干擾性強，便于攜帶，操作簡單，安全可靠，特別適用于勘探過程中簡易水文地質工作，具有較好的實用性。

關鍵詞：微型視頻；光電計數；地質勘探；水文地質觀測

1 研發(fā)背景

簡易水文地質觀測是地質勘探過程中了解井、孔內巖土層水文地質信息的重要工作手段。在簡易水文地質觀測工作中，盡管目前所采用的簡易水文地質觀測儀器繁多，但大多十分簡陋，測量精度也不能滿足不斷發(fā)展的簡易水文地質觀測要求，例如傳統觀測方法中，所使用的布圈尺、鋼圈尺時間使用長了字跡模糊，采用的測鐘反應不靈敏，測繩打結、尺標滑動，導線電鈴（燈炮）時常出現遇水長鳴（亮）的情況，導致簡易水文地質觀測信息準確度較差，工具也不耐用。同時，觀測儀器的功能較為單一，多數儀器只能測量水位或水溫，有些只能“測”不能“觀”，或者只能“觀”不能“測”，儀器智能化程度不高。

為適應現階段地質工作創(chuàng)新轉型發(fā)展的需要，湖北省地質局武漢水文地質工程地質大隊成立創(chuàng)新技改小組，在總結以往地質勘探水文地質觀測儀器及相關工具使用經驗的基礎上，擬開發(fā)一款可視化、小微型的數碼井、孔簡易水文地質觀測儀器，以滿足在礦產地質、水文地質、環(huán)境地質、地溫能普查等方面的工作需要。此觀測設備的開發(fā)，對多元地質信息綜合評判、解決工程中的水文地質問題和推進水文地質觀測儀器的發(fā)展具有十分重要的意義。

2 研制過程

為了開發(fā)一款操作簡單、節(jié)能環(huán)保、便于維護、安全可靠的多功能簡易水文地質觀測儀器，經歷了產品構思、市場調研、設計與制造、測試與改進、產品試用等以下幾個階段：

第一階段：產品構思（2014年7月）

2014年7月，在武漢水文地質工程地質大隊承擔的武漢市軌道交通7號線巖溶專項勘察項目中，水文地質勘察是該項目專項勘察的重要工作之一，需對工程區(qū)的地下水溫度、水位等進行觀測，同時還需要對地下深部的溶洞發(fā)育情況進行水下驗證觀察。在工作中，技術人員分別采用溫度計、測繩和井下電視等進行了測量，多次重復的在井、孔中下入相關設備，工作既費時又耗力。項目部了解該情況后，成立了創(chuàng)新技改小組，對該項簡易水文地質觀測工作進行攻關，提出了改造現有勘探井、孔簡易水文地質觀測設備（儀器）的構思，擬研發(fā)一款多功能、精度高的簡易水文地質觀測儀器，以滿足地質勘探及城市環(huán)境地質工程、巖溶勘察項目的工作需要。

第二階段：市場調研（2014年8月-2014年10月）

提出研發(fā)構想后，從2014年8月開始，創(chuàng)新技改小組成員采取市場調查、網絡搜索、查閱相關資料等方式，進行了市場調研，了解行業(yè)內簡易水文地質觀測儀器的研究發(fā)展現狀，對類似功能的儀器進行全面調查了解。通過調查研究，行業(yè)內的井孔簡易水文地質觀測儀器仍然沿用測繩、布圈尺、鋼圈尺等測具，以上測具存在不耐用、尺標滑動、字跡模糊等現象，功能較單一、精確度較差、智能化程度不高，未將當代電子、可視化等先進技術引入到地質勘探的井孔簡易水文地質觀測工作中來。市場上已有的井下電視探測儀、水位觀測儀等儀器，不僅功能單一，造價也十分昂貴，多數儀器并不適合在口徑較小的勘探井孔中進行測量，尚未發(fā)現有集測量地下水位、水溫、地表溫度及視頻為一體的井孔簡易水文地質觀測儀器。從市場調查的情況來看，研發(fā)該類儀器是符合行業(yè)發(fā)展需要的，也是市場上所需求的。

第三階段：設計與制造（2014年11月-2015年2月）

經過前期市場調研，創(chuàng)新技改小組提出在充分利用目前現有成熟技術的基礎上進行開發(fā)創(chuàng)新的基本工作思路。在確定儀器設備的功能目標上，創(chuàng)新技改小組成員集思廣益，提出了設備結構的組成，進行圖紙樣稿的繪制。在圖紙樣稿完成后，組織有關成員進行了圖紙會審，對其中各部件布局進行了合理化調整，經優(yōu)化后確定設計方案。設計方案確定后，聯系加工廠家，比照現有設備（儀器），進行設計圖紙放樣，試制各分系統樣品，在加工過程中對不合理的設計再次進行了調整，例如繞線盤尺寸、溫度顯示與視頻顯示器的布局等。在設備加工的同時，調查市場各類通信線材、視頻探頭、顯示器、計數器等器材。準備好各類材料后，進行安裝，完成觀測儀的制造。觀測儀制造完成后，進行20米深度初試，初試沒有發(fā)現異常問題。

