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如何成为一个水井医生
第十章如何選擇地下水位感應器與校定?
地下水靜水位(Staticwaterlevel)的定義是從井體內徑的頂端到井中靜止之水面,獲得靜水位的資料是地下水監測站網評估地下水流動方向,地下水位變動與地下水流量最重要的參數,即使在地下水生產井,評估井體洗井效果、井出水效率等因子,也需要測定地下水靜水位。
傳統靜水位的量測
傳統測定地下水靜水位的方法有二種方法,一種是以鐵捲尺測定,這種方法祗能用在很淺的井中,完全以肉眼看鐵捲碰到水位後,引起的波動所產生對地面傳來微弱之光的反射光線。
另一種最常用的方法,是在鐵捲尺的前場接著一具傳聲器,當鐵捲尺接的到水面時,會傳出「哆」的音響,這種方法可以量測深井的靜水位,或是一、二百公尺深的井靜水位,早在十九世紀中葉,荷蘭開始量測井靜水位時,就用這種方法。
但是這種聽聲音判斷也有缺點,就是每一個人對聽覺的敏感力不同,判斷力也不一樣。
為此,就有改良式的「電子水位指示器」(electronicwaterlevelindicators)出產,大多是用不鏽鋼製造的捲帶,捲帶上有刻度,捲帶的頭像魚鈎的鉛垂一樣,這樣可以有一個重量,使捲帶在測量水位時,保持在張力的情況下,而使捲帶垂直進入井中,當捲帶一端接觸水面時,因接通鐵捲的電線迴流,而使得在鐵捲的另一端所附燈泡發亮,即可以由鐵捲所附刻度上知道水位。
電子式地下水靜水位量測的誤差
電子水位指示器,在操作上簡便,而且容易讀出靜水位的所在,成為人工量測深、淺井或觀測井,最常用的儀器。
但是在使用電子水位指示器時,需要注意幾個測量時可能產生的量測誤差,以免過度依賴電子儀器,取代自己的判斷,產生不必要的過度樂觀。
電子水位指示器在使用上有幾種誤差:
1.當水位不靜止時:
靜水位在非靜止情況下的量測誤差,是電子水位指示器最常見的誤差,尤其為一般量測者所忽視,因為看不到井中水面是否有波動,而井中水面有波動時,電子水位指示器的測定就會不準確。
造成井體水位波動的原因很多:
(1)量測水位時,正逢下雨。
即下一、二滴雨滴「恰巧」進入井體中,也會造成水位波動。
(2)在一些井體中,裡面有「井底之蛙」在活動,也會造成水位測定的干擾。
在過去我們的水井實地操作經驗裡,目睹到井中真的有青蛙、蛤蟆,方知古人所言是實。
(3)接近海邊的井水位受到潮汐的影響,也會有週期性的水位波動。
此外量測時正逢地震,或有大卡車、火車急駛而過,所對地下造成的壓力波動,都會使靜水位產生波動。
(4)在測定靜水位時,周圍正有人在大量使用地下水,造成靜水位處於一個極不穩定的變化,這在田間實地測量是會經常遇到的狀況。
在量測靜水位時,附近的灌溉用水井,或是養殖用水井正在大量抽水,水位欲靜而抽水不止,根本無法進行水位量測取得平常含水層水壓的真正資料。
2.當靜水位的水面有一層浮油時:
有些井體含水層中受到石油或有機溶劑進入的影響,以致井中也有這些非水溶性有機液體(nonaqueousphaseliquid,LNAPL)。
有一些LNAPL的密度大於水的比重,會沈到水面以下,有一些LNAPL的比重小於1就會浮在水面上,當水位測定器以為接觸到水面時,其實是LNAPL的表面,會干擾真正靜水位的讀取。
