江漢平原地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 徽，鄧少平，孫 康

(鄂東南地質(zhì)大隊(duì)，湖北黃石 435000)

0 引言

近年來，中國(guó)多地發(fā)生地裂縫、地面塌陷、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害問題，而地下水是各種不良地質(zhì)現(xiàn)象產(chǎn)生的重要因素，通過長(zhǎng)期、連續(xù)地監(jiān)測(cè)地下水位能夠有效地及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些地質(zhì)災(zāi)害前兆現(xiàn)象，作出預(yù)警報(bào)，對(duì)減輕災(zāi)害損失有重要意義。因此，如何科學(xué)、合理地監(jiān)測(cè)地下水位是一項(xiàng)亟待解決并有著重要意義的任務(wù)。1986年，美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的Ward等就指出監(jiān)測(cè)網(wǎng)存在著一種深層次的問題，即“數(shù)據(jù)豐富但信息貧乏”的綜合癥，該問題到目前為止仍是許多國(guó)家普遍存在的重要問題［1－3］。在中國(guó)較多地區(qū)，由于監(jiān)測(cè)井空間布局不均、監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量不足、監(jiān)測(cè)井網(wǎng)不能應(yīng)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響、忽視了對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)科學(xué)性和完整性的評(píng)價(jià)等問題導(dǎo)致不能有效的利用數(shù)據(jù)，故勢(shì)必需要對(duì)現(xiàn)行的監(jiān)測(cè)網(wǎng)亟待優(yōu)化，以建立一個(gè)高效的監(jiān)測(cè)網(wǎng)來獲取地下水動(dòng)態(tài)信息［4－5］。其中涉及到的優(yōu)化問題包括監(jiān)測(cè)密度、監(jiān)測(cè)位置、監(jiān)測(cè)指標(biāo)以及監(jiān)測(cè)頻率等［6］。地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)始于1981年［7］，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外有比較成熟的一些定性(如水文地質(zhì)分析法)和定量(如Kriging插值法和信息熵等)的優(yōu)化方法。但基本上都是針對(duì)單一目標(biāo)的優(yōu)化，多目標(biāo)的綜合時(shí)空分析較少，且各種方法的組合優(yōu)化不多，使得方法間的優(yōu)勢(shì)未充分發(fā)揮出來，這些都有待進(jìn)一步的探索研究。故如何選擇合適的方法建立起經(jīng)濟(jì)、合理、有效的地下水觀測(cè)井網(wǎng)是目前亟待解決的一個(gè)問題［8－9］。

江漢平原位于長(zhǎng)江中游、湖北省的中南部，是長(zhǎng)江中上游最大的平原。該區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為城市生產(chǎn)建設(shè)、工農(nóng)業(yè)發(fā)展和政府決策部門等提供了大量有用的數(shù)據(jù)，在保障區(qū)域供水安全、地質(zhì)災(zāi)害防治等方面起到了重要作用。但是，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，當(dāng)前的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)已不適應(yīng)獲取精度越來越高、范圍越來越廣的動(dòng)態(tài)信息要求。2010年12月，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局立項(xiàng)新開“國(guó)土資源綜合監(jiān)測(cè)示范”項(xiàng)目，作為子項(xiàng)目地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)同步啟動(dòng)。

擬采用編制地下水動(dòng)態(tài)類型圖與Kriging插值相結(jié)合的方法來優(yōu)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其優(yōu)化方法如下:根據(jù)不同的地下水動(dòng)態(tài)類型，對(duì)江漢平原地下水動(dòng)態(tài)在空間上進(jìn)行分類和分區(qū)，即繪制地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖，然后在地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖上進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，使每個(gè)地下水動(dòng)態(tài)分區(qū)上都有監(jiān)測(cè)點(diǎn)控制，最后用Kriging插值法分析評(píng)價(jià)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的合理性。通過對(duì)江漢平原地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化，可使監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間分布合理化，能夠充分監(jiān)測(cè)到地下水動(dòng)態(tài)區(qū)域變化［10－11］。

