具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在对本公开实施例所提供的地下水位监测装置及地下水位监测方法进行详细说明之前，有必要对于相关技术进行以下说明：

在水文地质学中，地下水位的野外长期观测是一项重要的工作，它为研究地下含水层的水资源量及动态变化提供基础的数据支撑。但在西南岩溶山区，由于这些天然的地下水露头如泉水、地下河所处的野外条件比较艰苦，在这些地方常常没有供电设施，甚至没有村庄、道路。因此，在这些地方若要做成水利工程和水文站等标准水工建筑物开展水文观测，成本会大大增加，因此，因为野外条件恶劣而无法在有限的预算下完成地下水的长期自动观测工作。

目前针对野外岩溶山区中对泉点、地下河出口开展水文地质试验和观测，采用中小型简易设备，更容易实现长期观测，成本也能够合理的纳入项目预算，从而促成工作的顺利完成。

另外对于地质断裂带变形与地下水变化关系、地震与地下水的研究中，由于断裂带短时间内的变形非常小，地下水位变化也很小，因此需要一种高精度的地下水监测方法和设备，至少能够保证毫米级的精度。而现在采用的大多数地下水位长期监测设备都不能达到毫米级的精度。

在相关技术中，应用于野外水文地质工作中观测地下水的仪器，大多数采用压力传导式水位计探头，它体积很小，能够长时间自动记录水压，将其直接放置于水中保护装置内即可开展观测。但是，它的缺点就在于同时记录了大气压力和水压力，在计算水位时需要减去大气压力，然而，由于局部大气压力并不稳定，一个位置的大气压力并不能代表其他位置的大气压力，导致在数据处理过程出现误差。比如，在西南岩溶区野外经常遇到雨季流量很大，而枯季流量较小的泉水观测点，采用压力式水位探头长序列观测三角堰水深计算流量，尽管可以用大气压力计测量大气压，但是由于压力计和水位计属于两个独立的不同的仪器，两者的测量精度和本身结构不可避免的存在误差，其误差为厘米级。尤其是，枯季地下水位本身变化不大，而山区局部大气压力的变化却较大时，就会导致获得的地下水水位观测值误差很大，甚至出现负值，这时就不能满足野外水文地质观测的要求。因此，需要寻找其他更精确的方法来观测地下水位。

除了压力传导型地下水位观测方法，还有超声波和激光测距地下水位观测方法。超声波和激光测距地下水位观测方法可以精确的测出水位，但是，仪器中超声波和激光、电磁波的信号需要通过信号控制器完成转换。而现有的超声波水位计或者激光、雷达水位测量仪器，大多在水文站和水利工程中采用，或者在实验室充足的条件使用，且能够实现自动记录长期观测功能的设备价格较高，安装也复杂，很少能够在野外条件差的地方实现安装。

此外，在相关技术中，浮标式液位计作为原理和结构最为简单的一种机械式观测仪器，是最直观的一种测量液位方式，它原理简单，设备精度也是最高的，可自行制作，成本低廉，但是目前能够实现自动观测的浮标式液位计中需要采用电信号转换等方式，或者标尺为固定标尺，仪器结构复杂，准确性差，因此目前尚没有将浮标式液位计应用于野外地下水长期自动观测中。

有基于以上问题，本公开实施例中提供了一种地下水位监测装置及地下水位监测方法，将浮标式液位计应用于地下水位监测中，尤其适用于水文地质领域的野外条件恶劣的地下水点长期观测，对浮标式液位计进行了改进，使得水位标尺可随水面移动，并通过对软标尺上的刻度读数进行图像采集，实现地下水位的自动长期观测，且提高了野外地下水地质工作中地下水位监测的准确性、且更稳定、直观，成本低，结构简单。

以下对本公开实施例所提供的地下水位监测装置及地下水位监测方法进行详细说明。

如图1所示，本公开实施例提供的地下水位监测装置主要包括两部分，即，用于放置于地下水中的浮标式液位计100以及设置于地下水液面上方的图像采集器200，其中所述浮标式液位计100包括能够随地下水位变化而上下浮动的浮漂110、及连接至所述浮漂110上的软标尺120，所述软标尺120上设有刻度线130，所述浮漂110能够随地下水位变化而上下浮动，所述软标尺120上表征地下水当前液位的刻度读数会发生相应变化；所述图像采集器200具有固定视窗，所述软标尺120上表征地下水当前液位的刻度读数位于所述固定视窗内，所述图像采集器200用于采集并存储所述软标尺120上表征地下水当前液位的刻度读数的图像。

