湖北省江漢平原重點區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化研究

范威，江越瀟，李寅，李偉，陳志宇，胡成

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

地下水監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化能減少監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)和維護(hù)費用，用最少的監(jiān)測井滿足地下水監(jiān)測需求(余楚等，2015)。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人類工程活動的加劇引發(fā)了一系列地質(zhì)環(huán)境問題，但在研究解決相關(guān)問題時，卻又缺乏足夠可靠、有效的信息，這反映了現(xiàn)有地下水監(jiān)測網(wǎng)存在的問題(郭燕莎等，2011)。長期以來的地下水監(jiān)測工作，由于對監(jiān)測網(wǎng)科學(xué)性、完整性、合理性缺乏足夠的重視，導(dǎo)致了監(jiān)測信息的冗余和缺失。當(dāng)前國內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化研究應(yīng)用廣泛，技術(shù)方法成熟(朱瑾等，2007；秦延軍等，2001；王亞維，2018；劉治政，2010；鄭王瓊，2017；王力堅等，2000)。湖北省地下水監(jiān)測網(wǎng)還存在著監(jiān)測網(wǎng)覆蓋區(qū)域不全、監(jiān)測站點布局有待優(yōu)化等問題。荊州市區(qū)東部、監(jiān)利南部、洪湖地區(qū)地下水位監(jiān)測精度相對不足，迫切需要對區(qū)域地下水監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 地下水流系統(tǒng)劃分及選取

地下水流系統(tǒng)理論是推動區(qū)域尺度地下水循環(huán)規(guī)律研究的有力工具(張俊等，2014)。湖北省可劃分為四級地下水流系統(tǒng)，1級至4級地下水流系統(tǒng)數(shù)量分別為4、7、14、70，全省地下水流系統(tǒng)分布情況見圖1。江漢平原長江-漢江孔隙水四級地下水流系統(tǒng)具有以下特點：①邊界清晰：東部、西部邊界為巖性邊界，是相對隔水邊界，北邊界漢江和南邊界長江為水頭邊界，是零通量邊界。②監(jiān)測重點：區(qū)內(nèi)包含國家地下水監(jiān)測工程(自然資源部分)監(jiān)測井77個，約占總監(jiān)測井?dāng)?shù)量的1/3；區(qū)內(nèi)人口密度較大，是湖北省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和長江經(jīng)濟(jì)帶漢江經(jīng)濟(jì)帶交匯部位。③系統(tǒng)典型：該系統(tǒng)屬于典型的盆地河間地塊，具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系。因此，本次研究選擇該系統(tǒng)作為地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化研究區(qū)。該系統(tǒng)位于江漢平原腹地，地貌類型為堆積低平原區(qū)，地勢平緩，起伏較小，據(jù)地下水監(jiān)測資料，無明顯的地下水分水嶺。

圖1 典型地下水流系統(tǒng)位置圖Fig.1 Location map of typical groundwater flow system

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 含水層結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)含水層在垂向上的分布差異較大，根據(jù)含水層分布情況，將研究區(qū)埋深300 m以淺的含水層劃分為4個含水層(表1)，中層地下水是研究區(qū)地下水監(jiān)測的主要層位。監(jiān)測孔深度主要在50～200 m，未開展分層監(jiān)測，監(jiān)測層位主要為上中更新統(tǒng)(Qp2+3)孔隙承壓水，即中層地下水。

表1 含水層結(jié)構(gòu)劃分表Tab.1 Division table of aquifer structure

全新統(tǒng)(Qh)孔隙承壓含水層：主要分布在長江和漢江沿岸地帶，厚度一般為10～35 m，與上更新統(tǒng)呈上疊階地形式。上中更新統(tǒng)(Qp2+3)孔隙承壓含水層：厚度變化較大，總體為平原腹地比邊緣厚，東部比西部厚。頂板埋深一般為15～35 m，盆地中心較邊緣深，且由西向東、自北向南，埋深逐漸加大；底板埋深在盆地中心最大，由盆地中心向邊緣翹起，與下更新統(tǒng)(Qp1)裂隙孔隙承壓含水層之間有較穩(wěn)定的隔水層，隔水層厚度一般為5～7 m。下更新統(tǒng)(Qp1)孔隙承壓含水層：主要分布于江漢平原腹地，多不連續(xù)，呈透鏡狀，在盆地中心水平和垂直方向上都較穩(wěn)定，而在盆地邊緣變化較大，盆地中心含水層厚度大于400 m，向邊緣尖滅。新近系(N)裂隙孔隙承壓含水層：平原北部邊緣位置埋深較淺，上部多為中更新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土等弱透水層，向南埋深增加，上部為中上更新統(tǒng)砂-砂礫石層，至平原中部上部為下更新統(tǒng)砂卵礫石，至監(jiān)利長江沿岸，埋深由深變淺，呈碗狀分布(圖2)。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile of the study area