1 研究區(qū)概況

江漢平原位于長(zhǎng)江中游、湖北省的中南部，西起枝江、東止武漢;北至鐘祥、南望洞庭湖濱，是長(zhǎng)江中上游最大的平原，總面積達(dá)3．9×104km2。地理坐標(biāo)為E111°45'～114°16'、N 29°26'～31°10'。行政區(qū)劃覆蓋湖北省8個(gè)地市的26個(gè)縣市。江漢平原為典型河湖相平原，西部、北部和南部以及東南部邊緣均為高起的崗地或殘丘崗地區(qū)。其中，廣大中部地區(qū)主要為沖湖積平原，邊緣為侵蝕堆積崗狀、波狀平原組成。區(qū)內(nèi)地層以新生代第四系為主，前第四紀(jì)地層多隱伏于第四紀(jì)地層之下，少有出露。

江漢平原地區(qū)地下水開發(fā)利用追蹤溯源，已有數(shù)千年歷史，而動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)則起源于20世紀(jì)80年代初期，迄今為止已達(dá)30余年。目前，該區(qū)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)由武漢、孝感、荊州等3個(gè)城市局域網(wǎng)組成，2010年度區(qū)內(nèi)在觀的水位監(jiān)測(cè)孔共計(jì)116個(gè)，監(jiān)控面積為19 615 km2，監(jiān)測(cè)對(duì)象主要是200 m以內(nèi)的第四系松散層潛水和承壓水。監(jiān)測(cè)孔數(shù)量總體數(shù)量不夠，且分布極不均衡，大多分布于武漢、孝感等城市為中心的集中供水水源地帶。

2 江漢平原區(qū)地下水水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化

江漢平原地下水位監(jiān)測(cè)歷史長(zhǎng)、面積廣，但監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度低且井孔多集中分布于城市供水水源地地帶，對(duì)區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)特別是城市之間農(nóng)田區(qū)地下水動(dòng)態(tài)控制不足，為了以最少的投入，最大化地獲得滿足一定精度要求的地下水動(dòng)態(tài)信息，需要對(duì)江漢平原現(xiàn)行的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2．1 地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)

地下水動(dòng)態(tài)是指地下水位的空間分布與隨時(shí)間的變化表明地下水的均衡狀態(tài)，而地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)則反映了地下水動(dòng)態(tài)類型在空間上的分布，影響本區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)的因素主要有:①水文因素:主要指地表水體、降水和蒸發(fā)蒸騰等，是影響天然狀態(tài)下地下水位動(dòng)態(tài)變化的主要因素;②飽和帶特性:包括含水層的巖性和邊界條件，在很大程度上決定地下水位在時(shí)空上的分布及變化;③非飽和帶特性:主要包括地下水位埋深和土壤巖性，對(duì)地下水位接受外部影響起一個(gè)延時(shí)或減緩響應(yīng);④地表特性:包括地形地貌和土地利用，在一定程度上控制著地下水的補(bǔ)給和排泄;⑤人類活動(dòng)因素:包括地表水系、各類水源地的集中開采等，它們是誘發(fā)地下水位發(fā)生持續(xù)下降的主要因素。對(duì)各種因素進(jìn)行綜合分析后繪制四張地下水動(dòng)態(tài)影響要素圖，即水文地質(zhì)分區(qū)圖、地下水補(bǔ)給分區(qū)圖、非飽和帶特征分區(qū)圖、地下水局部影響分區(qū)圖［2，8］。

利用水文地質(zhì)圖編制水文地質(zhì)分區(qū)圖，結(jié)合降水分布圖和土地利用圖編制地下水補(bǔ)給分區(qū)圖，用地下水位埋深和非飽和帶巖性圖編制非飽和帶分區(qū)圖，在河流、湖泊、水庫(kù)、水源地周圍劃分局部影響分區(qū)圖，最后將水文地質(zhì)分區(qū)圖、地下水補(bǔ)給分區(qū)圖、非飽和帶分區(qū)圖及局部影響分區(qū)圖等四張專題圖進(jìn)行疊加，得到江漢平原地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖(圖1)，圖中不同的顏色表示不同的地下水動(dòng)態(tài)類型小區(qū)。疊置過程中面積＜1 km2的小區(qū)進(jìn)行綜合分析后與相鄰區(qū)合并，全區(qū)最終共分為107個(gè)動(dòng)態(tài)分區(qū)，每個(gè)區(qū)代表上述4種不同要素的合成，具有獨(dú)特的地下水位動(dòng)態(tài)特征。

