北京市平原區地下水位自動化監測網建設

劉久榮,韓 征,林 沛

(北京市水文地質工程地質大隊,北京 100195)

0 引言

地下水監測是一項社會公益性地質工作,其成果是地下水資源開發利用、管理和保護最重要的依據[1].北京是水資源的供需矛盾日益突出的大城市,水資源短缺已成為制約城市建設和經濟發展的重要自然因素,北京市地下水資源豐富,開發程度很高,開展地下水監測工作有重要意義.

國外開展地下水監測的歷史悠久,歐洲許多國家重視地下水位、水質、水量等要素監測,并建立監測數據存儲傳輸系統,對采集到的數據進行保存和分析.荷蘭建立了完善的地下水位監測網,目前大約有30000眼地下水監測井,其地下水位監測網區分3類:水資源管理監測網,水系統運行監測網和科研網.其中大部分監測井是由志愿者監測,一般每月監測兩次[6].近些年很多國家為區域監測網安裝了大量的自動化監測儀器,大大提高了監測的技術水平.

北京市目前已經建立了較為完善的地下水位自動化監測體系.本文介紹了其監測網運行現狀、監測網技術特征,提出了監測井空間分布與監測設備配置優化等措施,以提高監測網運行效率和監測精度,為北京市城市建設、環境保護等提供基礎性資料.

2 北京地下水監測井網運行現狀

(1) 監測井網簡況

2003-2008年開展的中荷合作項目"中國地下水信息中心能力建設",將北京平原作為地下水監測示范區,初步建立了北京市平原區地下水位自動化監測網.至2010年12月,自動化監測網共有潛水監測井145眼,承壓水監測井178眼,基巖水監測井5眼(圖1).其中分布在第四系第一含水層組監測井145眼,第二含水層組101眼,第三含水層組48眼,第四含水層組29眼,基本實現了平原區地下水位的自動化"立體分層"監測.

(2)監測設備運行現狀

自動化監測網現安裝監測設備328套,每套設備包含水位監測儀和無線傳輸儀兩個部分(圖2).水位監測儀現有Mini-Diver、TD-Diver等多種類型,普遍具有較強的抗腐蝕能力.其數據采集頻率為24次/日,監測精度達到厘米級,內置電池可持續供電7年以上,數據測量準確,儀器運行穩定.無線傳輸儀現有GWDT-3、ZKGD2000-M等多種類型,普遍具有耐高溫、抗腐蝕的特點,發射頻率一般設定為1次/日,內置電池可持續供電兩年以上,儀器工作狀態良好,儀器運行基本穩定.監測設備自2003年開始運行以來,已經積累了大量長序列、高頻率和高精度的地下水位監測數據,滿足了有關部門的要求.

(3) 自動化監測設備管理系統的運行現狀

自動化監測設備管理系統(圖3)由中國地質環境監測院開發完成,用來對自動化監測井和監測設備進行日常維護管理.系統架構于Windows平臺下[7],由數據庫子系統、數據分析子系統和成果發布子系統組成,提供監測數據的采集、傳輸、整理、入庫、導出、統計分析等服務.該系統目前運行穩定,能夠及時、準確的收集地下水位監測數據,已用于地下水位監測的日常管理工作中.

3 地下水位監測網的特點

(1)監測網密度優化

2003年開展的中荷項目對北京市平原區地下水位監測網進行了優化設計;根據平原區內不同的地下水動態類型,繪制了平原區地下水動態類型分區圖;并根據分區圖布設地下水位監測點,使每個地下水動態類型分區中都有監測井,使監測點空間分布更加合理,能夠快速、準確地獲取全市地下水位動態信息.

(2) 地下水"立體分層"監測

在"北京市平原區地下水環境監測與初步整治方案"項目實施前,北京市平原區地下水位監測體系存在一定問題,除分布不均、數量不足外,更體現在對不同深度含水層的控制不足上,特別是對深度大于100m的含水層更是缺乏合理的控制.區域地下水環境監測網建設實施以來,依據地層沉積規律、時代特征,并結合地下水開發利用狀況,對第四系地下水監測井的監測層位進行了更為準確的劃分,分別對應于潛水含水層組、第一承壓水含水層組、第二承壓水含水層組和第三承壓水含水層組,使每個層組都有了適當數量的監測點.

