北京市平原區地質資源環境監測網絡優化設計

李敏　韓征　李勇　李巧剛

摘? 要：地質資源環境監測是一項長期性、基礎性、公益性工作，可實現對各類地災隱患的有效監控、評價、預警、預報。為了全面保障城市戰略性地質資源和地質環境的可持續發展，在現有監測網基礎上，應打破應用格局，優化監測網絡部署，為將來實現地質資源環境承載力的立體動態監測，實現多個監測預警系統監測信息的有效融合，實現地質資源的按需服務和地質信息的全面共享奠定基礎。本文首先分析了北京市平原區在各地質資源環境專業領域的監測現狀及存在的主要問題，對監測網部署的內容及特點進行闡述，確定了監測網絡優化的主要對象，對各專業監測網絡建設的優化部署原則進行探討，通過引入九大類地質要素的分類機制，建立基于地質要素的綜合監測網絡。根據每種要素的監測目的和部署原則獲取隱伏線性構造、地面沉降、地下水環境、地溫場環境、土壤地質環境、地下空間、重大線性工程的動態監測信息，其長期的監測數據將為進一步研究地質環境承載能力，提供可靠的基礎資料。

關鍵詞：地質資源;地質環境;監測網絡;地質要素

中圖分類號：X141? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0100-06

Abstract： Geological resources and environment monitoring is a piece of long-term， basic and public welfare work， which can effectively monitor， evaluate， warn and forecast all kinds of hazards. In order to guarantee the sustainable development of urban strategic geological resources and geological environment， based on the existing monitoring network， the application should break the pattern， optimization of monitoring network deployment， realize the geological resource environmental bearing capacity for the future of three-dimensional dynamic monitoring， implement multiple monitoring early warning system for monitoring the effective integration of information， according to the geological resources and geological information sharing service. This article first analyzes the Beijing plain area in various geological resources and environment in the field of professional status quo and main problems of monitoring， elaborates the content and characteristics of the monitoring network deployment， and determines the main objects of the monitoring network optimization. The optimization of each major monitoring network deployment principle are discussed. By introducing mechanism of nine categories of the classification of geological factors， the comprehensive monitoring network has been set up based on the geological factors. According to each of the elements of the purpose of monitoring and deployment principle for concealed linear structure， ground subsidence， groundwater environment， geothermal field environment， soil， geological environment， underground space， significant linear engineering dynamic monitoring information， the long-term monitoring data will become the basis of further study on geological environment carrying capacity to provide reliable data.

Keywords： Geological resources; Geological environment; Monitoring network; Geological factors

0 引言

監測網絡的建設作為北京市地質資源環境承載能力監測預警平臺的基礎，將實現對地質資源和地質環境監測信息的采集和匯聚，其建設的好壞將直接影響到平臺對于各類地質資源環境承載力的評價和監測預警能力（韓征等，2017）。以北京市平原區為例，當前地質資源環境承載能力監測網絡包括地下水環境、地面沉降及地裂縫、重大線性工程、地下空間地質安全、隱伏線性構造、土壤地質環境、地溫場環境、突發地質災害八大監測網絡體系。

通過多年監測，北京市地勘院（原北京市地勘局）基本掌握了各地質資源環境專業領域的動態變化特征，研究了其發生、發展機理和規律，其監測成果已廣泛應用于城市規劃、土地資源管理、水資源調控、重大線性工程選址，重要建設場地適宜性評價、南水北調、地面沉降防治等多個方面。從綜合規劃和管理需求的角度，優化各專業監測預警網絡，建立綜合監測網絡，開展綜合監測網絡優化工作尤為重要（李亞民等，2013）。

1 監測網絡建設現狀

近年來，國內外主要發達國家已經開展了大量地質監測網絡方面的工作，形成了一定規模的地質資源監測網絡體系，多半以小區域監測為主，尤其是面積較小、經濟發達的國家和地區在監測方面發展較快，但是綜合性監測網絡系統只有少數國家已經建立。地質資源監測預警平臺系統建設起步相對其他行業（氣象、地震、水務等）較晚，發展也較慢。隨著各類信息管理系統的發展日益成熟，尤其是網絡技術的高速發展，在多種新進技術的支撐下，地質資源與環境監測網絡逐步由監測升級到應用服務。

