劉久榮,韓 征,林 沛

(北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,北京 100195)

0 引言

地下水監(jiān)測是一項社會公益性地質(zhì)工作,其成果是地下水資源開發(fā)利用、管理和保護最重要的依據(jù)[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(shè)和經(jīng)濟發(fā)展的重要自然因素,北京市地下水資源豐富,開發(fā)程度很高,開展地下水監(jiān)測工作有重要意義.

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

北京市目前已經(jīng)建立了較為完善的地下水位自動化監(jiān)測體系.本文介紹了其監(jiān)測網(wǎng)運行現(xiàn)狀、監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)特征,提出了監(jiān)測井空間分布與監(jiān)測設(shè)備配置優(yōu)化等措施,以提高監(jiān)測網(wǎng)運行效率和監(jiān)測精度,為北京市城市建設(shè)、環(huán)境保護等提供基礎(chǔ)性資料.

2 北京地下水監(jiān)測井網(wǎng)運行現(xiàn)狀

(1) 監(jiān)測井網(wǎng)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(shè)",將北京平原作為地下水監(jiān)測示范區(qū),初步建立了北京市平原區(qū)地下水位自動化監(jiān)測網(wǎng).至2010年12月,自動化監(jiān)測網(wǎng)共有潛水監(jiān)測井145眼,承壓水監(jiān)測井178眼,基巖水監(jiān)測井5眼(圖1).其中分布在第四系第一含水層組監(jiān)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(xiàn)了平原區(qū)地下水位的自動化"立體分層"監(jiān)測.

(2)監(jiān)測設(shè)備運行現(xiàn)狀

自動化監(jiān)測網(wǎng)現(xiàn)安裝監(jiān)測設(shè)備328套,每套設(shè)備包含水位監(jiān)測儀和無線傳輸儀兩個部分(圖2).水位監(jiān)測儀現(xiàn)有Mini-Diver、TD-Diver等多種類型,普遍具有較強的抗腐蝕能力.其數(shù)據(jù)采集頻率為24次/日,監(jiān)測精度達到厘米級,內(nèi)置電池可持續(xù)供電7年以上,數(shù)據(jù)測量準確,儀器運行穩(wěn)定.無線傳輸儀現(xiàn)有GWDT-3、ZKGD2000-M等多種類型,普遍具有耐高溫、抗腐蝕的特點,發(fā)射頻率一般設(shè)定為1次/日,內(nèi)置電池可持續(xù)供電兩年以上,儀器工作狀態(tài)良好,儀器運行基本穩(wěn)定.監(jiān)測設(shè)備自2003年開始運行以來,已經(jīng)積累了大量長序列、高頻率和高精度的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù),滿足了有關(guān)部門的要求.

(3) 自動化監(jiān)測設(shè)備管理系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀

自動化監(jiān)測設(shè)備管理系統(tǒng)(圖3)由中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院開發(fā)完成,用來對自動化監(jiān)測井和監(jiān)測設(shè)備進行日常維護管理.系統(tǒng)架構(gòu)于Windows平臺下[7],由數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)和成果發(fā)布子系統(tǒng)組成,提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、整理、入庫、導出、統(tǒng)計分析等服務.該系統(tǒng)目前運行穩(wěn)定,能夠及時、準確的收集地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù),已用于地下水位監(jiān)測的日常管理工作中.

3 地下水位監(jiān)測網(wǎng)的特點

(1)監(jiān)測網(wǎng)密度優(yōu)化

2003年開展的中荷項目對北京市平原區(qū)地下水位監(jiān)測網(wǎng)進行了優(yōu)化設(shè)計;根據(jù)平原區(qū)內(nèi)不同的地下水動態(tài)類型,繪制了平原區(qū)地下水動態(tài)類型分區(qū)圖;并根據(jù)分區(qū)圖布設(shè)地下水位監(jiān)測點,使每個地下水動態(tài)類型分區(qū)中都有監(jiān)測井,使監(jiān)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(tài)信息.

(2) 地下水"立體分層"監(jiān)測

在"北京市平原區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測與初步整治方案"項目實施前,北京市平原區(qū)地下水位監(jiān)測體系存在一定問題,除分布不均、數(shù)量不足外,更體現(xiàn)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(qū)域地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)實施以來,依據(jù)地層沉積規(guī)律、時代特征,并結(jié)合地下水開發(fā)利用狀況,對第四系地下水監(jiān)測井的監(jiān)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(shù)量的監(jiān)測點.