第四階段：測試與改進（2015年3月-2015年5月）

為了測試儀器在最不利條件下的工作性能，對觀測儀繼續(xù)分系統進行50米深度測試。測試時，溫度顯示及設備其它系統均工作正常，但圖象顯示系統無法正常工作，顯示為黑屏，此階段試驗失敗。從2015年4月1日起，創(chuàng)新技改小組成員利用假日休息時間，剖析前段時間的工作思路、步驟，查找黑屏原因，咨詢視頻通訊專業(yè)人士，給出解決問題方案。經調整，首先將高清可視攝像系統，更換為模似電視傳輸系統，其次更換投入式液位計及專用線纜，將研發(fā)的復合型探頭再配上6類通訊線纜及繞線盤；同時，聘請視頻通訊方面的專家到測試現場幫助查找問題，分析原因，在專家指導下將現有4顆LED燈換成7顆遠紅外燈，增加攝像頭補光強度，在不增加線纜芯數的情況下，添加Poe分離器為攝像機提供電和數據傳輸。在鉆探施工現場按50米、70米、110米深度分別進行了測試，測試中各系統工作正常，儀器工作性能達到預期目的。

第五階段：產品試用（2015年6月-2015年10月）

本產品通過測試和改進后，隨即在湖北省淺層地溫能開發(fā)利用科研試驗基地水文地質勘察項目和武漢地鐵7號線巖溶勘察項目中投入試用，均達到預期效果。

3 儀器功能及特點

3.1 儀器結構及組成

簡易井、孔水文觀測儀由以下部件組成（見圖1、圖2）：

（1）高性能低功耗嵌入式彩色液晶顯示屏；

（2）百萬高清彩色攝像頭；

（3）帶逆向功能光電計數器（孔口導向輪）；

（4）高精度光電計數顯示器；

（5）工作電壓、時間、水位、雙溫度顯示器；

（6）可充電鋰電池；

（7）電源開關，單相；

（8）繞線盤；

（9）電纜線（六類通訊纜線，最大抗拉強度80Kg）；

（10）USB2.0接口；

（11）Poe分離器；

（12）高精度光電計數器支架等。

3.2 技術參數

（1）彩色攝像機，SONY機芯 圖像傳感器：SONY1/3”CCD

（2）圖像顯示： 2.5時高清晰度彩色液晶顯示屏

（3）視頻制式： PAL制 攝像角度： 120°

（4）分辯率：480（RGB）X240（QVGA） 水平解析度：700線

（5）紅外燈： 7顆φ5燈 紅外距離：3-8m

（6）觀測深度： 0-100m 探頭防水級別IP66

（7）工作電源：可充大容量電池（12VDC 6800mAh）

（8）工作溫度：-20-80℃

（9） 阻值范圍寬：1KΩ-200KΩ

（10）額定功率：≤25Mw

（11）高精度光電計數器尺寸：φ38X50（φ80） 探頭尺寸：（316不銹鋼） 120-φ26mm

（12）毛重：探頭 0.65kg、電計數器 0.3kg，總重：2.2kg（線纜除外）

3.3 工作原理及注意事項

簡易可視井、孔水文觀測儀的工作原理如下（如圖3所示）：

（1）在井、孔管口安裝好井、孔口裝置，通電后測試各顯示器工作正常，調整高精度光電計數顯示器顯示值為零。

（2）將帶電纜線的復合型探頭通過已安裝好的光電計數器，并校正好計數器輪對中及管口標高。

（3）緩慢轉動繞線盤向井、孔內投入復合型探頭，同時觀察各顯示屏，顯示圖像、數字變化，高清攝像頭（復合型探頭）到達井、孔內水面時，高清顯示屏顯示水面圖像，此時高精度光電計數顯示器所顯示的數值，就是井、孔內的地下水水位標高值。

（4）繼續(xù)下放帶隔離性復合型探頭1.0m，讓井、孔內的溫度感應器靜置水中5分鐘以上，再觀測地下水水溫、地表溫度、時間等并記錄相關信息。觀測儀設有備用系統，讓水阻接觸點接觸水面，當觸點接觸到水面時，便會接通接收系統中蜂鳴器（電平指示儀），當觸點離開水面時，就會自動關閉接收系統。關閉電源完成一次觀測。