井體中LNALP常會吸附在水位測定器上,使得測定器上有一層黑色的黏液薄膜,除非浸泡在含界面活性劑的清潔液中,否則不易清除,因為LNAPL為非電解質,不會導電,傳統電子式的水位指示器如果是接觸水面,會因著水的通電而造成通電迴路,則LNAPL就會干擾水位的測定,尤其是使得接觸水感應的靈敏性降低。
校正這種誤差的方法,可以先用採樣器將地下水取出之後,置於量筒內,看井水中有沒有浮油,及浮油的深度。
在有浮油的井體中,井靜水位是經由水位量測器所測得的,減去浮油的深度才是真正的靜水位或是直接在井體中投置清潔劑,待水位浮油乳化後,再量測靜水位也是可以。
3.當井體污穢阻塞時:
在井體阻塞嚴重時,也可以測到靜水位,但是在這種情況下,靜水位與淺層含水層的地下水自由水面,或是受壓含水層的靜水壓,都不具有相關。
因為水壓力在經過嚴重阻塞的濾水孔時,已經損耗大部份的能量,此時井靜水位變成變化不大的死水,在田間靜水位的測定時,這種狀況也會遇到。
定量的靜水位量測本來是有季節性的變化,但是一年之中靜水位變化達恆定,或是一年之中靜水位的變化很小,這時就需要考慮井體是否有阻塞。
有些井體長期缺乏維護,井壁有一些污濁物吸附,當進行靜水位量測時,井壁上的有機物,細菌黏液會黏在地下水位測定器的線路上改變電阻,進而影響訊號傳送。
甚至在測定儀器使用後,如果沒有仔細洗滌乾淨,會使得儀器被腐蝕,而減少儀器使用的靈敏度與精確度,這在我過去多次田間經驗裡,覺得必須提出的意見。
有些井體的阻塞,是在井孔中,因有外物掉入而卡在井管中,以致水位測量不定時,連鐵捲都下不去,這時需備吊錘以去除卡在井管之物。
這在過去測定的經驗中,有意外發現外物掉落到井管內,如螺絲起子(大概是施工時不甚落入)、樹枝等,都會造成水位測定上的困擾。
儀器本身失去精確度的發現
一個使用儀器的量測者,必須知道儀器使用什麼時候會有誤差產生,與儀器測定的靈敏度。
影響地下水位測定電子感應儀器的靈敏度原因有二種:
1.長度的改變。
Wilson(1995)提出的鐵捲尺在長期使用後,由於一次的測量就是承受一次張力,使得刻度會有逐漸拉長間距的現象,因此在選擇採購地下水水位測定器時,材質承受張力的強度是必須考慮的要素。
他提出當測定水位的捲尺,若長度超過原來長度的0.05%就不能夠再使用了,所以每年要有標準尺長度量測捲尺長度,一條300公尺長的捲尺,若延長15公分以上,就不能再使用了。
2.長度的不足。
每一條測定水位的電訊傳遞強度都受電阻的影響,測定的水位愈深,所用的鐵捲長度愈長,傳輸電流的阻力會增大,接受的電流會愈小。
很多地下水位測定的電線傳遞祗適用於150公尺之內使用,在150公尺深的深度,會測定不準,但是有些地下水位觀測井,靜水位是在150公尺深以下,因此建置一口井的目的,不在取用地下水,而在觀察某一含水層的水文—地文特性,這時在管理地下水觀測井者,在採購電子水位測定器者,需要注意電訊傳遞的問題,應採購標定能精確測定到較深水位的儀器。
為了檢查電子地下靜水位測定器的精確性,Wilson(1995)建議可以同一台儀器連續測定二次,如果前後相差在0.6公分之內的距離,則認為仍在精確性的範圍內,如果在0.6公分之外,則已有失精確。
為什麼需要地下水位自動記錄器?
