中国地质环境监测院自2003年开始组织实施“典型地区地下水监测预报”项目，该项目由北京市地质环境监测总站、山东省地质环境监测总站、新疆维吾尔自治区地质环境监测院参加，选择了北京平原区、新疆乌鲁木齐河流域、山东济南岩溶泉域3个示范区进行地下水动态监测示范。本节选取北京平原区地下水监测工作作为实例。
一、北京地下水水位监测历史现状及存在问题
北京地下水动态监测工作开展初期，只在城市近郊区建立了33个监测孔，至20世纪50年代末期，地下水水位动态监测孔达到558个。“文革”期间，监测孔逐年减少，远郊区县监测工作甚至中断；1979年全市地下水监测孔恢复到624个；1983年全市监测孔数量达752个，并编辑出版了《北京市地下水动态年鉴》，地下水动态监测网覆盖整个北京市平原区6540km2(包括延庆盆地)。90年代以后，城乡建设快速发展，导致部分观测孔遭到破坏；至2005年北京市地下水观测孔共650个左右，其中专门孔150个、群众监测孔500个。
多年来，北京地下水水位监测为城市建设和工农业发展提供了大量的地下水信息。由于近年来经济社会的快速发展对地下水信息的需求越来越高，在这样的发展态势下，北京市的地下水水位监测显现出一些问题：监测点分布不尽合理；监测频率不尽科学；监测手段落后；数据丢失风险大。
二、北京平原区地下水水位监测网优化
为了解决北京平原区地下水监测网存在的问题，需对监测网进行优化工作，使得监测点的空间分布合理化，从而充分监测到地下水动态区域变化。本次采用的方法是影响地下水动态的多因素综合分区图法。
根据实际水文地质资料绘制4张地下水动态影响要素图，即《水文地质分区图》、《非饱和带特征分区图》、《地下水补给分区图》和《地下水局部影响分区图》，然后将4 张要素图进行叠加得到《影响地下水动态的多因素综合分区图》。然后在《影响地下水动态的多因素综合分区图》上进行地下水监测点的布设，使每个地下水动态分区中都有监测点控制。根据这4张影响要素图获得影响地下水动态的多因素综合分区图，总共识别了260个动态类型区，每个区代表4个不同要素的合成，可能具有独特的地下水水位时空变化特征。动态类型区的命名采用要素名的合成。比如位于永定河冲洪积扇顶部的一个动态类型区为永定河子系统-单层砂卵石-强补给区-永定河影响带，由于该区含水层厚度大、非饱和带渗透性高、降水补给量大、且有永定河放水的河流补给，地下水动态的主要特征为季节性变化幅度大、水平径流强和滞留时间短等。另一个区位于永定河下游冲积平原，动态类型为永定河子系统-多层砂夹少量砾石-中等补给区，其主要动态特征为季节性变化小、垂向渗流明显、水平径流缓慢、滞留时间长等。
三、地下水水位监测孔的布设
地下水动态分区图是监测网设计的主要依据，只有每个影响地下水动态的多因素综合分区都有监测井控制，才能真正监测到地下水动态区域变化。同时，在设计过程中，需重点考虑北京城区、水位降落漏斗、大型水源地和主要河流河谷补给区等。
根据地下水监测网现状调查结果，将监测情况较好，能够利用的监测点投影到《地下水动态分区图》上，然后在没有监测点分布的动态分区内补充新的监测点。北京平原区已有潜水监测点153眼(深蓝色圆点)，在影响地下水动态的多因素综合分区图上布设新的潜水监测点108个，其中36个监测井(浅蓝色三角形)监测山前补给量；38个监测井(浅蓝色圆点)监测河流与地下水的相互联系；34个监测井(浅蓝色菱形)监测空白区地下水水位。北京平原区潜水含水层总共由261个监测井组成区域地下水动态监测网(图9-1)。
图9-1 北京平原地下水动态监测井分布图
四、地下水自动监测仪选取
地下水监测点水位水温监测信息获取将主要采用仪器自动监测，辅以少量的人工监测。利用现代压力和温度传感器技术和数字储存技术，制作的地下水水位、水温自动监测仪，在国内外都有生产，基本原理相同。国内产品的制作工艺、功耗设计比国外产品均有一定的差距。最主要的差别是国外产品针对野外环境条件下气温变化大的特点，为了提高对传感器和储存器供电电池的使用效率，选择将传感器、储存器及其供电电池设计在一起，置于具有恒温环境的地下水中，成功解决了因气温变化而大大降低野外供电电池的功效和寿命。加上低功耗集成电路的精密设计，传感器和储存器供电电池一般可以使用8～10年，几乎与监测仪的寿命一致。
国内产品目前处于研制和小批量生产相结合阶段，严格地讲，都还未达到正规产品阶段，一般体积大，工艺相对粗糙，功耗大。多数将传感器置于地下水中，储存器和供电电池置于井口保护罩中；有的虽将传感器与储存器合并，但供电电池仍然置于井口保护罩中。由于保护罩中温度变化大于气温的变化，使电池功效降低，甚至失效，无法正常监测。一般电池使用寿命在半年之内，而且设备故障率较高。
本项目在北京示范区，分别安装了荷兰产的Diver、瑞士产的Keller、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心生产的J-WW-1、西安新源高新技术公司生产的XY-III、加拿大生产的Level和美国生产的Insitu这6种监测仪，并对它们的性能进行了比较(表9-1)。
表9-1 示范区使用监测仪一览表
五、数据无线传输仪选择
目前，具有短信和数据流两种模式可供地下水监测数据传输选用。中国移动GSM短信方式信号覆盖广，但其GPRS数据流模式不是全网覆盖，覆盖面小；中国联通CDMA短信方式信号覆盖面较广，CDMA数据流模式是全网覆盖——只要有手机信号的地方就可以进行数据流传输，覆盖面也较广。两者对数据流传输性能比较可参见表9-2。
表9-2 GPRS和CDMA数据流传输比较表
综上所述，考虑到两个无线通信网的特点和地下水监测点多面广的需求，在城市监测井集中的地区，选择CDMA数据流模式，其信号覆盖面较广、运行价格低、发射耗电量低、不易造成数据堵塞；在监测井稀疏的边远地区选用GSM短信方式，其信号覆盖广，但运行价格高、发射用电量大、应避免终端过多导致数据堵塞。这两种方式的无线传输系统原理示意图如图9-2和图9-3所示。
图9-2 基于GSM短信方式的地下水监测数据无线传输系统原理示意图
图9-3 基于CDMA/GPRS数据流方式的地下水监测数据无线传输系统原理示意图
六、地下水水位监测孔保护方案
为了保护整个监测系统，专门设计了坚固耐用，并适合无线信号发射的专门监测井孔口保护装置。该装置包括一个钢筋混凝土基座和厚钢板制成的孔口帽(图9-4)。在孔口帽上设计了一个牢固的锁固装置，使用专门工具才能打开井口帽。监测井保护罩是由直径不小于34cm钢桶做的，信号传输仪放置在保护罩内。为无线信号通信，在保护罩的顶部开一个20cm的孔，再用工程塑料重新封严，这种方法既可以基本维持保护罩的强度，也可满足无线通信的需要。
图9-4 监测井孔口保护装置