（5）收回帶電纜線復合型探頭入繞線盤中，卸下管口光電計數器及顯示器。

（6）產品主要利用了高精度光電計數器、微型攝像機、顯示器、熱敏電阻、Poe分離器等器件的工作特性及原理。

簡易可視井、孔水文觀測儀使用有關注意事項如下：

（1）簡易可視井、孔水文觀測儀是能及時捕獲視頻影像的高科技電子儀器，使用前必須掌握產品特性。

（2）觀測所采用的測具，應符合國家計量標準，按規(guī)定進行檢定。

（3）每次觀測結果應當場核查，發(fā)現異常應及時補測；非正常情況影響地下水位、水溫觀測時，應在原始記錄表備注欄注明。

（4）工作時光電計數器，不要超過標稱轉速，否則會影響電器信號輸出。

（5）勿在額定溫度、功率范圍以外使用NTC熱敏電阻及其它電子產品。

（6）產品有抗振、抗爆功能，但不要在易燃、易爆環(huán)境中使用。

（7）探頭玻璃體須保持清潔，操作時應輕拿、輕放。

（8）每次將探頭投入井、孔管口時，必須把光電計數器清零。

（9）產品除探頭和電纜線外，其它配件不得浸入水中，以防電子器件損壞。

（10）不得在已知裸井、孔發(fā)生坍塌、涌泥、涌沙時，將探頭投入井孔內，避免造成不必要的損失。

（11）探頭在井孔、內發(fā)生卡、埋強提時力度不得超過電纜線最大抗拉能力，必要時可采取其它措施減輕損失。

（12）觀測后必須將復合型探頭、高精度光電計數器、電纜線等擦拭干凈，并把電纜線整齊地繞在繞線盤上，將電池充好電，存放在干燥處。

3.4 主要特點及優(yōu)勢

作為一款勘探井、孔簡易水文地質觀測儀器，它具有如下特點及優(yōu)勢：

（1）在地質勘探過程中首次利用微型視頻技術、高精度光電計數技術進行可視化簡易水文地質觀測。

（2）可同時觀測地表溫度和井、孔內的地下水水溫及水位、并同頻顯示雙溫，做到既能“測”也能“觀”。

（3）可靠性強、穩(wěn)定性好、測量精度高，水位的測量精度可達0.5cm，溫度的測量精度可達到 （±1°%），抗干擾性強。

（4）在處理井、孔內落物和斷桿、撈泵等事故中，能夠清楚顯示事故位置及類型、特征等，它具有獨特的直觀性和真實性。

（5）采用便攜式模塊化的設計，體積小、重量輕，現場安裝使用極為方便，同時設備自帶可充電電源，使用時間長，能夠連續(xù)工作48小時以上，特別適宜于野外作業(yè)。

（6）將溫度補償和線性校正轉換成4-20mADC標準電流信號輸出；視頻、計米數顯、雙溫顯示模組都留有再次開發(fā)利用串口（配上錄像設備或微機可對圖像數據存盤保存）。

（7）安全可靠，儀器帶工作電壓顯示，具有電源反相極性保護及過載限流保護功能。

4 應用效果

本儀器經現場試用后，后續(xù)又陸續(xù)在武漢地鐵5、8號線巖溶勘察、武漢市沌口長江公路大橋巖溶勘察、武漢市越秀國際金融匯三期（TC-I）樓勘察、武漢地質災害監(jiān)測預警等多個項目中投入應用，應用效果良好：一是實現了多功能、多數據觀測，所獲取的觀測數據真實可靠、圖像清晰，測量精度高；二是穩(wěn)定性好，抗干擾性強，在試用過程中均未出現儀器故障、測試數據異常的現象；三是儀器設備重量輕，便于攜帶，操作簡單，自帶電源，無需外用動力或電源，特別適用于野外地質作業(yè)；四是采取了安全設計措施，使用安全可靠，使用過程中的電壓僅有12VDC。從應用效果來看，已達到了產品設計的預期目標。

5 結束語

簡易可視井、孔水文地質觀測儀集多項功能為一體，可廣泛用于城市地質環(huán)境調查、淺層地溫能普查及地下水監(jiān)測工程中的井、孔簡易水文地質觀測，其制造成本低廉，性能穩(wěn)定，安全可靠，工作效率高，其市場應用前景十分廣闊，是現階段難得的一款實用環(huán)保型簡易水文地質觀測儀器。

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作者簡介：李愛軍（1974-），男，高級工程師，水工環(huán)專業(yè)，從事巖土工程勘察工作。