手提電子式的地下水靜水位量測,在單一口井的問題不大,但是如果在地下水觀測井的數目很多,或是有些井址位置偏遠,或者定期有人前往量測不易之處,就需要使用地下水水位自動記錄器。
除此之外,地下水水位自動記錄器的好處是在新井鑿成時量測含水層的水文-地文特性參數,或是在做抽水試驗時,可以記錄到瞬時地下水水位變化,進而計算其參數。
在1970年代,地下水在世界各處的重要性逐漸被重視。
人類已經逐漸的警覺在二十一世紀,人類最大的問題將會缺乏足夠的水使用,那時不是用水量不夠問題,而是水量足夠水質不佳,以致無法使用情形。
人類會發現在工業發展、經濟成長、都市發展上最後所面臨的問題,是在於可用乾淨的水夠不夠,自然資源的缺乏,將是成為一切人類活動的上限。
為了評估地下水的水量與水質,需要在重要地下水的蘊藏區成立地下水觀測網站。
由於觀測井分佈的區域廣闊,使用地下水位記錄器,如自動式記錄器,可以取代傳統需要人為親自前往測定的方式。
加上近代電腦運算功能速度與資料儲存功能都遠較過去增進,一些新穎的地下水觀測後的資料處理電腦程式亦不斷發展出來,將地下水自動式記錄器儲存的大筆資料,轉換成提供運算地下水流動、流向、水質變化等三度空間分佈圈,幫助水資源管理人員有效掌握瞬間即時第一手資料,對地下水的管理、保護或使用給予較正確的判斷。
為此,地下水位自動式記錄器,成為地下水位觀測站網必須具有之設備。
目前地下水位自動式記錄器最常用的有二種:
沈水式壓力轉換器(submersiblepressuretransducers)與浮筒式電位器(potentiometer-floatsystems)。
沈水式壓力轉換器的測定原理
沈水式壓力轉換器,是一種高靈敏,低誤差的電子測定儀器。
轉換器的功能是將非常微小能量的改變,轉換成另一種能量,並且能將改變的信號擴大輸出。
使用於地下水觀測井水,是接一條信號傳送至電纜,直接垂直接觸水面,當地下水有改變時,轉換器的一端因為地下水位改變,而使得感應水壓力的改變,故稱為「沈水式壓力轉換器」。
沈水式壓力轉換器主要有三種,其差別在於不同的壓力轉換機制上。
最傳統的機械式壓力轉換器,主要的原理是在其轉換器內有一片固定的金屬板,並且金屬板上有一固定的電容,電容的能量來自轉換器上所附的電池,且金屬板上另具有一彈性隔板。
當地下水位改變時,因壓力的改變,使得在感應器上的隔板會產生應變,造成接觸金屬板的面積也不同,進而改變金屬板上的電容,其改變可以以sin波輻差上,由信號波輻的頻率可以知道水位改變的多少,這是一種精密的測量。
另一種壓力轉換器是採用電子的原理,將電力的轉變改換成離子化的電流。
這種儀器裡面有一條金屬線絲,在加熱的情況下可以放出正電子,而往另一端的負極移動。
當地下水位改變時,儀器內的進出空氣量全改變,進而影響被離子化的氣體量也改變,使得移動到陰極的電流強度也不相同,由此電流的改變可以測由地下水位的變化。
最近新型的壓力轉換器是用到積體電路原理,以具有耐久性,又具高彈性的含矽物質去感應壓力下的應變,進而改變接觸物質的電容。
淨筒式電位計的測定原理
「浮筒式電位計」也是一種非常靈敏的電子測定儀器,但是其測定原理與壓力轉換器方式不同。
