贵阳市地下水位监测网优化分析

王亚维，王中美，王益伟，褚双燕

(贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025)

地下水观测网络是在地下水系统中建立一系列具有某种目的的观测井，以掌握地下水位的动态变化[1]。贵阳市从上世纪 70 年代末以来，就开展了地下水监测工作，获得了大量数据信息，加快城市发展。但受技术限制，现有监测网得到的数据精度较差，存在的问题也越来越明显，数据的可靠性很难保证。另外，贵阳市内碳酸盐岩面积分布较广，且地质条件十分复杂，近年来随着城市的发展，一系列以岩溶塌陷为主的地质环境问题随重大工程增多也频繁的发生。地下水动态对岩溶塌陷的发生有着较大的影响，因此，对地下水动态进行观测，获得实时可靠数据分析是非常重要的，进行现有地下水监测网的优化设计，也具有十分重要的现实意义。地下水监测网优化设计始于上世纪末期[2]，现阶段，定性设计方法如水文地质分析法和定量设计方法如 Kriging插值法、信息熵等已成为国内外比较成熟的优化方法[3]，但各种方法的组合优化设计不多，以致方法间优势并没有都充分的发挥出来，因此本文将水文地质分析法和 Kriging插值法相结合，对贵阳市现有的地下水水位监测网进行优化设计，旨在补充以往研究者的不足和为该地区地下水的开发提供科学依据。

1 贵阳市地下水监测网现状与问题

贵阳市水位监测控制区面积达228 km2，地下水位监测点有29个，监测点位置分布如图 1所示。在目前阶段，研究区内的29个地下水位观测孔每月有六次水位观测记录。虽然研究区地下水监测网已逐年逐步地进行调整，但是没有得到系统性的优化，现有地下水监测网存在问题越来越多，具体分析如下：

(1)监测井点在空间分布上不科学合理。由图1可见监测点分布不均，局部地段过于集中，而有的地段控制点则不足，很难有效的监测地下水的动态变化情况，局部地段甚至存在监测空白，导致水文信息缺乏。

(2)监测数据时间上缺乏连续性并且自动化程度需要进一步完善。图2所示为研究区ck704号监测井近年水位监测情况，可以看出监测数据出现了明显的监测间断，监测资料的质量不足，难以保证当时以及后续的分析研究工作。

(3)监测井结构控制不合理，控制性不符合要求。贵阳市地下水类型丰富，赋存条件及地下水动态各有不同，在一定程度上是相互联系相互影响的，故对各类型水进行分别监测是十分必要的，以便进行系统分析。

图1 贵阳市区及近郊地下水位监测点分布图Fig.1 Distribution map of groundwater level monitoring points in Guiyang City

图2 ck704监测点2017年水位动态散点图Fig.2 ck704 monitoring point water level dynamic scatter plot in 2017

2 研究区地质背景

贵阳市地貌类型是典型的岩溶盆地地貌[4]，出露的地层比较齐全，碳酸盐岩分布最广，其中岩溶地貌有峰林、峰丛、溶丘、洼地和落水洞等[5]。贵阳市地质构造十分复杂，主要有北东向构造永乐堡复向斜、南北向构造贵阳复向斜、黔灵向斜、黔灵湖阿哈阻水断裂，乌当断裂等[6]。贵阳市地下水径流条件十分复杂，其位于长江和珠江两大水系的分水岭，并且地下水受到地质构造、地貌及水文网的控制[7]。研究区划分为两个完整的储水构造单元，在岩溶盆地的西、北方向以分水岭为边界，东边以砂页岩地层为边界，南边以隔水断裂带为边界，西边以隔水层为边界构成一个完整的储水构造单元；另一个完整的储水构造单元由东部的阻水边界黔灵山-花溪压性断层和三桥-阿哈寨一带的东西向横断裂线性构造线构成[8]。研究区的基岩出露面积较大，地下水的主要补给源是大气降水，排泄方式主要是以径流方式[9]。分析贵阳市地下水监测资料，可知贵阳市地下水较丰富，贵阳市主城区、白云区北侧地形平坦，水位在5～10 m之间；在岩溶盆地周边，南部的小河和东部的龙洞堡一带，地形起伏比较大，水位一般大于30 m；在花溪区一带、白云区和观山湖区大部分区域，地形起伏相对平坦，水位一般在10～20 m之间。