2.2 地下水補(bǔ)徑排條件

研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源是大氣降水入滲、地表水和田間灌溉水的下滲以及含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給。排泄形式包括地面蒸發(fā)、葉面蒸騰、人工開采和含水層側(cè)向徑流。

上中更新統(tǒng)孔隙承壓水：研究表明，在長江、漢江等主要地表水體切穿承壓含水層隔水頂板或隔水頂板較薄的地段，地表水為該含水層主要補(bǔ)給來源；同時還接受下更新統(tǒng)裂隙孔隙承壓水的越流補(bǔ)給和同一含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給。豐水期，該含水層地下水徑流方向總體上為自西向東徑流。地下水的排泄主要為向地表水體排泄、向下更新統(tǒng)裂隙孔隙承壓含水巖組的越流排泄，以及局部人工開采。地表水是地下水的重要補(bǔ)給來源，同時也是地下水的重要排泄場所，取決于兩者地下水水位高低和水力聯(lián)系程度。

下更新統(tǒng)裂隙孔隙承壓水：與上中更新統(tǒng)孔隙承壓含水層的越流關(guān)系主要取決于兩者之間的水位差。豐水期，上中更新統(tǒng)孔隙承壓水水位高于下更新統(tǒng)，中層水向深層越流補(bǔ)給；枯水期，局部地段由深層水越流補(bǔ)給中層水。地下水位的變化受地表水位制約，具有明顯的季節(jié)性變化特點，當(dāng)漢江水位上漲時，地下水水位隨之抬高。深層地下水總體自西北向東南徑流，地下水水力梯度在沙市、潛江以南較平緩，徑流速度相當(dāng)緩慢，基本處于靜止?fàn)顟B(tài)。地下水向相鄰含水層側(cè)向徑流排泄以及局部人工開采排泄。

3 監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化方法及現(xiàn)狀評價

3.1 監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化原則

監(jiān)測網(wǎng)在總體上應(yīng)能反映區(qū)域地下水的動態(tài)變化，監(jiān)測網(wǎng)的布置應(yīng)盡可能以最少的監(jiān)測點獲取最多的有代表性的監(jiān)測信息。在優(yōu)化前，應(yīng)對工作區(qū)的含水層特征、地下水補(bǔ)徑排條件、地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀、地下水環(huán)境現(xiàn)狀等進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上對地下水監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化，同時對監(jiān)測網(wǎng)密度進(jìn)行評價?？死锝鸩逯捣芏吭u價監(jiān)測網(wǎng)密度，將插值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 克里金插值法

3.2.1 優(yōu)化原理

地下水監(jiān)測井之間的水位是用研究區(qū)各個監(jiān)測井的地下水位插值計算得到的，插值的精度與監(jiān)測井的數(shù)量與位置密切相關(guān)。將克里金插值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差作為評價監(jiān)測網(wǎng)密度的指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)差越小，則地下水監(jiān)測網(wǎng)的部署方案越合理。在特定的地下水監(jiān)測網(wǎng)的分布形式下，監(jiān)測點的位置和地下水位是已知的，克里金插值誤差標(biāo)準(zhǔn)差的平均值是監(jiān)測點密度的函數(shù)，據(jù)此繪制圖3以示監(jiān)測網(wǎng)密度(周仰效等，2007)。選取適當(dāng)?shù)牟逯稻瓤梢詮谋O(jiān)測網(wǎng)密度圖中得到相對應(yīng)的監(jiān)測井的數(shù)量。首先，用克里金插值法計算現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)的插值誤差標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)監(jiān)測精度需要和擬投入的合理工作量選取適當(dāng)?shù)呐R界值。在滿足事先給定臨界值的前提下補(bǔ)充監(jiān)測點：在高于臨界值的區(qū)域增加監(jiān)測井，不斷調(diào)整，直至全區(qū)計算結(jié)果逼近臨界值。

