北京市平原区地下水位自动化监测网建设

刘久荣,韩 征,林 沛

(北京市水文地质工程地质大队,北京 100195)

0 引言

地下水监测是一项社会公益性地质工作,其成果是地下水资源开发利用、管理和保护最重要的依据[1].北京是水资源的供需矛盾日益突出的大城市,水资源短缺已成为制约城市建设和经济发展的重要自然因素,北京市地下水资源丰富,开发程度很高,开展地下水监测工作有重要意义.

国外开展地下水监测的历史悠久,欧洲许多国家重视地下水位、水质、水量等要素监测,并建立监测数据存储传输系统,对采集到的数据进行保存和分析.荷兰建立了完善的地下水位监测网,目前大约有30000眼地下水监测井,其地下水位监测网区分3类:水资源管理监测网,水系统运行监测网和科研网.其中大部分监测井是由志愿者监测,一般每月监测两次[6].近些年很多国家为区域监测网安装了大量的自动化监测仪器,大大提高了监测的技术水平.

北京市目前已经建立了较为完善的地下水位自动化监测体系.本文介绍了其监测网运行现状、监测网技术特征,提出了监测井空间分布与监测设备配置优化等措施,以提高监测网运行效率和监测精度,为北京市城市建设、环境保护等提供基础性资料.

2 北京地下水监测井网运行现状

(1) 监测井网简况

2003-2008年开展的中荷合作项目"中国地下水信息中心能力建设",将北京平原作为地下水监测示范区,初步建立了北京市平原区地下水位自动化监测网.至2010年12月,自动化监测网共有潜水监测井145眼,承压水监测井178眼,基岩水监测井5眼(图1).其中分布在第四系第一含水层组监测井145眼,第二含水层组101眼,第三含水层组48眼,第四含水层组29眼,基本实现了平原区地下水位的自动化"立体分层"监测.

(2)监测设备运行现状

自动化监测网现安装监测设备328套,每套设备包含水位监测仪和无线传输仪两个部分(图2).水位监测仪现有Mini-Diver、TD-Diver等多种类型,普遍具有较强的抗腐蚀能力.其数据采集频率为24次/日,监测精度达到厘米级,内置电池可持续供电7年以上,数据测量准确,仪器运行稳定.无线传输仪现有GWDT-3、ZKGD2000-M等多种类型,普遍具有耐高温、抗腐蚀的特点,发射频率一般设定为1次/日,内置电池可持续供电两年以上,仪器工作状态良好,仪器运行基本稳定.监测设备自2003年开始运行以来,已经积累了大量长序列、高频率和高精度的地下水位监测数据,满足了有关部门的要求.

(3) 自动化监测设备管理系统的运行现状

自动化监测设备管理系统(图3)由中国地质环境监测院开发完成,用来对自动化监测井和监测设备进行日常维护管理.系统架构于Windows平台下[7],由数据库子系统、数据分析子系统和成果发布子系统组成,提供监测数据的采集、传输、整理、入库、导出、统计分析等服务.该系统目前运行稳定,能够及时、准确的收集地下水位监测数据,已用于地下水位监测的日常管理工作中.

3 地下水位监测网的特点

(1)监测网密度优化

2003年开展的中荷项目对北京市平原区地下水位监测网进行了优化设计;根据平原区内不同的地下水动态类型,绘制了平原区地下水动态类型分区图;并根据分区图布设地下水位监测点,使每个地下水动态类型分区中都有监测井,使监测点空间分布更加合理,能够快速、准确地获取全市地下水位动态信息.

(2) 地下水"立体分层"监测

在"北京市平原区地下水环境监测与初步整治方案"项目实施前,北京市平原区地下水位监测体系存在一定问题,除分布不均、数量不足外,更体现在对不同深度含水层的控制不足上,特别是对深度大于100m的含水层更是缺乏合理的控制.区域地下水环境监测网建设实施以来,依据地层沉积规律、时代特征,并结合地下水开发利用状况,对第四系地下水监测井的监测层位进行了更为准确的划分,分别对应于潜水含水层组、第一承压水含水层组、第二承压水含水层组和第三承压水含水层组,使每个层组都有了适当数量的监测点.

