地下水环境监测网建设现状与展望

李海祥，郇 环，周爱霞，杨 洋，胡尊芳，宋宗中

生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心，北京 100012

地下水是最丰富的淡水资源，提供了全世界约1/2的饮用水、1/4的灌溉用水和1/3的工业用水[1-2].由于环境变化和人类活动影响，地下水不断发生时空演变，如果含水层信息不掌握，便不能对地下水开展有效评估和管理. 目前全球已有81个国家和地区建立地下水监测网，有41个国家和地区拥有地下水监测信息系统[3]. 相比以物理特征为目标的监测网，地下水环境监测网则专注水质对环境和人类健康产生的影响. 地下水环境监测网的目标是保护环境和公共健康，预防和解决地下水污染问题，其覆盖面更具有地域性.

我国地下水资源量为8.195 7×1011m3，地下水源供水量为8.538×1010m3，占供水总量的14.5%[4]. 《2021年中国生态环境状况公报》[5]和“十四五”国家地下水环境质量考核点位监测数据显示，地下水Ⅴ类水(GB/T 14848-2017《地下水质量标准》)点位占20.6%.地下水污染具有隐蔽性和持久性，污染物可在不易被察觉的情况下对人居安全和饮水安全造成影响，因此开展地下水环境监测是污染防治的重要环节[6]. 《地下水污染防治实施方案》[7]强调建立全国地下水环境监测体系，提出要完善地下水环境监测网，整合现有地下水环境监测井，加强运行维护和管理，完善地下水监测数据报送制度. 到2025年底，构建全国地下水环境监测网. 《生态环境监测规划纲要(2020-2035年)》[8]提出，构建重点区域质量监管和“双源”(地下水型饮用水水源地和重点地下水污染源)监控相结合的全国地下水环境监测体系. 《地下水管理条例》[9]要求强化对污染地下水行为的管控，建设地下水水质监测井. 生态环境部等七部委联合印发《“十四五”土壤、地下水和农村生态环境保护规划》[10]，明确建立地下水污染防治管理体系，提升生态环境监管能力.

美国、西欧等国家或地区自20世纪90年代开始组建全国区域的地下水监测网，并开展水位、水质监测和数据应用服务，服务于地下水环境管理. 国内为维护地下水资源的合理开发利用，也实施了国家地下水监测工程，初步建成全国性的地下水监测站网[11].本文基于国内外监测网建设经验，分析现有监测网存在的不足，结合新兴技术在水质监测领域的发展应用，研判未来发展趋势，为我国地下水环境监测网建设提出科学建议.

1 国外地下水监测网建设现状

1.1 美国

1991年美国启动国家水质评价计划(NAWQA)[12]，共布设监测点42 000个，布设密度为3.76个/(103km2)，其中水质监测点6 800个. 2009年美国组建国家地下水监测网(NGWMN)[13]对水位、水质进行长期监测，监测点数量17 852个，布设密度为1.9个/(103km2)，水质监测井数量4 042个. 监测网覆盖美国67个主要含水层，采用随机抽样和网格抽样方法对各水文地质单元进行布点，其中包括未固结砂砾含水层点位11 803个，半固结砂含水层点位1 919个，砂岩含水层点位805个，砂岩碳酸盐岩含水层点位417个，碳酸盐岩含水层点位920个，火成岩和变质岩含水层点位334个，其他岩石含水层点位1 654个. 监测点数量每年都会有所调整，2020年国家地下水监测网水位监测点降至14 378个，水质监测点降至3 408个[3].

国家地下水监测网分为地下水背景网、疑似变化网和已变化网3个子网络[14]，如图1所示. 背景网用于监测未受人类活动影响的含水层；疑似变化网监测可能受到影响的含水层；已变化网监测受到影响的含水层. 每个子网再细分为趋势井、监控井和专题井，趋势井监测多年水位水质变化，其中又提取出骨干监测井；监控井定期报告水资源整体水位和水质状况，起普查作用；此外，美国地质调查局开展了地下水的各种专题研究，并根据研究需求选取部分监测井组成专题网. 监测频次和监测指标依据子网和含水层类型设定[14]. 监测频次方面，趋势井不低于1次/a，监控井潜水含水层1～4次/a，监控井承压水1次/(2～5 a). 趋势井基础监测指标为水位、水温、pH和电导率，监控井监测指标为八大离子、氨氮、硝酸盐、溶解氧、溶解性总固体、氧化还原电位、锰以及美国饮用水标准中的其他检测指标，此外趋势井和监控井可加选微量金属、有机物、新污染物和放射性同位素，专题网监测频次和指标取决于专题工作需求.