圖3 監(jiān)測網(wǎng)密度圖Fig.3 Density map of monitoring network

3.2.2 監(jiān)測網(wǎng)現(xiàn)狀評價

使用克里金插值法繪制工作區(qū)2018年豐水期地下水等水位圖(圖4)。該區(qū)地下水水位整體上西高東低，中部地區(qū)由于監(jiān)測點密度偏低，地下水水位空間分布規(guī)律不明顯。

圖4 研究區(qū)地下水等水位圖Fig.4 Isolevel map of groundwater in the study area

通過對插值過程的數(shù)據(jù)分析，擬合變異函數(shù)，利用擬合的變異函數(shù)，計算優(yōu)化前研究區(qū)地下水水位標(biāo)準(zhǔn)差，得到研究區(qū)優(yōu)化前標(biāo)準(zhǔn)差分布圖(圖5)。由圖5可知，研究區(qū)中部和北部標(biāo)準(zhǔn)差相對較小，一般小于1.3；東部、西部及南部邊緣處標(biāo)準(zhǔn)差普遍為1.3～1.5。南部邊界為長江，邊界處監(jiān)測點控制程度較低，無法對在地表水影響下的地下水動態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測。因此，需要對插值誤差標(biāo)準(zhǔn)差較大的地區(qū)補(bǔ)充監(jiān)測點。

圖5 優(yōu)化前標(biāo)準(zhǔn)差分布圖Fig.5 The distribution of standard deviation before optimization

3.3 地下水動態(tài)類型編圖法

3.3.1 優(yōu)化原理

在地下水水位監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化研究中，地下水動態(tài)類型編圖法是常用的方法之一(李陽等，2015)。地下水動態(tài)類型分區(qū)能夠反映不同的地下水動態(tài)類型在空間上的分布(董殿偉等，2007)。地下水動態(tài)特征是降水、地表水、巖性條件等各類因素對地下水系統(tǒng)影響的直接反映(王浩等，2020)。充分考慮影響地下水動態(tài)的多種因素，劃分各個影響因素的分區(qū)圖，進(jìn)行綜合分析疊加，得到影響地下水的多因素綜合分區(qū)圖。地下水監(jiān)測的目的之一是為了獲取區(qū)域地下水動態(tài)信息。因此，監(jiān)測點的布置應(yīng)盡可能多地覆蓋所有的地下水動態(tài)分區(qū)，這是該方法的基本原理，優(yōu)點是充分利用了水文地質(zhì)信息，彌補(bǔ)了克里金插值法的不足。

3.3.2 監(jiān)測網(wǎng)現(xiàn)狀評價

劉薇等人(劉徽等，2014)綜合疊加了水文地質(zhì)條件、地下水補(bǔ)給、非飽和帶、局部影響等因子，得到了圖6所示的影響地下水動態(tài)的多因素綜合分區(qū)圖。研究區(qū)一共劃分為54個地下水動態(tài)區(qū)，平原中部面積較大，長江、漢江等地表水一帶面積較小，每個區(qū)具有不同的地下水動態(tài)變化規(guī)律特征。研究區(qū)現(xiàn)有國家地下水監(jiān)測工程監(jiān)測井(自然資源部分)77個，由圖6可知，監(jiān)測井并未全面覆蓋所有的動態(tài)分區(qū)。荊州城區(qū)東南部、監(jiān)利縣南部、洪湖東部、漢川南部部分動態(tài)分區(qū)沒有監(jiān)測點覆蓋，無法對全區(qū)的地下水動態(tài)形成全面控制。

圖6 影響地下水動態(tài)的多因素綜合分區(qū)圖Fig.6 Multifactor comprehensive zoning map affecting groundwater dynamics

4 監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)及合理性評價

4.1 監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)