(3)地下水自動化監(jiān)測水平不斷提高

2003年以來嘗試過幾種國產(chǎn)和進口的壓力式地下水監(jiān)測設(shè)備,最終認可的是荷蘭生產(chǎn)的Diver系列地下水自動監(jiān)測儀.為了能實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動傳輸,在中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院的支持下,進行了國產(chǎn)的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸儀與Diver配套,建成了方便、可靠的地下水位自動監(jiān)測儀傳輸系統(tǒng).目前,監(jiān)測設(shè)備采集頻率為1次/小時,監(jiān)測精度可達厘米級,數(shù)據(jù)測量準確,儀器運行穩(wěn)定.自動傳輸儀發(fā)射頻率為1次/日,其工作狀態(tài)良好,運行基本穩(wěn)定.

(4) 建成了設(shè)備信息管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)架構(gòu)于Windows平臺下,主要由數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)和成果發(fā)布子系統(tǒng)組成,系統(tǒng)已開發(fā)了監(jiān)測井管理、儀器設(shè)備管理維護、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、曲線圖生成、數(shù)據(jù)導入導出、審核管理和設(shè)備故障診斷等功能,可以在室內(nèi)輔助工作人員對整個自動化監(jiān)測網(wǎng)進行全面的管理維護.

(5) 實施一井多層監(jiān)測井示范工程

一井多層地下水監(jiān)測示范工程是利用Westbay多層地下水監(jiān)測系統(tǒng),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(zhì)學分析,從微觀上揭示地下水各層之間垂向水力聯(lián)系和循環(huán)演化規(guī)律,為實施地下水科學管理、地下水可持續(xù)開發(fā)利用以及地面沉降監(jiān)測等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

4 監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化展望

(1) 監(jiān)測井空間分布優(yōu)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(qū)域地下水流場產(chǎn)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(qū),對地下水動態(tài)類型分區(qū)進行科學調(diào)整,以獲取到更為準確、全面的地下水動態(tài)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(qū)現(xiàn)僅有10余眼裂隙水監(jiān)測井,遠遠不能滿足其水資源監(jiān)測的需要.目前迫切需要規(guī)劃設(shè)計用于巖溶裂隙水和基巖裂隙水的監(jiān)測井,以及時提供巖溶水的動態(tài)變化信息,為巖溶水科學開發(fā)利用提供依據(jù).

(2) 自動化監(jiān)測設(shè)備配置信息優(yōu)化

①監(jiān)測網(wǎng)現(xiàn)采用的水位監(jiān)測儀、傳輸儀均不能實現(xiàn)遠程雙向控制.建議盡快實現(xiàn)儀器設(shè)備雙向通訊機制,可以遠程調(diào)整監(jiān)測儀的工作方式、監(jiān)測頻率、監(jiān)測時間,同時應提高可以控制傳輸儀的發(fā)射頻率、發(fā)射時間,以滿足應急需求.

②應提高現(xiàn)行傳輸儀的防水、防潮性能,以避免井內(nèi)潮濕造成的設(shè)備短路.今后應更新設(shè)備,優(yōu)先采用防水傳輸儀,保持環(huán)境溫度恒定,避免電路過早老化和短路.

③現(xiàn)運行的傳輸儀因生產(chǎn)廠家不同,具有不同的網(wǎng)絡(luò)制式和數(shù)據(jù)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(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)制式和數(shù)據(jù)格式,減輕服務器的壓力.

5 結(jié)論

北京市開展地下水監(jiān)測工作已有50多年的歷史,現(xiàn)已建立了較為完善的地下水位監(jiān)測體系.本文在分析北京市現(xiàn)有地下水位監(jiān)測網(wǎng)情況基礎(chǔ)上,論述了現(xiàn)有監(jiān)測體系的特點,認為現(xiàn)有地下水監(jiān)測體系已具備一定的創(chuàng)新性特點,可以滿足地下水科學監(jiān)測的要求.同時針對監(jiān)測網(wǎng)的運行現(xiàn)狀提出了一些改進措施和調(diào)整方法,讓地下水監(jiān)測科學成果能夠為城市建設(shè)、經(jīng)濟發(fā)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(jiān)測過程.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2003,30(1)∶101.

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

[3]周 磊,王翊虹,林 健等.北京平原區(qū)地下水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì), 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(jiān)測儀器設(shè)備管理系統(tǒng)總結(jié)報告[R], 構(gòu)輿圖(北京)科技有限公司,2010,7.