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地质安全的守望者

2021-08-02 10:10:14    来源: 中国自然资源报    作者:高慧丽 王晨辉 赵学亮 郝文杰 范基姣

进入7月,大雨一轮接着一轮,地灾防治形势严峻。在重庆云阳、甘肃武都和文县、湖南溆浦等地的地质灾害监测预警实验点,地质灾害监测预警设备就像一双双“眼睛”,时刻盯着这里降雨、裂缝、山体的动向。而远在千里之外的河北保定,自然资源部地质环境监测工程技术创新中心的技术人员也在时时关注着这些设备远程发来的监测数据。

这些地灾监测预警设备,是地质环境监测工程技术创新中心面向国家防灾减灾救灾新战略,按照自然资源部普适型地质灾害监测预警技术装备研发的要求,聚焦地质灾害隐患在哪里、什么时间可能发生等关键问题,集成运用多种高科技手段,重点攻关滑坡崩塌智能监测预警难题研制而成。

而地质灾害监测预警设备,仅是该中心的研发方向之一。由原国土资源部地质环境监测技术重点实验室转型而来的自然资源部地质环境监测工程技术创新中心,自2019年进入自然资源部科技创新平台序列,依托中国地质调查局水文地质环境地质调查中心近40年的技术积累和雄厚的研发实力,设立地质安全监测技术与装备、资源开发环境影响监测技术与装备、生态地质环境监测技术与装备3个研发方向,目前已形成地质灾害监测、地热监测、生态地质环境监测、仪器质量检测检验4个技术团队,致力于打造地质环境监测装备工程化研发和成果推广应用的高地。

地质安全监测:

实现多传感器多要素信息获取,形成功能齐全、智能联动的地质灾害监测预警装备体系

地质灾害隐患在哪里、什么时间可能发生,是地质灾害防治需要首要解决的两个关键问题。2019年,自然资源部启动了普适型地质灾害监测预警设备研发工作。地质环境监测工程技术创新中心紧密围绕降雨与地表变形监测技术难题,综合运用微机电系统、光电/压电、北斗定位、窄带物联网等智能传感与传输技术,实现位移、倾角、土压力、雨量、含水率、泥水位、地声等多传感器多要素信息获取,形成全面覆盖、多源融合、功能齐全、智能联动的监测预警装备体系,系统解决地质灾害监测预警的“感、传、知、控”难题,创新性地提出了普适型地质灾害监测预警设备一体化、轻便化及快速安装部署的解决方案。

2019年~2020年,该中心先后研制推出智能雨量监测仪、倾角/加速度监测仪、智能裂缝位移监测仪、GNSS地表位移监测仪、土壤含水率监测仪和无线声光报警器等仪器设备。这些设备具备集成化、低功耗、低成本、安装便捷、维护方便等特点,不仅较以往的监测设备在可靠性和集成度上有了很大提升,而且还降低了设备功耗和综合运行成本,先后在三峡库区、甘肃陇南、江西赣州及西藏昌都金沙江上游等地进行了安装试用。

2020年7月16日,重庆地区普降暴雨,云阳县域迎来强降雨,在团包滑坡安装部署的普适型监测设备及时捕捉到滑坡变形迹象。至2020年7月17日8时,设备监测数据显示,滑坡后缘裂缝变形量呈明显增长趋势。该中心技术团队研判滑坡受降雨影响变形将会加剧,随即向云阳县规划和自然资源局报告了险情。在该局启动应急预案后,技术团队与地方政府双方主要负责人建立联络通道。而后,裂缝变形持续增大,7月17日15时56分后缘裂缝变形量达64.2毫米。技术人员立即通过联络通道通知临时避让。当16时44分监测预警平台报警装置被触发时,当地政府工作人员已冒雨赶到现场,组织受威胁群众紧急避险撤离。由于及时预警并采取了临时避险措施,有效避免了人员伤亡。

今年,该中心持续优化完善地质灾害监测预警设备性能,继续在甘肃、湖南、新疆、西藏等地开展监测预警实验,并派出专家组指导甘肃、湖南两地开展地质灾害监测预警实验工作。

资源开发环境影响监测:

满足高中低温地热资源勘查广泛需求,自主研发地热水位水温一体化监测设备

地球内部像一个大热炉,可以给人类提供清洁的能源——地热能。而保障地热资源长期、可持续开发利用的一个前提,是掌握地热储层及其周边地质环境的动态变化。这就需要通过长期对开发利用动态数据进行采集、分析、模拟和解译,获取地热资源的真实性质和参数。

为此,地质环境监测工程技术创新中心研发了深井分布式光纤温度监测仪,充分利用光纤传感设备耐高温、耐腐蚀和抗电磁干扰、可分布式测量等特点,实现了一次下井即可完全掌握全井筒温度特征,避免了测量过程的温度扰动。