(3)地下水自動化監測水平不斷提高

2003年以來嘗試過幾種國產和進口的壓力式地下水監測設備,最終認可的是荷蘭生產的Diver系列地下水自動監測儀.為了能實現監測數據的自動傳輸,在中國地質環境監測院的支持下,進行了國產的地下水監測數據自動傳輸儀與Diver配套,建成了方便、可靠的地下水位自動監測儀傳輸系統.目前,監測設備采集頻率為1次/小時,監測精度可達厘米級,數據測量準確,儀器運行穩定.自動傳輸儀發射頻率為1次/日,其工作狀態良好,運行基本穩定.

(4) 建成了設備信息管理系統

該系統架構于Windows平臺下,主要由數據庫子系統、數據分析子系統和成果發布子系統組成,系統已開發了監測井管理、儀器設備管理維護、監測數據存儲、曲線圖生成、數據導入導出、審核管理和設備故障診斷等功能,可以在室內輔助工作人員對整個自動化監測網進行全面的管理維護.

(5) 實施一井多層監測井示范工程

一井多層地下水監測示范工程是利用Westbay多層地下水監測系統,進行地下水分層取樣和同位素測試工作.依靠其取樣和測試成果,可以開展水文地球化學和同位素水文地質學分析,從微觀上揭示地下水各層之間垂向水力聯系和循環演化規律,為實施地下水科學管理、地下水可持續開發利用以及地面沉降監測等提供基礎數據.

4 監測網優化展望

(1) 監測井空間分布優化

2003- 2011年期間,北京市建立了懷柔、昌平等多個應急水源地,對區域地下水流場產生了很大影響.因此有必要對近幾年地下水流場變化較大的地區,對地下水動態類型分區進行科學調整,以獲取到更為準確、全面的地下水動態信息.

巖溶裂隙水和基巖裂隙水已是北京市重要城市供水水源之一.但北京地區現僅有10余眼裂隙水監測井,遠遠不能滿足其水資源監測的需要.目前迫切需要規劃設計用于巖溶裂隙水和基巖裂隙水的監測井,以及時提供巖溶水的動態變化信息,為巖溶水科學開發利用提供依據.

(2) 自動化監測設備配置信息優化

①監測網現采用的水位監測儀、傳輸儀均不能實現遠程雙向控制.建議盡快實現儀器設備雙向通訊機制,可以遠程調整監測儀的工作方式、監測頻率、監測時間,同時應提高可以控制傳輸儀的發射頻率、發射時間,以滿足應急需求.

②應提高現行傳輸儀的防水、防潮性能,以避免井內潮濕造成的設備短路.今后應更新設備,優先采用防水傳輸儀,保持環境溫度恒定,避免電路過早老化和短路.

③現運行的傳輸儀因生產廠家不同,具有不同的網絡制式和數據格式,增加服務器解譯的壓力.建議未來對各類傳輸儀建立統一的網絡制式和數據格式,減輕服務器的壓力.

5 結論

北京市開展地下水監測工作已有50多年的歷史,現已建立了較為完善的地下水位監測體系.本文在分析北京市現有地下水位監測網情況基礎上,論述了現有監測體系的特點,認為現有地下水監測體系已具備一定的創新性特點,可以滿足地下水科學監測的要求.同時針對監測網的運行現狀提出了一些改進措施和調整方法,讓地下水監測科學成果能夠為城市建設、經濟發展和人民生活改善提供有效服務.

[1]胡 軍.地下水的自動化監測過程.水文地質工程地質.2003,30(1)∶101.

[2]王麗亞,劉久榮,周 濤等.北京平原地下水可持續開采方案分析[J].水文地質工程地質, 2010, 37(1)∶ 9～16.

[3]周 磊,王翊虹,林 健等.北京平原區地下水水質監測網優化設計[J].水文地質工程地質, 2008, 2(1)∶ 1～9.

[4]Philippe Quevauviller,Anne-Marie Fouillac,Johannes Grath etc,Groundwater Monitoring [M],London, Wiley&Son,Ltd,2009,21～22.

[5]M.J.van Bracht,E.Romijn, Redesign groundwater level monitoring systems(the Netherlands),PN85-13,1985.

[6]M.J.van Bracht,Collection and mangement of groundwater level data in the Netherlands,PN89-02,1989.

[7]楊國寶.地下水水位水溫自動監測儀器設備管理系統總結報告[R], 構輿圖(北京)科技有限公司,2010,7.