创新监测技术装备 成就地质环境侦测尖兵

作者:赵学亮 王晨辉 郝文杰 发布时间:2022-09-13

自然资源部中国地质调查局水文地质环境地质调查中心(以下简称“水环中心”)从事地质环境监测技术与装备研发有五十余年,逐步形成地质灾害监测、地下水监测、地热监测技术与装备三个优势方向,取得系列研发成果,为全国地质灾害监测预警、水资源调查评价和能源资源开发提供了重要支撑服务,科技成果转化成效显著,取得较好的社会和经济效益。 

一、地质灾害监测技术装备:从群测群防简易监测到群专结合智能监测,服务地质灾害监测预警 

2007年以来,针对滑坡、崩塌及泥石流等灾害类型和特点,自主研发了门类齐全、种类丰富的地质灾害监测仪器,研制了一系列经济实用的地质灾害群测群防自动监测预警装置,例如滑坡预警伸缩仪、裂缝报警器、地质灾害多参数采集传输仪、激光多点位移监测仪、位移自动监测报警装置等15种地质灾害监测仪器,尤其是裂缝报警器、滑坡预警伸缩仪等设备同国外同类型仪器相比具有低成本、易操作等特点,为全国地质灾害高发区和易发区生产、发放、安装裂缝报警器和滑坡预警伸缩仪等地质灾害监测仪器20万余套,为提高我国地质灾害群测群防能力提供了有效的技术手段,在抗震救灾与突发灾害应急方面发挥了重要作用,多次成功预警预报险情,为地方政府防灾减灾决策提供了有效技术支撑,社会经济效益显著。 

除简单实用的群测群防监测设备外,水环中心地质灾害监测技术团队还研发了系列地质灾害专业监测预警仪器,如自动雨量监测仪、泥石流泥位监测仪、泥石流激光夜视监测仪以及光纤光栅实时监测解调仪、分布式光纤应变实时监测系统等。在2013年雅安地震灾区宝兴县冷木沟和教场沟,安装布设的13套激光夜视监测仪等泥石流监测预警设备,实现了对两条泥石流沟的全方位、实时、自动监测预警和远程视频监控,并成功预警,为当地政府及时组织疏散群众提供了有效技术支持和依据,避免了人员伤亡和财产损失。 

2019年以来,紧密围绕降雨与地表变形监测技术难题,以提高设备可靠性和集成度、降低设备功耗和综合成本为目标,综合运用微机电系统(MEMS)、光电/压电、北斗定位、窄带物联网等智能传感与传输技术,自主研发了智能雨量监测仪、倾角/加速度监测仪、智能裂缝位移监测仪、全球导航卫星系统(GNSS)地表位移监测仪等两类6种第一代普适型地质灾害监测预警设备,分别在西藏昌都金沙江上游、三峡库区重庆云阳、甘肃陇南、江西赣州、湖南溆浦等地开展了野外示范应用,成功预警重庆云阳团包滑坡。 

2022年,综合运用无线组网与物联网技术、多参量数据融合技术等新技术,研制出普适型智能化实时监测预警仪,包括滑坡裂缝智能监测预警仪和智能分级雨量监测预警仪,具备重量轻、体积小、功耗低、防护等级高、安装轻便、性能稳定等特点,具有仪器-仪器、仪器-平台之间的智能联动与协同预警功能,可满足不同灾害体的裂缝位移、雨量监测需求。20224月在甘肃舟曲选取2处滑坡灾害点开展野外监测示范应用,完成10套滑坡裂缝智能监测预警仪与3套智能分级雨量监测预警仪安装部署工作。截至目前,监测仪器工作运行稳定、状态良好,获取了有效监测数据,应用效果良好,有效提升专群结合的地质灾害监测预警科技水平。 

二、地下水监测技术装备:形成“传感器+采集器+管理平台”全流程技术体系,服务国家地下水监测工程 

20世纪80年代开始,水环中心开展了地下水压力、温度监测技术和相关仪器的研发工作。经过40余年的努力,从最初人工记录、导气管补偿式地下水水位计已发展成为具备自动采集存储、实时补偿和智能分析的地下水动态监测系统,实现了监测技术方法和仪器传感器的跨越式发展。当前地下水动态远程监测仪、管理系统及相关仪器设备具备监测数据自动采集、存储、远程传输、自动解译入库与动态监测传感器信息、通讯设备信息、监测井信息管理等功能,具有全自动无人值守工作、超低功耗运行、多种接口兼容、多级数据更新等特点,水位监测精度优于满量程的±0.2%,同时可应用于一孔多层含水层的监测,获得国家发明专利、实用新型专利和软件著作权30余项,获省部级奖励3项,形成“传感器+采集器+管理平台”全流程技术体系。201411月,由原国土资源部组织,袁道先院士为专家组长的鉴定委员会鉴定为“性价比优于国外同类产品,综合性能达到国际先进水平”。 

地下水动态监测整套系统设备已在国内高海拔低气压、高温干燥、高温湿热、低温严寒等典型地区取得了良好的应用效果。按照国家地下水监测工程的总体要求,2015年、2016年,为监测工程提供2000余套产品,并为江苏、安徽、山东、河南等七省提供设备的安装、调试、维护,为国家地下水监测工程提供了重要的技术和设备支撑,为我国地下水资源科学管理提供了技术支撑。 

三、地热监测技术装备:形成“浅、中、深”立体监测技术体系,服务雄安新区地热资源监测监管 

2016年起,水环中心地热监测技术团队根据地热资源勘查评价、开发利用、监管保护全流程动态监测需求,创新研发了一批具有自主知识产权的自动化监测技术装备,形成了浅层地热能准分布式温度监测装备、耐温型水位-水温自动化采集与远程传输终端、流体流量-温度-压力监测设备等代表性产品,获批专利近20项,可适用于浅、中、深不同类型地热资源立体监测,满足300℃瞬态测温和120℃长期监测的工作需求,温度、压力、水位、流量监测精度分别可达2.5‰、1‰、0.5‰、5‰。牵头编制完成《地热资源动态监测规程》能源行业标准,《雄安新区地热动态监测系统和专用监测井技术规程(试行)》、《雄安新区地热开采井和回灌井监测技术规程(试行)》等地方标准,已分别由国家能源局和河北雄安新区管理委员会发布实施。 

2019年,采用自主研发的地热监测设备,在雄县建立地热监测示范网。2021年,运用自动数据采集与无线传输、大数据分析等新一代信息技术,启动雄安新区地热监测网工程建设。目前,已建设完成开采和回灌监测井31眼、专用监测井19眼,形成基本覆盖雄安新区地热集中开采区和主要地热矿权区块的监测网点,有效支撑雄安新区地热资源精细化管理和可持续开发利用,形成了“政府主导、公益先行、创新驱动、示范引领、工程化应用”为主线,多渠道资金联合、科技研发与成果应用于一体的社会化服务新模式。(水环中心:赵学亮  王晨辉  郝文杰)