當地下水位改變時,藉著浮筒上下運動改變儀器的電位,而儀器內有一個已經設下參考電位,當因著水位改變輸入的電位不相同時,儀器內有一組檢測器,會全自動調整電阻,使進入檢測器的電阻歸零。
由此調整的電阻,就可以知道輸入電位的改變,進而測出地下水位的變化,所以浮筒式電位器事實上是一自動平衡的電子儀器。
沈水式壓力轉換器自記水位時的誤差
沈水式壓力轉換器是利用金屬板在壓力下的應變,但是溫度也會使金屬有熱脹冷縮而產生應變,因此這種自記水位計最大的誤差是地下水的溫度。
地下水溫容易改變的地方,如淺井、或週圍有大量的雨水注入,均不適合使用沈水式壓力轉換器來自記水位,應該使用浮筒式電位計。
所以沈水式壓力轉換器最適合使用於深井。
浮筒式電位計自記水位時的誤差
美國聯邦地調所的Rosenberry在1991年,提出一篇關於浮筒式電位計在地下水觀測井中長期記錄誤差報告,這是很重要的一篇研究,因為在地下水井這方面的研究報告非常的少。
他比較浮筒式電位計與沈水式壓力轉換器二者之間誤差。
他主要是在以PVC製的水管,深度約180公分,裝水後分別放入二種自記水位計,讓直立在地中的水管水份在自然的狀態下會慢慢的蒸發,代表井管水位的變化,他長期以鐵捲尺量測並比較上述二種自記水位計量測的結果,他發現浮筒式電位計精確度優於五種沈水式壓力轉換器,而且長期使用也比較不需要經常進行儀器本身精確性校定。
他在田間的數口地下水觀測井也得到類似的結果。
但是,有一點是Rosenberry特別提出來的是,在愈深的地下水觀測井使用浮筒式電位計會有愈大的量測誤差問題,其原因是來自浮筒與井體管壁的摩擦力,尤其是在水位劇變時,摩擦阻力會使得浮筒電位計有產生遲滯現象,而無法反應出瞬間地下水位變化。
此外,在比較小口徑的地下水位觀測井,摩擦阻力增加更易影響浮筒式電位計的靈敏度。
因此,在淺井觀測使用浮筒式電位計優於沈水式壓力轉換器,在深井中則是後者優於前者。
由於地下水位觀測是長期在沒有進行人工抽水,並且井水長期不攪動情況下,水質容易腐臭,尤其是在有受污染影響、海水入侵、或水中有硫化氫的地區,地下水位量測器因為長時間接觸地下水而逐漸腐蝕,因此需注意量測器必須是高防腐性的不鏽鋼材質。
不鏽鋼材質也有多種,最能抗各種腐蝕的是鈦合金,其次是302不鏽鋼與304不鏽鋼。
因此目前最佳的材質是鈦合金,需要特別注意的是,如果是用316不鏽鋼則有被腐蝕,用碳鋼或是鋁合金製造則更容易被腐蝕,因此在採購上必須注意合金材質。
地下水位自動記錄器另一個容易被破壞的地方,是井中連接感應器與數字儲存器的電纜。
這條電纜因為是整部儀器最便宜的地方,也是最容易被忽略的地方。
如果電纜被腐蝕,則自動記錄器的信號無法送達井口數字儲存器裡面讀存資料。
所以在採購上必須注意電纜外面有沒有保護膜封閉包著電纜線,如果沒有保護膜則將來會增加儀器維護的費用與可能被腐蝕損壞的機會。
即使在電纜的外面有保護膜也需注意其材料品質,如果祗是為防水抗腐蝕,則應用聚氯乙烯材質,但是在有硫化氫腐蝕的井中,聚氯乙烯也會被硫酸還原菌視為食物而被分解。
根據我們的現場調查經驗中,曾在雲林縣褒忠鄉田洋村,看過硫化氫腐蝕聚氯乙烯保護膜,導致沈水式壓力轉換器無法記錄地下水位。
該井井深42.4公尺,井管口徑8吋,濾水管在6至36公尺深處,井管以鍍鋅鋼管為材料。