本公开实施例提供的地下水位监测装置，将浮标式液位计100应用于地下水位监测中，尤其适用于水文地质领域的野外条件恶劣的地下水点长期观测，其中，将机械式结构的浮标式液位计100安装于地下水中，可根据浮标式液位计100的浮漂110随水位变化上下浮动，使得与浮漂110连接的软标尺120上表征地下水液位的刻度读数相应的变化，再通过采集标尺上的所述刻度读数的图像来直接获取液位读数，这样，相较于超声波、激光雷达测距等水位监测方式，无需进行仪器信号转换，直接获取标尺上的刻度读数图像能够保证最大的精确性；同时，避免了压力式水位计大气压力不稳定的问题，且考虑了野外地下水位监测时的安装条件，结构简单巧妙，成本远低于该专业领域的其他监测设备。

需要说明的是，本公开实施例提供的地下水位监测装置可以应用于各种地下水位监测，尤其是，适用于条件恶劣的野外地下水位监测工作，尤其适用于地质断裂带变形与地下水变化、地震与地下水等需要高精度观测地下水位的研究，简易的机械结构避免了大气压力变化的干扰和信号转换的误差，解决目前野外地下水位监测中所无法解决的监测精确度差、成本高、安装条件高等问题。

以下对本公开实施例提供的地下水位监测装置进行更为详细的说明。

本公开实施例中所采用的浮标式液位计100，其可以是机械结构式液位计，无需信号转换。在一些实施例中，所述浮标式液位计100的结构可以是，所述浮标式液位计100可以包括：浮漂110、软标尺120、滑轮组件140及砝码150，所述软标尺120绕设于所述滑轮组件140上，所述软标尺120的第一端连接至所述浮漂110上，所述软标尺120的第二端与所述砝码150连接。

应用上述浮标式液位计100，所述砝码150、所述浮漂110分别与所述软标尺120两端相连，所述软标尺120的中部搭在滑轮组件140上，将该浮标式液位计100放入地下水中后，所述浮漂110至少部分体积没入水中，所述砝码150悬挂在地下水液面上方，此时，砝码150、浮漂110和软标尺120之间形成一稳定系统，当地下水位发生升降时，所述浮漂110因排水体积发生变化而发生升降，所述软标尺120和所述砝码150也会随之发生移动，最终达到新的平衡。因此，在所述图像采集器200的固定视窗内观察所述软标尺120上的刻度读数变化就可以表征地下水位的升降变化。

需要说明的是，所述滑轮组件的具体结构不限，可以采用多种结构。

考虑到野外地下水位监测条件有限，所述浮标式液位计100的结构设计应尽可能的结构简单且成本低。

因此，需要设计一种可应用于野外地下水长期自动检测的浮标式液位计100，同时保证其结构简单且成本低、测量精确度高。

为了实现上述目的，本公开实施例中对应用于野外地下水位监测的浮标式液位计100进行了结构改进，以实现最简单的机械观测水位方法。

如图1所示，在本公开一些实施例中，所述浮标式液位计100中，所述滑轮组件140至少包括第一定滑轮141和第二定滑轮142，所述浮漂110漂浮于地下水液面上，所述砝码150位于地下水液面上方，所述第一定滑轮141固定在地下水液面上方的位置，所述第二定滑轮142固定在地下水液面下方的位置，所述软标尺120的第一端连接所述浮漂110，所述软标尺120的第二端依次绕过所述第一定滑轮141和所述第二定滑轮142之后与所述砝码150连接。

上述方案中，利用两个定滑轮，使得软标尺120能够随水面浮漂110的上下移动而同步移动，一个定滑轮固定安装在地下水液面上方，另一个定滑轮安装在地下水液面下方。

该浮标式液位计100结构简单，通过所述浮漂110、第一定滑轮141、第二定滑轮142、所述砝码150及所述软标尺120之间达到的平衡，使得所述浮漂110能够随液面变化而上下浮动，可以直接观测，精确度高，满足观测要求。通过所述第一定滑轮141和所述第二定滑轮142，使所述软标尺120能够随水位移动，同时所述第二定滑轮142，将砝码的重力转换为浮漂向下的拉力，使拉力与浮力平衡，，巧妙地利用浮力使浮漂部分没入水中，使监测系统比不通过定滑轮直接向上牵引浮漂更稳定。另外，结合市场上较为成熟的红外相机的定时图像获取，也很容易实现了长期自动观测。这种方法成本大大减少，精确度也得到提高。

