江汉平原地下水位监测网优化设计

刘 徽，邓少平，孙 康

(鄂东南地质大队，湖北黄石 435000)

0 引言

近年来，中国多地发生地裂缝、地面塌陷、地面沉降等地质灾害问题，而地下水是各种不良地质现象产生的重要因素，通过长期、连续地监测地下水位能够有效地及时发现这些地质灾害前兆现象，作出预警报，对减轻灾害损失有重要意义。因此，如何科学、合理地监测地下水位是一项亟待解决并有着重要意义的任务。1986年，美国科罗拉多州立大学的Ward等就指出监测网存在着一种深层次的问题，即“数据丰富但信息贫乏”的综合症，该问题到目前为止仍是许多国家普遍存在的重要问题［1－3］。在中国较多地区，由于监测井空间布局不均、监测井数量不足、监测井网不能应对地下水动态的影响、忽视了对监测网科学性和完整性的评价等问题导致不能有效的利用数据，故势必需要对现行的监测网亟待优化，以建立一个高效的监测网来获取地下水动态信息［4－5］。其中涉及到的优化问题包括监测密度、监测位置、监测指标以及监测频率等［6］。地下水动态监测网优化设计始于1981年［7］，现在国内外有比较成熟的一些定性(如水文地质分析法)和定量(如Kriging插值法和信息熵等)的优化方法。但基本上都是针对单一目标的优化，多目标的综合时空分析较少，且各种方法的组合优化不多，使得方法间的优势未充分发挥出来，这些都有待进一步的探索研究。故如何选择合适的方法建立起经济、合理、有效的地下水观测井网是目前亟待解决的一个问题［8－9］。

江汉平原位于长江中游、湖北省的中南部，是长江中上游最大的平原。该区的地下水动态监测为城市生产建设、工农业发展和政府决策部门等提供了大量有用的数据，在保障区域供水安全、地质灾害防治等方面起到了重要作用。但是，随着经济社会的快速发展，当前的监测网络已不适应获取精度越来越高、范围越来越广的动态信息要求。2010年12月，中国地质调查局立项新开“国土资源综合监测示范”项目，作为子项目地下水动态监测网优化设计同步启动。

拟采用编制地下水动态类型图与Kriging插值相结合的方法来优化监测网，其优化方法如下:根据不同的地下水动态类型，对江汉平原地下水动态在空间上进行分类和分区，即绘制地下水动态类型分区图，然后在地下水动态类型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上都有监测点控制，最后用Kriging插值法分析评价地下水监测点布设的合理性。通过对江汉平原地下水位监测网的优化，可使监测点的空间分布合理化，能够充分监测到地下水动态区域变化［10－11］。

1 研究区概况

江汉平原位于长江中游、湖北省的中南部，西起枝江、东止武汉;北至钟祥、南望洞庭湖滨，是长江中上游最大的平原，总面积达3．9×104km2。地理坐标为E111°45'～114°16'、N 29°26'～31°10'。行政区划覆盖湖北省8个地市的26个县市。江汉平原为典型河湖相平原，西部、北部和南部以及东南部边缘均为高起的岗地或残丘岗地区。其中，广大中部地区主要为冲湖积平原，边缘为侵蚀堆积岗状、波状平原组成。区内地层以新生代第四系为主，前第四纪地层多隐伏于第四纪地层之下，少有出露。

江汉平原地区地下水开发利用追踪溯源，已有数千年历史，而动态监测则起源于20世纪80年代初期，迄今为止已达30余年。目前，该区地下水监测网由武汉、孝感、荆州等3个城市局域网组成，2010年度区内在观的水位监测孔共计116个，监控面积为19 615 km2，监测对象主要是200 m以内的第四系松散层潜水和承压水。监测孔数量总体数量不够，且分布极不均衡，大多分布于武汉、孝感等城市为中心的集中供水水源地带。

2 江汉平原区地下水水位监测网优化

江汉平原地下水位监测历史长、面积广，但监测网密度低且井孔多集中分布于城市供水水源地地带，对区域地下水动态特别是城市之间农田区地下水动态控制不足，为了以最少的投入，最大化地获得满足一定精度要求的地下水动态信息，需要对江汉平原现行的地下水监测网络进行优化设计。

2．1 地下水动态类型分区

地下水动态是指地下水位的空间分布与随时间的变化表明地下水的均衡状态，而地下水动态类型分区则反映了地下水动态类型在空间上的分布，影响本区地下水位动态的因素主要有:①水文因素:主要指地表水体、降水和蒸发蒸腾等，是影响天然状态下地下水位动态变化的主要因素;②饱和带特性:包括含水层的岩性和边界条件，在很大程度上决定地下水位在时空上的分布及变化;③非饱和带特性:主要包括地下水位埋深和土壤岩性，对地下水位接受外部影响起一个延时或减缓响应;④地表特性:包括地形地貌和土地利用，在一定程度上控制着地下水的补给和排泄;⑤人类活动因素:包括地表水系、各类水源地的集中开采等，它们是诱发地下水位发生持续下降的主要因素。对各种因素进行综合分析后绘制四张地下水动态影响要素图，即水文地质分区图、地下水补给分区图、非饱和带特征分区图、地下水局部影响分区图［2，8］。

利用水文地质图编制水文地质分区图，结合降水分布图和土地利用图编制地下水补给分区图，用地下水位埋深和非饱和带岩性图编制非饱和带分区图，在河流、湖泊、水库、水源地周围划分局部影响分区图，最后将水文地质分区图、地下水补给分区图、非饱和带分区图及局部影响分区图等四张专题图进行叠加，得到江汉平原地下水动态类型分区图(图1)，图中不同的颜色表示不同的地下水动态类型小区。叠置过程中面积＜1 km2的小区进行综合分析后与相邻区合并，全区最终共分为107个动态分区，每个区代表上述4种不同要素的合成，具有独特的地下水位动态特征。