2．2 地下水位監(jiān)測(cè)孔的布設(shè)

地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖是設(shè)計(jì)江漢平原地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)的主要依據(jù)，只有每個(gè)地下水動(dòng)態(tài)類型區(qū)至少有一個(gè)監(jiān)測(cè)井控制，才能真正監(jiān)測(cè)到地下水動(dòng)態(tài)區(qū)域變化。在監(jiān)測(cè)孔布設(shè)過程中，遵循以下原則:

(1)在總體和宏觀上應(yīng)能控制不同的水文地質(zhì)單元，須能反映所在區(qū)域地下水系的環(huán)境質(zhì)量狀況和地下水質(zhì)量空間變化;

(2)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)為供水目的的含水層;

(3)監(jiān)控地下水重點(diǎn)污染區(qū)及可能產(chǎn)生污染的地區(qū)，監(jiān)視污染源對(duì)地下水的污染程度及動(dòng)態(tài)變化，以反映所在區(qū)域地下水的污染特征;

(4)能反映地下水補(bǔ)給源和地下水與地表水的水力聯(lián)系;

(5)監(jiān)控地下水水位下降的漏斗區(qū)、地面沉降以及本區(qū)域的特殊水文地質(zhì)問題;

(6)監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)布設(shè)密度的原則以主要供水區(qū)密，一般地區(qū)稀;城區(qū)密，農(nóng)村稀;地下水污染嚴(yán)重地區(qū)密，非污染區(qū)稀。盡可能以最少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取足夠的有代表性的環(huán)境信息;

(7)考慮工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目、礦山開發(fā)、水利工程、石油開發(fā)及農(nóng)業(yè)活動(dòng)等對(duì)地下水的影響;

(8)考慮監(jiān)測(cè)結(jié)果的代表性和實(shí)際采樣的可行性、方便性，盡可能從經(jīng)常使用的民井、生產(chǎn)井以及泉水中選擇布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);

(9)監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)不要輕易變動(dòng)，盡量保持單井地下水監(jiān)測(cè)工作的連續(xù)性。

在監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化過程中，主要考慮以下幾點(diǎn):

(1)充分利用已有的觀測(cè)井孔，以保證監(jiān)測(cè)資料的連續(xù)性;

(2)考慮本區(qū)河流湖泊發(fā)育及其對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響，垂直河流(湖泊)應(yīng)設(shè)計(jì)成對(duì)監(jiān)測(cè)孔，用以計(jì)算地下水與地表水體(江河湖)的水量交換;

(3)在地下水污染嚴(yán)重的地區(qū)、地下水需求量較大、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平較低但地下水生態(tài)功能十分重要的地區(qū)(如孝感云夢(mèng)、應(yīng)城一帶)加密監(jiān)測(cè)孔布設(shè)。

根據(jù)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，將現(xiàn)有的可利用的監(jiān)測(cè)點(diǎn)投影到地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖上，在遵循監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)原則的基礎(chǔ)上，在沒有監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布的動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)補(bǔ)充新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并兼顧到地下水生態(tài)功能重要的地區(qū)加密設(shè)計(jì)、河湖成對(duì)觀測(cè)井等;在某一動(dòng)態(tài)類型小區(qū)內(nèi)若存在較多監(jiān)測(cè)點(diǎn)則進(jìn)行適當(dāng)刪減。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)共有監(jiān)測(cè)點(diǎn)214個(gè)，其中利用原有監(jiān)測(cè)孔116個(gè)，新增監(jiān)測(cè)孔98個(gè)，形成4橫4縱共8條監(jiān)測(cè)剖面(圖2)。

圖1 江漢平原地下水動(dòng)態(tài)類型多因素綜合分區(qū)圖Fig.1 Zoning map of the groundwater dynamics types in Jianghan Basin1．地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū);2．孔隙承壓水巖組界線;3．河流、湖泊、水庫(kù);4．研究區(qū)。