一些实施例中，所述软标尺120按照图2所示的结构设计，其可采用白色菲林软片制作，根据需要而制作相应的长度，所述软标尺120上的刻度设计方式可以如下：刻度标记从0开始，每隔1cm标记一完整数字。其中大标记刻度间隔5mm，小标记刻度间隔1mm。当然可以理解的是，对于所述软标尺120的具体结构设计不限于此。

此外，在一些实施例中，所述浮漂110可以选用圆柱形，这样便于计算所述浮漂110的浮力和体积等，例如，以重力加速度为9.8N/kg进行计算，假设所述浮漂110完全没入水中的浮力为9.8N，则可计算得出该浮漂110的体积大概为2L，因此，所述浮漂110的尺寸长度可以为50cm，圆柱体的横截面面积可以为40cm²。当然可以理解的是，所述浮漂110的具体结构并不仅局限于此。此外，需要说明的是，为了保证结构稳定性，浮漂与砝码之间的关系最好满足：当浮漂与砝码和软尺保持平衡时，所述浮漂至少三分之一体积没入水中。

此外，在一些实施例中，所述砝码150的重力可以为4.9N，所述砝码150的质量为500g，可选择铅质砝码150，在砝码质量不变的情况下，以尽量减少所述砝码150的体积，同时，所述砝码150应尽量选择长度较长的圆柱状砝码150。当然可以理解的是，所述砝码150的具体材料以及质量等参数并不仅局限于此。

当水位变化较大时，极端条件下砝码可能会部分或全部没入水中，此时砝码的体积产生的浮力会抵消一部分绳子的拉力，这样就会造成浮漂没入水中的部分也发生变化，标尺发生移动，造成一定的误差。为了解决上述问题，本公开实施例中，还可以在砝码与第二定滑轮之间安装至少一个动滑轮，例如1个动滑轮或2个动滑轮，以缩小减半砝码的行程，避免砝码没入水中。

此外，考虑到野外地下水监测环境条件恶劣，为了保证该地下水位监测装置的使用稳定性以及使用寿命等，在一些实施例中，如图1所示，所述地下水位监测装置还包括：固定于地下水液位上方的保护箱300，所述第二定滑轮142和所述图像采集器200固定在所述保护箱300内，且在所述保护箱300内侧壁上、位于所述图像采集器200的固定视窗的水平位置处设有刻度指示标500，所述刻度指示标500能够指示的所述软标尺120上的刻度线130，且所述刻度指示标500所指示的刻度为所述软标尺120上表征地下水当前液位的刻度读数。

上述方案，通过设置所述保护箱300，一方面对所述图像采集器200以及所述第二定滑轮142等部件起到保护作用，另一方面，该保护箱300可以起到为所述图像采集器200、所述第二定滑轮142以及所述刻度指示标500等提供固定支撑的作用。

此外，上述方案中，可通过调整所述图像采集器200的拍摄镜头与所述软标尺120的距离，形成固定视窗A(如图1和图2虚线框)，所述软标尺120的刻度可位于所述固定视窗A的中央位置。

此外如图所示，在一些实施例中，如图2所示，所述刻度指示标500包括：两个三角指示刻度牌510；及，连接在所述两个三角指示刻度牌510之间的、水平设置的钢丝520，所述两个三角指示刻度牌510分别位于所述软标尺120的相对两侧，且每个三角指示刻度牌510包括一水平边，且所述两个三角指示刻度牌510的水平边均与所述钢丝520处于同一水平直线上，所述两个三角指示刻度牌510的两个尖角相向设置，并均指向所述软标尺120的刻度线130。

上述方案中，在所述图像采集器200的拍摄镜头前，中间水平位置靠近所述软标尺120的位置可设置所述刻度指示标500，该刻度指示标500的两个三角指示刻度牌510可通过所述保护箱300内壁固定，所述三角指示刻度牌510的尖角延伸至所述软标尺120前，且水平边可位于所述图像采集器200的拍摄镜头的固定视窗正中央。