井開鑿於民國81年4月30日,完成於5月2日。
地層結構主要是灰色粗中砂或細砂為主,含少量貝殼與黏土,含水層導水係數0.9097平方公尺/分。
在井內放置HERMIT2000型自動地下水位記錄後不久,當地的工作人員即發現儀器腐蝕。
在知道這消息後,我於82年11月11日前往現場,已看不到受害儀器。
工作人員告知在附近芳草村另一觀測井仍有儀器,也有腐蝕現象發生,正準備將儀器吊出,送回美國原廠檢修。
我到芳草觀測井,將壓力感應器與電纜提出觀測井,看到儀器的電纜、感應器都附著黑色且含有惡臭的黏液。
由於感應器的合金與電纜上的黃色聚合塑膠,都是防水材料,亦即材料表面與水分子有很大的接聚角度。
因此在正常狀況,將浸水的防水材料提出水面時,應說很少水滴能留在材料表面。
但從現場上看到許多黑色黏液附著在材料表面,這可能是水中豐富的有機質與細菌多醣體,增加水與材料的膠結能力。
用紙輕拭黑色黏液,可以使部份黏液離開材料。
用濃硫酸滴在黏液上,劇烈冒泡,這證明是有機物而非含水層的黑微砂粒附著。
在黏液拭去後,電纜的保護材料聚氯乙烯呈現許多凹穴,約0.2~0.5cm寬。
這種強烈被腐蝕的現象證明聚氯乙烯不耐該地強腐蝕性的地下水。
為判斷腐蝕的水質因子,以1公升的深水定深採樣器,採田洋觀測井水面下1公尺,與濾水層深度下的水樣。
水樣採出後的水質分析,現場立刻以滴定法測定水中硫化氫,與氧氣濃度,並以電導度計測定電導度,酸鹼度計測定酸鹼度,手提式紅外線測溫器測定水溫。
在採水後,以沈水式馬達連續抽水,在抽水後10、30、50、80分鐘,再將抽上來的水,測定相同的水質項目。
抽水後80分鐘,以感溫式測定地下水位,發現水位在80分鐘抽水後,水位下降極微,代表地下含水層的導水迅速。
以美國CuieInc.,製的深水照相機拍攝水井狀況,發現80分鐘後抽出來的水雖然清澈,但是水面下污黑,無法看見水下狀況。
於是在水中加50mg/l的硫酸鋁(Al2(SO4)3‧18H2O),再加500mg/l的次氯酸鈣(Ca(OCl)2)。
在民國82年12月2日、83年1月5日、3月2日於現場,再檢測水質。
由實驗結果顯示,硫化氫過高,可能是造成儀器被腐蝕的原因。
在井水面下與井底分別測由硫化氫的濃度為0.56mg/l、1.17mg/l。
地下水除非遭嚴重的污染,不然天然界很少硫化氫的濃度會大於0.1mg/l。
硫化氫的來源可能來自含豐富硫的有機物,如豬糞尿、植物殘渣、肥料。
田洋與芳草兩個觀測井,地面的土壤在現場觀測均屬矽土或矽壤土,而且土壤質地均勻,因此污染質入滲到地下含水層相當迅速。
一般地下水的溶氧較低,但是田洋觀測井的溶氧無論接近水面或井底,幾乎殆盡。
這適合硫酸還原細菌繁殖,在現場看到電纜護套與感應器上面的黑色黏液,可能是這種細菌與分泌物。
井水的電導度不高,證明不是電解腐蝕。
表10-1雲林田洋地區自由含水層1公尺深水質分析
日期
水溫
℃
電導度
micromhos/cm
溶氧
mg/l
酸鹼度
硫化氫
mg/l
1982/11/11
24.2
749
0.5
7.29
0.56
1982/12/02.
23.3
763
0.0
7.40
0.25
1983/01/05.
24.4
667
0.2
6.80
0.05
1983/03/02.