3 贵阳市地下水位监测网密度优化

目前已有多种方法成功应用于地下水位监测网密度优化，如水文地质分析法、Kriging插值法等，每种方法都有适用的场合、优势及不足。贵阳市现有水位观监测井数量较少且分布相对较集中，用定量化方法优化密度难以准确刻画变量的实际特征，随机性比较大，不太合理。然而，地质构造、地层岩性、含水层特征及地下水补径排等资料较全面，因此本文采用定性的方法(绘制地下水动态分区图)对研究区现有地下水位监测网进行优化设计。优化后，应用Kriging插值法对优化结果合理性进行分析评价。

3.1 地下水动态类型分区

地下水位的时空分布差异受到地形、地貌、水文、气象、人类活动等诸多因素影响[10]。通过对贵阳市地下水动态过程的调查和评价以及过去的相关研究成果的分析，可知影响研究区地下水动态的因素有：①地质因素，包括地形和地貌特征、构造分布特征、含水层岩性及富水性、岩溶类型及分布情况。②与地下水补给有关因素，包括主要的补给源和非饱和带特征，非饱和带特征即非饱带岩性及厚度和水位埋深情况等。③局部影响因素，其中包括人类工程活动和地表水体的分布情况等。不同影响因素在空间上有不同的变化特征，根据收集的资料及研究区实际情况对各影响因素概化分区，每个区代表一种地下水类型。

本文应用 MapGIS 空间分析功能绘制单因素图幅，具体包括水文地质分区图、非饱和带分区图和地下水局部影响分区图，最后叠加修饰三个单因素图，得到地下水动态类型分区图。其中，水文地质分区图是根据研究区内发育的阻水断裂带和分布的T3+J砂页岩特征，将贵阳城区分为龙洞堡和三桥两大一级水文地质单元，再结合研究区内构造特点、地层岩性特点和泉点排泄情况，将两个一级水文地质单元划分为五个二级水文地质单元；非饱和带分区图是由区域内地下水位埋深情况和包气带岩性分布情况叠加分区而成；局部影响带分区图主要考虑了区域内的河流、湖泊等水源因素。将以上分区图进行矢量叠加，把面积较小的区域与相邻的区合并共划分49个地下水动态子区，见图3。

图3 贵阳市地下水动态分区图Fig.3 Groundwater dynamic map of Guiyang City

3.2 地下水位监测孔的优化布设

根据上述绘制的影响地下水动态分区图，结合研究区内现有的监测网的布局，对研究区现有的地下水监测网进行优化设计。在尽可能地利用现有监测点和尽量保证每个分区中都包含一个监测井的原则下，同时考虑地表水系、构造、岩溶塌陷等分布情况，最终确定研究区增设监测井28口，删除已有不合理监测井1口，优化后自动监测井总数达到 56口，才能使不同地下水动态类型区的地下水得到全面监测控制，监测点优化图见图4。

3.3 监测网优化后合理性评价

本文利用绘制的影响地下水动态类型分区图，结合现有监测孔，对监测网进行优化，再运用Kriging

图4 贵阳市地下水位监测点优化图Fig.4 Optimization map of groundwater level monitoring points in Guiyang City

插值法对优化前后的地下水监测网进行合理性分析评价。地下水位监测网的合理性分析评价是在已有水位监测数据的基础上，利用空间插值法对比计算出的优化前后插值和插值误差值大小，以此评价优化结果的合理性[11]。从水文角度看，Kriging插值法的变差函数模型是依据已有监测点水位的实测数据来确定的，然后对下一步需要估计的监测点作无偏线性和最小方差估计，并绘制出估计误差的标准差等值线图，需说明当变差函数和水文地质条件确定不变时，只有监测点的位置和数量影响着估计误差的标准差值[12]。根据以上叙述，Kriging插值法误差评价结果见图5和图6，分析对比两图可知，优化后研究区的地下水监测网监测水位估计误差值明显减小，故监测点优化后井位分布是较为合理的。

图5 优化前估计误差标准差等值线Fig.5 Estimated error standard deviation contour map before optimization

图6 优化后估计误差标准差等值线Fig.6 Estimated error standard deviation contour map after optimization

4 结论

通过对贵阳市地下水动态调查评价及以往的研究成果分析，可以看出影响贵阳市地下水动态变化因素主要有地形地貌特征、含水层岩性及富水性、构造分布特征、水位埋深、包气带岩性及地表水体等。基于MapGIS技术，本文采用地下水动态类型制图法叠加生成地下水位动态分区图，将贵阳市划分为49个地下水动态子区，在尽可能地利用现有监测点和尽量保证每个分区中都包含一个监测井的原则下，进行优化设计后监测井位达到56个。根据优化后的地下水监测网监测水位克里金插值的估计误差值减小可知，优化后井位分布是较为合理的。