所述三角指示刻度牌510可以是一个小角度三角铁板来制作得到，其可为较为醒目颜色，例如，红色三角指示刻度牌510；此外，两个三角指示刻度牌510之间通过一水平的钢丝520连接，且两个三角指示刻度牌510的水平边与钢丝520处于同一水平直线上，这样就保证了固定视窗内软尺的刻度读数精确，例如，可精确到毫米级。

当然可以理解的是，对于所述刻度指示标500的具体结构并不以此为限。

此外，本公开实施例中，如图1所示，所述地下水位监测装置还包括连接在所述固定保护箱300的下方的滤水管600，所述滤水管600为中空管体，其一端为封闭端，另一端为开口端，所述滤水管600的开口端与所述固定保护箱300连接相通，所述第一定滑轮141固定于所述滤水管600上，所述浮漂110设置于所述滤水管600的中空腔体内。

上述方案中，滤水管600可过滤地下水中的泥沙和杂物，使得滤水管600内的水质清澈，不会干扰所述浮漂110、所述软标尺120和所滑轮的正常运动。

在一些实施例中，所述滤水管600可设计为多节管拼接，每节管的两端配接头，每节管的长度可根据实际应用设计，例如，一种实施例中，每节管长1m。

此外，在一些实施例中，所述滤水管600的底部可通过密封堵头601密封，所述密封堵头601上可设置固定支撑连接架602，所述第二定滑轮142可通过贯穿所述滤水管600的横梁安装于所述固定支撑连接架602，防止底部沉沙而影响所述第二定滑轮142的运动。其中所述第二定滑轮142应安装于多年最低水位位置以下。

为了进一步防止底部沉沙，当滤水管包括多节滤水管管拼接时，多节滤水管包括第一节滤水管，所述第一节滤水管为带有所述第一定滑轮的一节滤水管管，可以将所述第一节滤水管设置与多节滤水管的中间位置。例如，根据水深和水底环境可以在所述第一节滤水管下面再加一两节滤水管。这样也方便最底部的那一节滤水管在水底的固定，不用考虑下面的滤水管进入底泥太深影响到第一定滑轮。此外，最下面一节滤水管可以加设铁棍敲击或埋入水底达到位置固定。

此外，在一些实施例中，如图3所示，所述滤水管600包括：套设一起的内层滤水管610和外层滤水管620、以及位于所述内层滤水管610与所述外层滤水管620之间的细孔筛网630；其中所述内层滤水管610和所述外层滤水管620均为PVC筛管，所述细孔筛网630为不锈钢细孔筛网630。

上述方案中，所述外层滤水管620和所述内层滤水管610均可选用PVC筛管，耐腐蚀，为了增强强度，所述PVC筛管可选用钢丝网骨架PVC管，内、外层滤水管620的管壁上均匀打孔。例如，所述内层滤水管610的直径可以为DN90 mm，所述内层滤水管610的直径可以为DN110 mm，管壁上的孔径可为6mm。内层滤水管610的外壁包裹60目细孔不锈钢筛网，进一步过滤率泥沙和杂质。

当然可以理解的是，所述滤水管600的具体结构不限于此。

此外，由于软标尺一端连接浮漂，另一端绕过第一定滑轮、第二定滑轮而连接砝码，因此分别从第一定滑轮两侧的伸出的两段软标尺会在水中有较长距离呈并列状，容易在水中发生缠绕等问题，为了解决该技术问题，本公开实施例中将从第一定滑轮两侧的伸出的两段软标尺通过隔离结构隔开，从而解决两段软标尺的缠绕问题。

例如，在一些实施例中，如图4所示，所述滤水管600内部设有隔离板640，所述隔离板640将所述滤水管600的中空腔室划分为第一腔室和第二腔室，所述第一定滑轮141位于所述隔离板640下方，且所述软标尺的一端连接所述浮漂并位于所述第一腔室内，所述软标尺的另一端绕过所述第一定滑轮141，并从所述第二腔室延伸至所述第二定滑轮142上。

上述方案，将滤水管600中间设计隔离板640，从而可以使得分别从第一定滑轮141两侧的伸出的两段软标尺被隔离板640隔开，从而不会产生缠绕问题。结构简单，成本低。所述隔离板640可以是与所述滤水管一体成型，也可以是单独设置。