图1 美国国家地下水监测网子网关系Fig.1 U.S. national groundwater monitoring network subnetwork relationships

国家地下水监测网识别生态系统所需的地下水资源量，为国家级决策提供地下水管理和开发所需的信息，相比地方监测系统对污染场地的监管，其主要用于评估主要含水层水位、水质基线和长期趋势. 作为最成熟的多流域地下水监测网，其优势是应用物联网技术，连接监测设备和平台，并通过NGWMN数据系统收集长期的水位、水质、钻孔和岩性等数据. 同时监测网也面临覆盖范围有限、监测点数量不足、设备故障率高、运行维护资金人力短缺的问题.

1.2 欧盟

欧盟国家地下水监测点密度高. 《欧洲淡水监测网络设计(1996年)》[15]建议将地下水监测点密度控制在40～50个/(103km2)之间. 荷兰建立了49 000个监测点组成的网络，密度高达1 176.47个/(103km2)[16].法国地下水监测网(RNESP)布点方案为潜水含水层2个/(103km2)、小型承压含水层1个/(103km2)、大型承压含水层0.33个/(103km2)、深层含水层0.14个/(103km2). 目前法国国家地下水监测网监测点数量为5 049个，密度为9.18个/(103km2)[3,17]. 此外，希腊国家监测网监测点1 392个，密度10.53个/(103km2)；意大利皮埃蒙特地区地下水监测网(RMRAS)监测点605个，密度23.81个/(103km2)；德国巴伐利亚地区地下水监测网监测点约3 000个，密度约41.67个/(103km2)[3,18].

欧盟国家地下水在线监测占比接近100%，监测频次也高于美国(见表1). 荷兰国家地下水监测网和德国巴伐利亚地下水监测网全部使用在线监测设备，能够实时传输数据. 法国国家地下水监测网有1 450个监测点使用在线监测设备，占比为79%.荷兰地下水监测网监测频次为1次/h，德国和法国监测频次能达到1次/d，但是在线监测指标为水位、水温、pH、矿化度等基础指标[16-18]. 荷兰、法国、德国等国家已建立从监测网到监测设备、数据库、门户网站和地下水应用工具等一体化的信息系统. 荷兰地下水信息网、法国地下水数据的国家门户网站(ADES)，德国巴伐利亚环境署网站能够实时共享监测数据，并且匹配地下水应用工具. 以荷兰为例，地下水应用工具能够进行场地地下水流场插值、水位特征曲线拟合，地下水与降雨、蒸发、潮汐的相关性分析.

表1 国外监测网信息汇总Table 1 Summary of information for foreign monitoring network

欧盟国家地下水监测网建设目的并不一致，法国和德国监测网多用于水资源管理、农业灌溉和硝酸盐污染监管等，荷兰监测网则是侧重于海水入侵治理和气候变化研究. 欧盟国家地下水监测网优势在于监测点密度大，在线监测占比高，能够获得更精准的实时数据. 监测网监管区域含水层结构简单，具有成熟的地下水模型，可预测地下水的变化趋势和影响，但存在监测指标简单、缺少长期监测水质的计划和运行成本过高的问题.

2 国内地下水监测网建设现状

2.1 国家地下水监测工程

国家地下水监测工程共建站点20 469个，其中自然资源部门10 171个，水利部门10 298个，监控面积350×104km2，站点密度为5.8个/(103km2)[11]. 自然资源部门监测点包括孔隙水监测点8 024个，裂隙水监测点1 245个，岩溶水监测点902个，覆盖8个流域、3个盆地、2个高原、1个山地区域，共14个地下水资源一级区，如表2所示. 国家地下水监测工程初步形成了全国性的地下水监测网络，实现对我国大型平原区、盆地及岩溶区地下水动态的区域性监控.