研究區(qū)現(xiàn)有監(jiān)測井77個，尚無法全面反映該區(qū)域地下水動態(tài)特征。因此，需要補(bǔ)充地下水監(jiān)測點。首先是根據(jù)克里金插值法確定標(biāo)準(zhǔn)差臨界值，并確定監(jiān)測點密度或數(shù)量。對于臨界值的選取，目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各地區(qū)需要根據(jù)監(jiān)測精度和擬投入的合理工作量確定。臨界值取值過小，則需要的監(jiān)測井?dāng)?shù)量大，造成較高的投入。如研究區(qū)臨界值取1.2時，監(jiān)測井?dāng)?shù)量需要約190個。臨界值取值過大，雖需要的監(jiān)測井?dāng)?shù)量小，但可能導(dǎo)致優(yōu)化效果不明顯，達(dá)不到優(yōu)化監(jiān)測的目的。據(jù)研究區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化前標(biāo)準(zhǔn)差分布圖，結(jié)合監(jiān)測網(wǎng)密度圖，研究確定研究區(qū)臨界值取1.3，需要觀測井?dāng)?shù)140個左右，能滿足下一步監(jiān)測工作的需要；當(dāng)監(jiān)測要求更高時，需要進(jìn)一步減小臨界值。

研究區(qū)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化是在已有的地下水監(jiān)測站點基礎(chǔ)上，首先要保證每個影響地下水動態(tài)的多因素綜合分區(qū)中有地下水監(jiān)測點，其次要對標(biāo)準(zhǔn)差大于1.3的區(qū)塊中心補(bǔ)充監(jiān)測點，將整個區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差限制在1.3以內(nèi)。另外，從研究區(qū)地下水等水位線圖可以看出，潛江市西南部局部地區(qū)地下水位明顯低于周邊地區(qū)，為了更好地對該漏斗進(jìn)行監(jiān)測，需在該漏斗周邊補(bǔ)充地下水監(jiān)測井。

根據(jù)以上原則補(bǔ)充監(jiān)測點，優(yōu)化后的監(jiān)測點分布如圖7所示，共新增監(jiān)測點30個。

圖7 地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布置圖Fig.7 Optimal layout of groundwater monitoring network

4.2 監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化合理性評價

對優(yōu)化后的監(jiān)測網(wǎng)重新進(jìn)行插值誤差標(biāo)準(zhǔn)差的計算，對比優(yōu)化前和優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)差分布圖(圖8)可知：經(jīng)優(yōu)化新增一定的監(jiān)測點后，區(qū)內(nèi)原插值誤差標(biāo)準(zhǔn)差超過1.3的荊州市城區(qū)東部、石首市北部、洪湖東部、監(jiān)利南部和漢川市南部等地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差均控制在1.3以內(nèi)，說明優(yōu)化后，新的地下水監(jiān)測網(wǎng)能夠更全面地反映研究區(qū)地下水動態(tài)變化規(guī)律。同時，新的監(jiān)測網(wǎng)也從水文地質(zhì)條件的角度，覆蓋了不同的地下水動態(tài)類型區(qū)，能夠?qū)ρ芯繀^(qū)內(nèi)具有不同地下水動態(tài)特征的區(qū)域形成有效監(jiān)測。對潛江市西南部局部地下水降落漏斗加密監(jiān)測，能更科學(xué)地反映地下水降落漏斗的形態(tài)和變化情況。綜上所述，研究區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)經(jīng)過優(yōu)化后，總體上提高了區(qū)內(nèi)地下水監(jiān)測精度，能夠更好地服務(wù)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)、地下水資源開發(fā)利用及自然資源規(guī)劃管理。

圖8 優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)差分布圖Fig.8 The distribution of standard deviation after optimization

5 結(jié)論及建議

(1)針對湖北省地下水監(jiān)測網(wǎng)覆蓋區(qū)域不全、監(jiān)測站點布局有待優(yōu)化等問題，在地下水系統(tǒng)劃分的基礎(chǔ)上，選取江漢平原長江-漢江孔隙水四級地下水系統(tǒng)作為優(yōu)化區(qū)，進(jìn)行地下水監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化研究。

(2)采用地下水動態(tài)類型編圖法和克里金插值法對監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，取得了較好的效果，經(jīng)過合理性評價，新增加的監(jiān)測井明顯降低了水位插值的誤差，提高了監(jiān)測精度。

(3)本次研究為研究區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化探索了一套有效的方法，研究區(qū)的地下水監(jiān)測井優(yōu)化數(shù)量是對當(dāng)前監(jiān)測工作的有效補(bǔ)充。隨著地下水環(huán)境狀況的改變和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)對地下水監(jiān)測要求的提高，監(jiān)測網(wǎng)密度和監(jiān)測精度需進(jìn)一步提高。