目前北京市地質環境監測總體情況滯后于地質資源開發利用程序，滯后于地質環境變化的速度和趨勢。近幾年來，北京市地勘院開展了一系列有針對性的專業調查評價和監測預警系統建設，已建成并投入運行的監測系統為地下水環境監測網絡、地面沉降監測網絡、地溫場環境監測網絡和土壤地質環境監測網絡，其建設現狀為：

1.1 地下水環境監測網絡

北京市已建立了區域地下水環境監測網和重點污染源監測網（周仰效等，2007），監測井總計1182眼，實現了地下水質的分層立體監測。其中，第一含水層組主要為潛水及埋深小于50m左右的淺層或具有微承壓性質的含水層組，監測井數為384眼;第二含水層組分布于平原承壓水區，含水層組底界深度100m左右，監測井數為209眼;第三含水層組分布于沖洪積扇中下部地區，含水層組底板埋深150～180m，監測井數為152眼;第四含水層組底界埋深300m左右，監測井井數為77眼。監測網基本實現了立體分層監測，但在每個水文地質分區尚未進行優化設計。

1.2 地面沉降監測網絡

北京市現已建立地面沉降監測站7個，GPS監測站114個，地下水位分層監測井600余眼。監測網基本覆蓋了平原區地面沉降嚴重地區，但對于宋莊等地裂縫重點地區未進行加密觀測。已建成的信息系統實現了地面沉降預測分析、沉降趨勢分析、地下水動態數據管理等功能，系統的建成提高了區域地面沉降的監控能力，為地面沉降的防治提供了決策支撐。系統數據可與規自委、住建委等進行共享。

1.3 地溫場環境監測網絡

北京市現已建成42個淺層地溫能利用監測站點，設立了淺層地溫能開發利用動態監測網絡，建立了地溫場監測及采集系統。由于總體上監測時間不長，監測網尚未形成規模，更沒有優化設計。

現有系統已實現實時數據管理、數據統計分析等功能。未來待建的信息系統將實現地熱地質建模、熱物性特征分析、地溫場特征分析等功能，建成后可與規自委、地調局等單位進行數據共享。

1.4 土壤地質環境監測網絡

北京市已建立土壤地質環境監測網180個監測點，其中包含區域監測點120個，重點地區監測點60個，工業區監測點15個，農業種植區監測點20個，水源地保護區監測點15個和元素異常區10個，按照土壤監測的標準，還未達到監測標準，更需要優化設計。

現有系統可實現監測點位管理、監測數據管理、成果數據管理等功能。未來待建的信息系統將實現土壤地球化學評價、環境質量評價、污染分析評價、土地種植適宜性評價等功能，系統的建成將為保障土壤環境的安全提供支撐。數據可以與規自委、市農委等委辦局共享。

2 存在的主要問題

目前，地質資源環境監測工作探索形成了以監測預警體系為主體的基本格局，面向資源環境監測發展需求，現有的監測網絡仍然存在一些問題，還需要進一步完善優化，使地質資源環境監測成果更好地為地質環境保護和經濟社會發展服務。

2.1 已建監測網絡不完善

北京市在“十二五”規劃期間，限于當時的技術發展水平及監測網部署條件，當前已建各專業監測網絡部署難以滿足未來的發展需求，各專業監測網絡布設的地質依據不夠充分、監測點、監測站區域覆蓋不全、監測區覆蓋面積不夠。在重點建設區域，現有的監測網絡建設規模與需求差距較大。例如，目前地面沉降監測網還沒有完全覆蓋到整個平原地區，淺層地溫能開發利用對環境影響監測網絡建設落后于資源開發利用速度。同時，以往工作主要為區域性、大范圍的調查監測，在局部有針對性的工作部署不夠，難以滿足監測的精度需求，此外在監測網絡化和計算機網絡應用方面發展落后，也是制約監測工作效率的瓶頸。

2.2 不支持綜合管理需求

監測網絡建設依然處于無序狀態，大范圍、宏觀地質環境監測和區域地質環境綜合分析能力不足，尚不足以全面反映地質環境質量狀況。目前，現有監測網絡的監測內容多為單個地質環境問題（如地面沉降的專業監測）監測，尚未建立綜合網絡布設與工作部署。各專業監測成果信息的整合程度較低，導致上下級之間、各相關業務部門之間的業務無法進行有效關聯與更新。由于缺乏動態監測信息資源整合，各專業監測分別建立監測數據庫或信息系統，導致了監測數據分散，數據標準不統一，監測數據不能共享，無法滿足綜合規劃管理的需要。