表2 国家地下水监测工程(自然资源部门)各区域监测点数量Table 2 Number of monitoring points in each region of the National Groundwater Monitoring Project (natural resources sector)

国家地下水监测工程全部安装了自动在线监测设备. 自然资源部门在线监测频次采用“24采1发”模式，即每小时采集信息1条、每日传输1次，共24条数据. 监测指标为地下水位、水温、大气压、气温等. 自然资源部门研发了平台和数据库在内的信息应用服务系统，能够实现多源数据接入和多层级数据与信息管理，具备动态分析、水均衡分析、水质评价、污染评价、水位预警分析及水化学模拟等监测数据的快速分析功能. 国家地下水监测工程是目前国内规模最大、技术最成熟的地下水监测网络，其实现了地下水监测信息自动采集与传输，提高了地下水监测频次和时效性，实现了监测平台信息接收处理、共享交换、分析评价、资料整编等自动化处理，提高了全国地下水监管能力.

2.2 “十四五”国家地下水环境质量考核点位

生态环境部在“十三五”地下水考核点位基础上进行优化补充，确定了“十四五”国家地下水环境质量考核点位. “十四五”地下水考核点位共布设1 912个[5,19]，其中区域点位1 294个，污染风险监控点位348个，饮用水源点位270个. 监测指标方面，区域点位为《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)中的29项常规指标；污染风险监控点位为29项常规指标附加5项特征指标；饮用水源点位则为29项常规指标或93项全部指标，93项指标每2～3年监测一次. 监测点每年至少监测1次，一个水文年内完成2次监测，需至少包括丰水期、枯水期各一次. 地下水考核点位的布设科学、全面反映了重点区域地下水环境质量状况和变化趋势，支撑了生态环境保护工作，但相比国家级地下水环境监测网络，仍存在监测点数量不足的问题.

2.3 国家级化工园区监测网

国家级化工园区地下水环境监测网是针对68个国家级化工园区组建的，用于监测园区及周边地下水环境，目前共布设监测点1 554个，其中新建点1 011个，利用已有点543个. 监测网可分上游对照点131个，内部监测点856个，污染扩散点567个. 监测指标兼顾常规指标和园区特征指标，以“35+N”的原则确定，其中 “35”为GB/T 14848-2017《地下水质量标准》中的39项常规指标扣除微生物指标和放射性指标； “N”为园区特征指标. 对照点每年监测频次不少于1次，其他监测点每年监测频次不少于2次. 当出现地下水污染时，监测频次加倍. 该监测网能够反映化工园区地下水环境状况，协助开展修复或管控工作，加强了重点污染源地区的监管，但由于缺少在线监测设备，无法及时发现污染事故，预警和应急处置能力较弱.

2.4 北京市地下水监测网

在省级监测网中，北京市地下水监测网系统处于领先地位，监测点有1 786个，密度为108.8个/(103km2).在整合264个已有监测点的基础上，在水源地、污染区、地下水限采区及山区新建240个监测点，形成北京市地下水环境监测站网系统〔密度30.71个/(103km2)〕[20]. 新建监测点中，有平原区监测井64眼、山区监测井30眼、污染源监测井136眼，泉水监测点10处. 北京市有地下水自动监测站1 241个，占监测网系统的69%. 自动监测站每天6次自动采集、传输、存储地下水数据，实现了国家级、市级监测信息联动管理. 地下水环境监测站网系统实现了全市范围整体化、含水层组立体化、各区域系统化的监测方式，监测精度达到国内最高水平，但后期运行维护对资金和人员技术要求较高. 国内地下水监测网信息见表3.