23.2
660
0.8
7.16
0.77
表10-2雲林田洋地區自由含水層井底水質分析
日期
水溫
℃
電導度
micromhos/cm
溶氧
mg/l
酸鹼度
硫化氫
mg/l
1982/11/11
24.4
694
0.0
7.43
1.17
1982/12/02
24.3
755
0.0
7.59
0.54
1983/01/05
-
-
-
-
-
1983/03/02
23.2
630
0.0
7.51
4.03
表10-3雲林田洋地區抽水不同延時水質分析
抽水延時
(分)
水溫
℃
電導度
micromhos/cm
溶氧
mg/l
酸鹼度
硫化氫
mg/l
10
24.4
789
2.2
7.62
0.35
30
23.6
816
2.6
8.02
0.04
50
23.3
833
3.0
7.58
0.04
80
24.5
821
3.2
7.35
0.04
井底的硫化氫濃度較水面為高,是合理的現象,井底有較多的沈積,增加硫酸還原細菌的泥砂表面吸附量,而且其他有機質在井底的淤積,有機的分解增加水的缺氧與還原性,更多的硫以還原態存在,所以愈到井底,水腐蝕性愈強。
表10-3顯示,田洋水井在抽水試驗,隨著時間的延長,水中的溶氧就逐漸增加,而抽水30分鐘以後,硫化氫濃度就低至0.04mg/l。
這證明地下水的硫化氫含量並不高,水質腐蝕低。
但是當地下水流過濾水層後,懸浮性有機硫在水井中產生膠結而沈澱,或吸附在井壁上,增加分解機會,而使井水的溶氧降低,硫化氫濃度增加。
因此要判斷地下水對儀器的腐蝕性,應該根據井水的水質,而非抽水試驗後的水質狀況。
水井在加藥處理後,殺死水中硫酸還原菌,所以在處理後的一個月(81年12月2日)與二個月(82年1月5日)後的硫化氫濃度降低至0.05mg/l,幾乎與抽水試驗後的地下含水硫化氫濃度相同。
現場採水也看得出水質清澈,硫化氫的臭味淡的很多。
但是在四個月後(82年3月2日),硫化氫的濃度又增加,甚至比加藥殺菌前的濃度更高,可見用氯殺菌來降低水中硫化氫的濃度,效果大約祗能維持二個月。
根據現場實驗與觀察,田洋與芳草觀測井井水對地下水位自動記錄儀器的腐蝕,認為:
腐蝕的原因來自井水中含硫化氫,用氯消毒可以減低硫化氫濃度,但是祗能維持二個月的效果。
檢定地下水質的腐蝕性,要根據井水,而非抽水幾分鐘後的水質。
水質對儀器腐蝕產生肉眼可見的蝕穴,這兩口觀測井不適合放置任何金屬或塑膠材質的觀測設備。
在儀器放入水中幾天就被井水腐蝕,甚至破壞至不能使用,因此在這種井體中選購儀器時,應該考慮保護套材質為較耐強腐蝕的鐵氟龍而非聚氯乙烯。
由美國「ChemicalResistanceChart」的資料,鐵氟龍是比聚氯乙烯更耐硫化氫的腐蝕。
但是在台灣使用,如田洋、芳草地區會有什麼結果,因為缺乏研究與現場分析資料,故無法提供更進一步的建議。
自記水位計除了有被腐蝕的危機外,我們在田間使用時還有發現無機鹽類會吸附沈澱在儀器金屬表面,這大多是發生在電導度較高的地下水中,這種問題也較容易清除,祗要取出儀器,置於稀鹽酸中24小時,再略擦拭即可去之。
有些細菌與黴菌也會吸附在儀器表面上,甚至滋生在接縫處,需用弱酸或雙氧水氧化清洗,這些現象在國外的使用報告不多見,但卻是在台灣使用時常見到的現象。
但是目前仍缺乏定量化測定並探討其發生機制,清除方法與這些化學、生物附著在儀器上對於地下水位測定精確度之影響,這都有待未來之研究去探討。
總結
1.所有的地下水位量測器,無論是手動式或是自記式都需要定期檢定其精確度。
2.沈水式壓力轉換器的自記水位計較適合使用在深井中,但不適合使用在地下水水溫變化較大的地方。
3.浮筒式電位計的自記水位計,較適用於淺井或是地下水變動較不劇烈地下水中。
惟其使用測量精確度較沉水式為佳,也較不需經常性維護。
4.選擇自記水位計時,最好使用鈦合金金屬與有鐵氟龍保護電纜儀器。
5.長期使用地下水自記水位儀器,不能過度樂觀相信測出資料,如果井體有淤塞,再好、再精密的儀器,測出來的結果也不能代表什麼。
參考文獻
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