3 監測網絡的優化設計

監測網絡的建設過程中，面對的主要技術問題就是監測網的部署方法（邢麗霞等，2011）。如果網絡部署得當，將對區域地質資源和地質環境的承載力進行有效監控，以便于后期開展各類預警預報研究;如果網絡部署不當，如在重點區域未部署監測設施、部署的監測設施對區域的控制力不強、或監測設施所在區域不具有代表性，將大大削減監測預警能力。因此，監測網絡的優化設計工作對于監測預警建設至關重要。如圖1所示監測網絡建設流程，本次將在現有的研究基礎上，對監測網絡的部署和優化方法進行闡述。

3.1 各專業監測網絡優化部署

八大獨立的監測預警體系應遵從自身的專業特點和建設基礎，按照可行性、持續性、代表性、全面性、重點突出性的原則，對每個專業監測網絡分別進行部署，力求實現自身網絡的優化配置。以地下水、地面沉降、地下空間和土壤監測對象為例，其優化部署原則如下：

（1）地下水環境監測網部署原則

在建設上應統籌考慮北京市水務局、地勘院、環保局現有監測點，結合已實施的“國家級監測工程”及即將實施的“北京市地下水環境監測網完善工程”，各層位達到“規程”的相應監測精度;在垂向上突出“立體分層”;在地下水類型上突出“系統化”，開展第四系地下水的監測，在此基礎上針對“雙源”（周磊等，2008），水源和污染源在重要地區和典型地段進行重點監測，實現對城市區域地下水全面、系統的全方位監測。

（2）地面沉降監測網部署原則

適應南水北調進京后水資源利用結構以及地下水開采的變化形勢（周磊等，2008），統籌考慮北京市現有的地面沉降監測網絡，包括水準監測網、GPS監測網、InSAR監測網，并結合新常態下的地質災害預警監測要求，對新的沉降中心區域、區域重大工程建設、線性工程、地下空間等未來發展的重點領域進行全面部署。在監測范圍上，突出“全區域”、將平原區視為一個整體進行全面監控;在垂向上突出“立體分層”，同時整合區域網，突出專網特征。監測精度要求城市區域達到1∶5萬。

（3）地下空間監測網絡部署原則

地下空間資源呈三維空間分布，總體布設時既要考慮平面，也要兼顧豎向。平面布置考慮未來地下空間開發利用重點區域以及地下空間開發利用的地質敏感區。地下空間資源開發是在地質體里進行，因此地質作用直接影響地下空間資源開發利用，對地質作用影響敏感區（隱伏線性構造、地面沉降、砂土液化、不良工程地質體以及氡氣）進行重點部署。豎向布置考慮地下空間開發利用深度以及在各開發層次影響地下空間資源的地質作用（於崇文等，2008）。結合未來地下空間開發利用深度，在重點區內地下空間資源開發利用深度將達到地下100m，因此地下空間資源監測深度總體0～120m（考慮到利用的安全性，監測深度必須大于開發利用深度）。

（4）土壤地質環境監測網絡部署原則

土壤地質環境是動態的，監測工作必須是持續的，需要通過連續獲得監測點的各項參數指標，及時掌握土壤環境中地球化學元素的動態變化規律。監測點位的布設應充分考慮交通、安全等方面，保障野外的可實施采樣，兼顧采樣現場的實際情況，并應充分考慮成土母質、土壤類型等不同地質單元屬性（趙鵬大，2012），在網格內的主要地質單元都要有監測點，以保證樣點的代表性。

立足于全方位的立體監測，包括表層監測和垂向監測，對區域上以表層監測為主，對工業區等重點地區以實行垂向監測為主，不僅監測元素含量特征，而且監測影響土壤地質環境的各種輸入輸出通量，為預測預警提供重要的參數。

3.2 綜合監測網絡優化部署

按照原有的部署原則，八大監測預警體系將分別建設八個相互獨立的監測網絡，割裂了相互聯系，缺乏地質工程的集成與聯動機制，彼此之間數據的交互性差，不能實現多專業領域數據的互融互通、交換共享。城市地質協同開發利用的需求更新推動著地質資源監測預警體系向以地質要素為分類機制的資源整合模式發展。