表3 国内监测网信息汇总Table 3 Summary of information for domestic monitoring network

3 地下水环境监测网建设存在的问题

国内地下水环境监测网已初具规模，但仍面临以下问题：一是区域地下水环境背景值监测点欠缺. 地下水环境监测点多围绕“双源”布设，复杂的地质环境会导致地下水超标，因此需对区域地下水环境背景值进行监测. 当前上游井多位于“双源”区上游50 m以内，考虑到“双源”周边人类活动、历史遗留污染物和污染物扩散的影响[21]，上游井水质只能代表特定范围的对照值，无法满足监测区域背景值的要求. 二是环境监测井设计前瞻性不足. 相比国家地下水监测工程，新建监测井功能提升不明显. 监测井结构和保护装置未预留新型传感器、物联网存储设备和传输设备的空间，井牌设计未预留二维码等信息载体区域；其次点位周边条件考虑不足，布点时未统筹考虑周边供电供网；最后是缺乏综合性规划，地下水监测应与生态环境监测协同，与土壤、地表水、大气等监测点统筹布设，现有监测点位不具备同时监测土壤水、植被、大气等多功能监测的设计. 三是水质在线监测设备不成熟，在线监测点位占比低. 目前在线监测设备检测指标主要为物理指标，监控污染物种类和数量有限，相比室内检测，精度低且易受干扰. 监测指标单一难以解决多源污染问题，需要结合多种监测技术同步进行. 目前在线监测设备昂贵，损坏率较高，后期维护和管理也十分困难. 与水质检测配套的自动洗井、取样、废水处理等设备也有待升级. 四是地下水环境监管平台建设薄弱，数据共享和应用服务相对较差. 监管平台的应用使信息传输和分析效率得到提升，但仍存在以下问题：①平台建设未标准化，地下水监测涉及不同的行业和地区，监测数据具有多样性、复杂性，缺乏标准化数据格式、共享协议和接口等方案，会导致数据难以整合和交换，使得数据共享的质量和效率受到限制；②当数据共享面临各种安全和隐私风险时，缺乏安全性保障；③数据分析结果与应用小工具不匹配，不利于结果可视性，扩大受众范围. 五是监测网资金来源单一. 相比水位监测，地下水环境监测网的运行和维护需要更高的资金和人力成本，管理和运维人员所需的专业技术要求也更高. 现有监测网资金模式多为单一来源，增大了运营风险，致使持续监测出现间断的可能性增大，同时单一资金来源也会使监测数据挖掘不充分，多方数据难以整合，数据可利用性低.

4 监测网建设趋势

4.1 水质监测设备升级

传统的人工采样和检测方法存在一定滞后性. 在线监测的优势在于可根据预设参数自动采集并传输数据，具有高效性和低成本性. Floury等[22]研发了用于在线检测的IC芯片，能够实现水体阴阳离子的在线检测. 用于检测铅、镉、锌、铜、汞等重金属的检测芯片被研发并用3D打印技术制造[23]. 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)被用于在线水质微量元素的单次多元素分析，单次可进行20～70种微量元素检测[24].Von-Freyberg等[25]首次进行氘氧同位素的高频分析的在线应用. 根据美国地下水和溪流信息计划(GWSIP)的2021年预算(不含其他基金配套费用)，用于国家地下水监测网络的维护费用为153.4×104美元，占比为19.06%，用于新一代监测系统研发的费用高达554×104美元，占比为68.82%[26]. 新一代在线监测设备是水质监测领域的研发焦点，具备物联化和智能化特点，能够使检测和传输更精准[27]. 新设备更自主地监测和运维功能，是推动水质监测技术革新、提升地下水环境监测网价值的基础.

4.2 监测点物联互通

物联网技术可实现各监测点之间通过互联网传输和共享监测数据，避免手动传输和维护的繁琐过程. 通过物联互通模式，德克萨斯州地下水监测网采用了WiFi、ZigBee和蓝牙等技术实现设备间的无线通信. 这种技术能够集成多种传感器数据，降低传输噪声和误差，并提高数据的准确性[28]. 此外，监测点之间的物联互通还可以将地下水监测与智慧城市的发展有机结合，共享各类行业的数据，为智慧城市的建设提供可靠的数据支撑[29]. 物联网技术还可以降低不必要的监测点建设和人工数据传输，从而降低运维成本[30-32].

4.3 数据分析可视

随着监测井数量和监测频次的增加，大数据技术可以通过多维度、深度分析地下水环境数据，更准确地评估地下水环境质量和污染扩散过程. 数据分析和可视化技术已经在监测网数据分析中得到应用. 人工智能技术可以利用数据挖掘和机器学习从大量数据中提取有助于地下水环境监测和管理的信息，实现自动化和快速化的数据分析. 通过分析数据集，人工智能可以预测地下水环境的潜在风险，并计算解决方案. 以数据为中心的机器学习方法可以收集地下水关键参数来训练机器学习模型，并利用训练好的模型进行地下水质量分析或预测[33]. 人工智能算法如神经网络(ANN)、模糊推理系统(ANFIS)、遗传算法(GA)和支持向量机(SVM)等已经成功应用于水质预测模拟和监测网点位优化，并取得了良好的效果[34-38]. 数字孪生作为一种数据可视化技术，可以实时模拟地下水环境的变化，并利用预测模型计算未来的地下水环境状况. 数字孪生还可以减少一部分实地测绘工作，将监测数据和模拟结果以可视化形式展示，帮助用户更直观地理解和做出决策. 德国北莱茵威斯特法伦州利用数字孪生技术监测地下水流动和水化学特征，能够实时展现地下水环境中的水质变化和潜在风险[39].