依托地质调查项目,应用该监测设备,该中心对天津市东丽湖及其周边的13口地热深井开展全井段测温工作,获取了丰富的地热井温度数据,为本地区地温场温度特征分析及大地热流数据库的完善提供了基础数据。相关资料已经依托项目提交到天津市东丽湖相关管理部门。

同时,基于深井分布式光纤温度测量技术,该中心设计开发了井壁光纤监测配套装置,将光纤紧密耦合在套管上,避免了光缆下井过程中的滑动、磕碰与挤压损坏等工程技术难题,实现了深井地层温度的分布式长期在线监测,为更好地评估地热资源及了解储层结构提供了技术支持。

面对地热资源管理新形势,在地热大规模开发区建立地热专用监测网络,了解和掌握地热资源动态迫在眉睫。基于此,2019年,该中心针对国内中低温地热监测广泛需求,自主研发了地热监测专用设备,具有耐高温和抗腐蚀等特点,可实现地热井水位、水温实时自动化采集和监测数据的远程传输。

利用该系列监测设备,该中心在雄安新区建立了雄县牛驼镇地热田地热监测网,范围覆盖雄县6个乡镇,控制面积240平方千米,一期监测网包括专用监测井10眼,持续运行近11个月,掌握了该区域的地热储层(新近系馆陶组、蓟县系雾迷山组和高于庄组)在供暖季、非供暖季水位呈周期性下降与恢复趋势;后续二期监测网作出调整,增加了开采井和回灌井。截至目前,监测网已持续运行22个月,数据真实可靠,为雄安新区地热动态监测规模化建设积累了经验。相关监测报告已提交到雄安新区地热管理部门,为雄安新区地热可持续开发管理提供科学数据。

生态地质环境监测:

助力地下水资源合理开发利用,推动实现地下水多参数分层原位在线监测

地下水是看不见的水源。要了解地下水资源的变化,只有开展长期监测,才能作出全面、客观、准确的评判。

地质环境监测工程技术创新中心自主研发的地下水动态远程监测系统,构建起“传感器+采集器+管理平台”的全流程技术体系,实现了地下水水位水温全要素自动监测自动传输。首创的“一孔多层”自动监测与集中数据同步传输的工作模式,实现了由传统的混合监测向分层监测转变。这一系统在国家地下水监测工程中推广应用2000余套,实现了河南、河北、山东等7省地下水的区域监控,为工程安装、运维和监测数据安全提供了重要技术和装备支撑。目前,已推广应用到南非等“一带一路”沿线国家。

野外环境复杂多变,往往引起用于地下水水质测量的电极传感器性能不稳定,从而导致难以获取稳定、准确的水质测量结果。对此,该中心通过研判野外复杂环境对检测传感器和检测参数的影响机制,攻关环境影响多源要素自动识别与智能补偿技术,解决了易变组分碳酸根和碳酸氢根野外现场快速检测技术难题,2018年集成地下水多参数电极传感器,研发了可测量氟离子、pH值等11种参数的水质现场快速检测仪器和中深部含水层多参数分层原位在线监测设备等,推动水质检测装备由室内分析向野外测试使用的跨越,在地下水环境监测、页岩气与煤层气能源资源安全监测等领域得到较为广泛的应用,取得了显著的经济和社会效益。

针对国内传统分层抽水技术存在的成井结构复杂、钻井施工成本高、施工周期长、井内封隔止水效果差等技术缺陷,该中心成功研发了以封隔注浆分层止水技术、分段振荡洗井技术、分层抽水(采样)技术和分层观测技术为主体的地下水分层勘查新技术装备,推动形成了“封隔成井—分段洗井—分层抽水—分层长观”地下水分层勘查新模式,不仅能够实现大深度松散层水文地质孔的分层成井,大幅提高施工效率,而且能够便捷获取高精度水文地质参数,分层构建水文地质模型,对于准确评价地下水资源、合理开发和利用地下水具有重要意义。自2014年至今,这一装备先后在甘肃、黑龙江等20多个省(区、市)进行了推广应用。

2021年是“十四五”开局之年,地质环境监测工程技术创新中心在自然资源部及中国地质调查局的领导下,在中国地质调查局水文地质环境地质调查中心的大力支持下,将继续以地质环境监测装备自主研发应用为主业,克服零而散的产品模式,在系统化、智能化、工程化、市场化上发力,打造实用性强、性价比高的技术产品,提供涵盖方案设计、订单式研发、工程实施、运维服务的整体解决方案;同时形成国家CMA、CNAS认证资质的仪器质量检测检验平台,实现地质灾害监测仪器“通信接口—仪器质量—预警平台”一站式检测检验,支撑自然资源部地质灾害防治主管部门监管职责。

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