需要说明的是，以上仅是一种隔离结构的实施例，在其他实施例中还可以通过其他方式实现将分别从第一定滑轮两侧的伸出的两段软标尺被隔离板隔开的目的，例如，在所述第一定滑轮旁边增设一第三定滑轮，软标尺绕过第三定滑轮再伸出至第二定滑轮，这样通过第三定滑轮的设置，可以加大从第一定滑轮伸出的一段软标尺与从第三定滑轮伸出的一段软标尺之间的间距，以减少两段软标尺的缠绕问题。

在一些实施例中，所述保护箱300与所述滤水管600固定连接，所述图像采集器200设置于所述保护箱300内部侧壁上，所述保护箱300上方还设有太阳能电池700，所述太阳能电池700与所述图像采集器200连接，用于为所述图像采集器200提供电源。

当然可以理解的是，在实际应用中，为了避免太阳能电池700出现无电等故障状态，还可以在所述保护箱300内设置备用电池，当所述图像采集器200未接收到所述太阳能电池700的电源时，可切换至所述备用电池为所述图像采集器200供电。

此外，在一些实施例中，所述图像采集器200可以选用红外相机，红外相机可以保证环境光亮度低的情况下也能清晰地获取到液位刻度读数图像。

当然可以理解的是，所述图像采集器200也可以采用其他类型的相机来实现，对此并不以此为限。

此外，在一些实施例中，所述地下水位监测装置还可以包括：报警器，所述报警器用于当检测到所述图像采集器200发生故障不能正常工作时进行报警；和/或，当识别所述图像采集器200采集到的刻度读数图像中刻度读数大于第一预定值或小于第二预定值时进行报警；和/或，当识别所述图像采集器200采集到的刻度读数图像中在超过预定连续时间段内所述刻度读数变化值低于阈值时进行报警。

采用上述方案，通过设置报警器，可以当图像采集器200发生故障时报警，以及时发现图像采集器200故障，保证监测持续性；当地下水液位大于第一预定值时或低于第二预定值时报警，该第一预定值可以根据水位观测需求人为设定的最高水位值，该第二预定值可以是根据水位观测需求人为设定的最低水位值，以保证及时发现水位异常变化；当预定连续时间段内所述刻度读数变化值低于阈值进行报警，也就是说，在超过设定好的持续时间段内，例如，几天的持续时间内，若刻度读数值变化值低于阈值，例如，阈值为0，即刻度读数一直未发生变化，则可能发生所述软标尺120卡住等故障，及时报警处理。

此外，本公开实施例中提供的地下水位监测装置，可通过设置所述图像采集器200的定时拍照时间间隔，将所述图像采集器200所采集的图像存储于内存卡中，或者，将所述采集的图像传输至处理器中；将所述图像按照时间排序，通过人工或者处理器处理，得到持续时间段内以时间先后顺序排列的地下水位观测数据。

此外，为了防止周围环境恶劣，例如暴风雨环境中地下水位骤然变化而导致的软标尺运动过快，采集图像模糊等问题，在本公开一些实施例中，所述第一定滑轮和所述第二定滑轮上还可设置阻尼结构。对于定滑轮上如何设置阻尼结构，在此不再赘述，只要能满足定滑轮上设置阻尼结构防止软标尺运动过快的结构均可应用于本发明。

此外，本公开实施例还提供了一种地下水位监测方法，采用本公开实施例所提供的地下水位监测装置进行地下水位监测，所述方法包括：

步骤S01、将浮标式液位计100放置于待监测地下水，其中所述浮漂110随地下水位变化而上下浮动时，所述软标尺120上表征地下水当前液位的刻度读数相应变化；

步骤S02、通过图像采集器200采集并存储所述软标尺120上表征地下水当前液位的刻度读数的图像，以根据所述图像对地下水位进行监测。

一些实施例中，步骤S01具体包括：

设置所述图像采集器200的定时拍照时间间隔，将所述图像采集器200所采集的图像存储于内存卡中，或者，将所述采集的图像传输至处理器中；

将所述图像按照时间排序，通过人工或者处理器处理，得到持续时间段内以时间先后顺序排列的地下水位观测数据。

此外，本公开实施例提供的方法，还包括如下步骤：

步骤S03、当检测到所述图像采集器200发生故障不能正常工作时进行报警；

和/或，当识别所述图像采集器200采集到的刻度读数图像中刻度读数大于第一预定值或小于第二预定值时进行报警；

和/或，当识别所述图像采集器200采集到的刻度读数图像中在超过预定连续时间段内所述刻度读数变化值低于阈值时进行报警。

有以下几点需要说明：

(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。

(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。