4.4 数据信息安全保真

在地下水环境监测网运行中，数据信息面临篡改、泄漏、丢失等安全问题. 利用区块链去中心化特性可保证监测数据不被篡改或窜改，从而增加数据的安全性和隐私性，也可以记录数据来源、传输和使用过程，确保监测数据的真实性和透明度；智能合约能够使事先编写的条款自动执行，避免执行过程受人为因素干扰. 区块链技术还可以授权数据使用权限，被授权者可了解数据被收集、处理和使用的情况，增强数据的可信度和追溯性. Sukrutha等[40]将地下水监测网数据加载到分布式数据存储(DDS)和区块链(BC)上，并通过Infura网关和智能契约实现了双哈希过程. 智能合约可控制数据访问和共享，数据质量和完整性得到了提高，实现数据安全传输和妥善管理.

5 建议

5.1 构建全国地下水环境监测网络体系

整合现有地下水调查井、“双源”地下水环境监测井，衔接国家地下水监测工程和“十四五”国考点，统筹构建国家级、省级地下水环境监测网络体系. 美国国家监测网中水质长期监测井受设备损坏和运维成本的影响，数量由4 042降至3 408个，且每年还在减少. 我国国土面积和水文地质复杂程度与美国相近，国家级地下水环境监测网长期监测点数量可借鉴美国，建议初期布设3 000个左右. 国家级监测网主要用于监测大流域的水质状况和变化趋势，为区域度水资源开发和生态系统保护提供数据，为国家决策提供支撑. 省级监测网应在“双源”地下水环境监测网基础上，形成具备区域特点的地下水环境监测网，能够具备“双源”尺度上的水资源保护、污染评价、风险评估和污染预测预警等功能. 同时需完善后期维保体系，合理配置资金和人力资源，确保可持续性监测. 全国地下水环境监测网络体系，可根据监测网功能需求，细分子网络，并进行差异化监测和管理.

5.2 推进新型设备研发和平台迭代优化

加快新一代水质在线监测设备研发：一是制定新一代水质在线监测设备在功能性、准确性、稳定性、时效性等方面的标准；二是集中攻克传感器研发、芯片设计与制作、抗干扰和数据处理等关键技术难题；三是开展多条件外场应用测试，实地考验新设备的性能和稳定性. 同时搭建国家级地下水环境监测网平台，实现从系统规划、硬件配套、系统组装、软件开发和调试到平台运行维护全过程管理，并定期根据应用反馈、政策导向、技术更新进行迭代优化.

5.3 探索新型监测方式

当前地下水监测网全部依赖于监测井或地下水露头，可针对特定污染源或场地，探索基于地球物理探测、卫星遥感解译、无人机航测和埋设传感器等技术的新型监测方法. 电阻率层析成像技术(ERT)对地下水有机物和重金属污染监测具有一定效果；重力卫星(GRACE)可探测区域地下水动态，也被用于大区域硝酸盐浓度分析；无人机配合热红外成像技术(TIR)可监测地下水向地表水、海洋的排泄强度，进而计算地下水向其他水体输入污染物的比例；随着水平定向钻井(HDD)及管线铺设技术的提高，可直接在含水层水平埋设线状分布的传感器，进行水质监测.

5.4 进行多网融合，开展应用服务

将国家级地下水环境监测网与地表水监测网、大气污染监测网、土壤监测网等进行多网融合. 地下水监测与地表水监测网络的融合可以加强对地表水和地下水转换和污染迁移的认识. 大气中污染物的迁移、扩散和沉降会对地下水水质及保护产生重要影响，二者网络融合，便于全面深入地了解地下水污染机理和影响. 借助地下水水质监测网开展生态系统产值研究，开发平台地下水应用小程序，为公众、企业提供可视化数据及分析结果. 在监测井建设中，可侧重矿泉水水源地、温泉水源、地热能开发等，助力企业创收，关注名井、名泉、依赖地下水生态区等地下水相关景区，推动地方经济发展.