2．2 地下水位监测孔的布设

地下水动态类型分区图是设计江汉平原地下水位监测网的主要依据，只有每个地下水动态类型区至少有一个监测井控制，才能真正监测到地下水动态区域变化。在监测孔布设过程中，遵循以下原则:

(1)在总体和宏观上应能控制不同的水文地质单元，须能反映所在区域地下水系的环境质量状况和地下水质量空间变化;

(2)监测重点为供水目的的含水层;

(3)监控地下水重点污染区及可能产生污染的地区，监视污染源对地下水的污染程度及动态变化，以反映所在区域地下水的污染特征;

(4)能反映地下水补给源和地下水与地表水的水力联系;

(5)监控地下水水位下降的漏斗区、地面沉降以及本区域的特殊水文地质问题;

(6)监测点网布设密度的原则以主要供水区密，一般地区稀;城区密，农村稀;地下水污染严重地区密，非污染区稀。尽可能以最少的监测点获取足够的有代表性的环境信息;

(7)考虑工业建设项目、矿山开发、水利工程、石油开发及农业活动等对地下水的影响;

(8)考虑监测结果的代表性和实际采样的可行性、方便性，尽可能从经常使用的民井、生产井以及泉水中选择布设监测点;

(9)监测点网不要轻易变动，尽量保持单井地下水监测工作的连续性。

在监测网布设优化过程中，主要考虑以下几点:

(1)充分利用已有的观测井孔，以保证监测资料的连续性;

(2)考虑本区河流湖泊发育及其对地下水动态的影响，垂直河流(湖泊)应设计成对监测孔，用以计算地下水与地表水体(江河湖)的水量交换;

(3)在地下水污染严重的地区、地下水需求量较大、经济社会发展水平较低但地下水生态功能十分重要的地区(如孝感云梦、应城一带)加密监测孔布设。

根据地下水监测网现状调查结果，将现有的可利用的监测点投影到地下水动态类型分区图上，在遵循监测网布设原则的基础上，在没有监测点分布的动态分区内补充新的监测点，并兼顾到地下水生态功能重要的地区加密设计、河湖成对观测井等;在某一动态类型小区内若存在较多监测点则进行适当删减。

优化设计后的地下水监测网共有监测点214个，其中利用原有监测孔116个，新增监测孔98个，形成4横4纵共8条监测剖面(图2)。

图1 江汉平原地下水动态类型多因素综合分区图Fig.1 Zoning map of the groundwater dynamics types in Jianghan Basin1．地下水动态类型分区;2．孔隙承压水岩组界线;3．河流、湖泊、水库;4．研究区。

图2 江汉平原地下水位监测网密度优化设计图Fig.2 Layout of the groundwater monitoring network in Jianghan Basin1．优化设计点及编号;2．地下水位现状监测点;3．剖面线及编号;4．孔隙承压水岩组界线;5．研究区。

2．3 监测网优化设计合理性评价

要使最少地投入最大化获取满足精度的地下水动态资料，则要对优化后的监测网进行密度评价。然而Kriging插值法作为一种估计方差最小的线性无偏估计方法，能定量评价地下水位的监测网密度。该方法将Kriging插值误差的标准差作为评定监测网密度的标准，其优化过程中仅依赖于监测井的位置、数量和空间布局，与实测值无关，故一个最优的监测网计算的方差应当是最小的［12－13］。

为了对优化设计前后的监测网质量作出评价，就应确定监测网优化合理性评价的量化目标即临界方差值。根据前人临界方差的选取范围，并结合研究区的实际情况，本次监测网合理性评价的量化目标确定为当监测点Kriging插值估计误差的方差上限范围为0．5 ～0．6 时，监测网的优化设计即视为合理的［14－15］。依据前人研究成果和研究区实际情况确定阶数N为5。

根据地下水动态类型分区图布设完监测点后，用Kriging插值法对监测点密度优化进行检验分析评价，对比优化前后插值的残值误差的大小，评价优化结果。从Kriging插值误差计算结果［16－17］可知，对比优化前、后的估计误差的方差等值线图(图3－图4)，不难看出，在监测网优化前由于研究区监测井布局不合理、多集中分布，导致观测井稀少的西部腹地平原及东部孝感城关—武汉东西湖降落漏斗一带插值估计误差明显较大，优化后这些地区Kriging插值误差明显减小，范围多在0．16～0．54之间。新增加的监测井明显降低了插值的残值误差，满足地下水监测网合理性评价的精度要求，监测点的布设是合理的。

图3 优化前观测孔插值估计误差的方差等值线图Fig.3 Contour map of Kriging interpolation error of existing network in confined aquifer

图4 优化后观测孔插值估计误差的方差等值线图Fig.4 Contour map of Kriging interpolation error of newly designed network in confined aquifer

3 结论

本文基于地下水动态类型图来优化监测网，其中将水文地质分区图、地下水补给分区图、非饱和带特征分区图及局部影响分区图四张专题图进行叠加编制了地下水动态类型分区图，共布设214个监测点形成4横4纵的优化地下水监测网，其中利用原有监测点116个，新增监测点98个。采用Kriging插值法定量评价优化后监测网密度，通过优化前后监测网其Kriging插值误差的方差等值线图对比结果，优化后的Kriging插值误差整体明显减小，说明监测点的布设是合理的。新设计的监测网能够较全面地控制江汉平原地下水区域动态变化，使监测信息更为科学合理，有助于提高区域内整个地下水监测水平。

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