圖2 江漢平原地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度優(yōu)化設(shè)計(jì)圖Fig.2 Layout of the groundwater monitoring network in Jianghan Basin1．優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)及編號(hào);2．地下水位現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)點(diǎn);3．剖面線及編號(hào);4．孔隙承壓水巖組界線;5．研究區(qū)。

2．3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)合理性評(píng)價(jià)

要使最少地投入最大化獲取滿足精度的地下水動(dòng)態(tài)資料，則要對(duì)優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行密度評(píng)價(jià)。然而Kriging插值法作為一種估計(jì)方差最小的線性無偏估計(jì)方法，能定量評(píng)價(jià)地下水位的監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度。該方法將Kriging插值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差作為評(píng)定監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度的標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)化過程中僅依賴于監(jiān)測(cè)井的位置、數(shù)量和空間布局，與實(shí)測(cè)值無關(guān)，故一個(gè)最優(yōu)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)計(jì)算的方差應(yīng)當(dāng)是最小的［12－13］。

為了對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的監(jiān)測(cè)網(wǎng)質(zhì)量作出評(píng)價(jià)，就應(yīng)確定監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化合理性評(píng)價(jià)的量化目標(biāo)即臨界方差值。根據(jù)前人臨界方差的選取范圍，并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，本次監(jiān)測(cè)網(wǎng)合理性評(píng)價(jià)的量化目標(biāo)確定為當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Kriging插值估計(jì)誤差的方差上限范圍為0．5 ～0．6 時(shí)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)即視為合理的［14－15］。依據(jù)前人研究成果和研究區(qū)實(shí)際情況確定階數(shù)N為5。

根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖布設(shè)完監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，用Kriging插值法對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度優(yōu)化進(jìn)行檢驗(yàn)分析評(píng)價(jià)，對(duì)比優(yōu)化前后插值的殘值誤差的大小，評(píng)價(jià)優(yōu)化結(jié)果。從Kriging插值誤差計(jì)算結(jié)果［16－17］可知，對(duì)比優(yōu)化前、后的估計(jì)誤差的方差等值線圖(圖3－圖4)，不難看出，在監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化前由于研究區(qū)監(jiān)測(cè)井布局不合理、多集中分布，導(dǎo)致觀測(cè)井稀少的西部腹地平原及東部孝感城關(guān)—武漢東西湖降落漏斗一帶插值估計(jì)誤差明顯較大，優(yōu)化后這些地區(qū)Kriging插值誤差明顯減小，范圍多在0．16～0．54之間。新增加的監(jiān)測(cè)井明顯降低了插值的殘值誤差，滿足地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)合理性評(píng)價(jià)的精度要求，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)是合理的。

圖3 優(yōu)化前觀測(cè)孔插值估計(jì)誤差的方差等值線圖Fig.3 Contour map of Kriging interpolation error of existing network in confined aquifer

圖4 優(yōu)化后觀測(cè)孔插值估計(jì)誤差的方差等值線圖Fig.4 Contour map of Kriging interpolation error of newly designed network in confined aquifer

3 結(jié)論

本文基于地下水動(dòng)態(tài)類型圖來優(yōu)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其中將水文地質(zhì)分區(qū)圖、地下水補(bǔ)給分區(qū)圖、非飽和帶特征分區(qū)圖及局部影響分區(qū)圖四張專題圖進(jìn)行疊加編制了地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖，共布設(shè)214個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成4橫4縱的優(yōu)化地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其中利用原有監(jiān)測(cè)點(diǎn)116個(gè)，新增監(jiān)測(cè)點(diǎn)98個(gè)。采用Kriging插值法定量評(píng)價(jià)優(yōu)化后監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度，通過優(yōu)化前后監(jiān)測(cè)網(wǎng)其Kriging插值誤差的方差等值線圖對(duì)比結(jié)果，優(yōu)化后的Kriging插值誤差整體明顯減小，說明監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)是合理的。新設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)能夠較全面地控制江漢平原地下水區(qū)域動(dòng)態(tài)變化，使監(jiān)測(cè)信息更為科學(xué)合理，有助于提高區(qū)域內(nèi)整個(gè)地下水監(jiān)測(cè)水平。

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