(3)地下水自动化监测水平不断提高

2003年以来尝试过几种国产和进口的压力式地下水监测设备,最终认可的是荷兰生产的Diver系列地下水自动监测仪.为了能实现监测数据的自动传输,在中国地质环境监测院的支持下,进行了国产的地下水监测数据自动传输仪与Diver配套,建成了方便、可靠的地下水位自动监测仪传输系统.目前,监测设备采集频率为1次/小时,监测精度可达厘米级,数据测量准确,仪器运行稳定.自动传输仪发射频率为1次/日,其工作状态良好,运行基本稳定.

(4) 建成了设备信息管理系统

该系统架构于Windows平台下,主要由数据库子系统、数据分析子系统和成果发布子系统组成,系统已开发了监测井管理、仪器设备管理维护、监测数据存储、曲线图生成、数据导入导出、审核管理和设备故障诊断等功能,可以在室内辅助工作人员对整个自动化监测网进行全面的管理维护.

(5) 实施一井多层监测井示范工程

一井多层地下水监测示范工程是利用Westbay多层地下水监测系统,进行地下水分层取样和同位素测试工作.依靠其取样和测试成果,可以开展水文地球化学和同位素水文地质学分析,从微观上揭示地下水各层之间垂向水力联系和循环演化规律,为实施地下水科学管理、地下水可持续开发利用以及地面沉降监测等提供基础数据.

4 监测网优化展望

(1) 监测井空间分布优化

2003- 2011年期间,北京市建立了怀柔、昌平等多个应急水源地,对区域地下水流场产生了很大影响.因此有必要对近几年地下水流场变化较大的地区,对地下水动态类型分区进行科学调整,以获取到更为准确、全面的地下水动态信息.

岩溶裂隙水和基岩裂隙水已是北京市重要城市供水水源之一.但北京地区现仅有10余眼裂隙水监测井,远远不能满足其水资源监测的需要.目前迫切需要规划设计用于岩溶裂隙水和基岩裂隙水的监测井,以及时提供岩溶水的动态变化信息,为岩溶水科学开发利用提供依据.

(2) 自动化监测设备配置信息优化

①监测网现采用的水位监测仪、传输仪均不能实现远程双向控制.建议尽快实现仪器设备双向通讯机制,可以远程调整监测仪的工作方式、监测频率、监测时间,同时应提高可以控制传输仪的发射频率、发射时间,以满足应急需求.

②应提高现行传输仪的防水、防潮性能,以避免井内潮湿造成的设备短路.今后应更新设备,优先采用防水传输仪,保持环境温度恒定,避免电路过早老化和短路.

③现运行的传输仪因生产厂家不同,具有不同的网络制式和数据格式,增加服务器解译的压力.建议未来对各类传输仪建立统一的网络制式和数据格式,减轻服务器的压力.

5 结论

北京市开展地下水监测工作已有50多年的历史,现已建立了较为完善的地下水位监测体系.本文在分析北京市现有地下水位监测网情况基础上,论述了现有监测体系的特点,认为现有地下水监测体系已具备一定的创新性特点,可以满足地下水科学监测的要求.同时针对监测网的运行现状提出了一些改进措施和调整方法,让地下水监测科学成果能够为城市建设、经济发展和人民生活改善提供有效服务.

[1]胡 军.地下水的自动化监测过程.水文地质工程地质.2003,30(1)∶101.

[2]王丽亚,刘久荣,周 涛等.北京平原地下水可持续开采方案分析[J].水文地质工程地质, 2010, 37(1)∶ 9～16.

[3]周 磊,王翊虹,林 健等.北京平原区地下水水质监测网优化设计[J].水文地质工程地质, 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]杨国宝.地下水水位水温自动监测仪器设备管理系统总结报告[R], 构舆图(北京)科技有限公司,2010,7.