（1）綜合監測網絡優化對象的確定

綜合監測網絡優化就是將已有的八大專業監測網絡綜合在一起進行統一管理及優化，相互獨立的八大專業監測網絡即為優化的主要對象。

對比分析監測網絡優化主要對象的各自特點，可以看出：地下水環境監測網和地面沉降監測網都有地下水位監測點。地下水環境監測網和水土地質環境監測網中都有地下水質監測點。地面沉降、隱伏線性構造、重大線性工程都部署了水準測量的工作，地下水環境、地溫場環境都安排了地下水水質的取樣工作。這些單獨建立的監測網絡對于很多的地質要素進行了重復的布設，既不利于資源的集約，也增加了重復工作量。因此，有必要打破原有所在網絡的限制，統一按照“地質要素”為基準，對原有專業領域的監測網絡進行拆解、歸并和綜合監測網絡優化。網絡綜合優化的內容主要涉及點位的空間布設、數據采集頻率、測試指標、數據傳輸途徑的共享等方面。

（2）基于地質要素的綜合監測網絡優化

城市區域概化后的地質環境要素主要包括地表形變、地層形變、土壤環境、地溫場環境、地下水水質、地下水水位、地下水水溫、地質體應力及其他地質要素（孔隙水壓力、振動、土體含水率、氡氣）九大類。按照這九大類地質要素的類型，將原有獨立的監測網絡進行拆解，并以“地質要素”為單位進行重新組織和劃分。如對于重大線性工程、隱伏線性構造、地面沉降和地下空間這4個專業領域，都具有地層形變地質要素的監測內容（圖2），其中分層標的監測方法是線性工程、隱伏構造和地面沉降都需要采用的，因此需要對每個獨立的監測網絡中的分層標監測設施進行歸并和優化處理。最終使得每一個特定地質單元的資源環境承載力都能得到準確、實時、集約化的監測，實現物聯網基礎設施的集約化配置和監測網絡的最優布控（圖3）。

3.3 首都地質資源承載力監測預警信息平臺建設

為實現平原區地質資源環境監測的綜合管理與整體統籌，北京市地勘院通過集成、整合八大監測網絡初步建設了首都地質資源承載力監測預警信息平臺，有效實現了基于地質要素的綜合監測網絡優化部署。平臺借助于多維地理信息系統、智慧地圖、互聯網大數據分析等多種信息化技術，實現了各個專業監測系統數據的對接，全面提升基于“物聯網”的八大監測系統空間感知信息的動態獲取能力、多源異構數據的融合能力、地勘綜合預警預報模型的建設能力以及地質信息資源的按需服務能力。

平臺的構建本著對地質資源環境進行“一張圖”管理的原則，將已有數據進行梳理、重組、合并、加工，并按照統一的要求寫入數據庫，利用遙感、GIS、二三維可視化等技術，實現對數據的查詢、統計、分析、輸出、信息展示等，并以圖形、表格、文字、GIS和數據模型相結合的方式，直觀、準確、動態地體現地質資源環境“一張圖”各個方面的信息，為準確掌握地質資源的分布利用情況和地質環境狀況提供科學的依據。

4 結論

（1）為推進專網體系建設，本文針對各專業監測網的布置、監測精度、重點不突出等幾個問題，綜合考慮監測對象所在的地質環境條件、特征規模、通訊條件、施工條件等，重點研究了地下水環境監測網、地面沉降監測網、地下空間監測網絡和土壤地質環境監測網絡的優化部署。隨著各專業監測網絡的逐步實施運行，各專業監測數據也逐步累積，為及時掌握地質環境的動態變化規律、綜合利用專業監測數據，形成有效的地質資源環境承載力信息提供了基礎保障。

（2）初步提出了基于地質要素為單位的綜合監測網絡優化部署，按照各重要地質環境要素組織監測，使專業監測工作更加科學化、系統化、規范化，為區域性監測網絡優化工作提供參考。首都地質資源承載力監測預警信息平臺的建設將全面提升綜合監測網絡的建設能力以及地質資源環境的按需服務能力，全面保障地區戰略性地質資源和地質環境的可持續發展。

（3）北京市地質環境問題復雜，工程活動影響日益突顯，本文通過對監測網絡的優化設計，在監測范圍上，整合區域網，突出專網特征。為今后實現對地質資源和地質環境承載能力的精準、有效的監測提出理論基礎，以更好的保障北京的地質安全。

參考文獻

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