劉 徽，鄧少平，孫 康

(鄂東南地質(zhì)大隊，湖北黃石 435000)

0 引言

近年來，中國多地發(fā)生地裂縫、地面塌陷、地面沉降等地質(zhì)災害問題，而地下水是各種不良地質(zhì)現(xiàn)象產(chǎn)生的重要因素，通過長期、連續(xù)地監(jiān)測地下水位能夠有效地及時發(fā)現(xiàn)這些地質(zhì)災害前兆現(xiàn)象，作出預警報，對減輕災害損失有重要意義。因此，如何科學、合理地監(jiān)測地下水位是一項亟待解決并有著重要意義的任務。1986年，美國科羅拉多州立大學的Ward等就指出監(jiān)測網(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家普遍存在的重要問題［1－3］。在中國較多地區(qū)，由于監(jiān)測井空間布局不均、監(jiān)測井數(shù)量不足、監(jiān)測井網(wǎng)不能應對地下水動態(tài)的影響、忽視了對監(jiān)測網(wǎng)科學性和完整性的評價等問題導致不能有效的利用數(shù)據(jù)，故勢必需要對現(xiàn)行的監(jiān)測網(wǎng)亟待優(yōu)化，以建立一個高效的監(jiān)測網(wǎng)來獲取地下水動態(tài)信息［4－5］。其中涉及到的優(yōu)化問題包括監(jiān)測密度、監(jiān)測位置、監(jiān)測指標以及監(jiān)測頻率等［6］。地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設計始于1981年［7］，現(xiàn)在國內(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。但基本上都是針對單一目標的優(yōu)化，多目標的綜合時空分析較少，且各種方法的組合優(yōu)化不多，使得方法間的優(yōu)勢未充分發(fā)揮出來，這些都有待進一步的探索研究。故如何選擇合適的方法建立起經(jīng)濟、合理、有效的地下水觀測井網(wǎng)是目前亟待解決的一個問題［8－9］。

江漢平原位于長江中游、湖北省的中南部，是長江中上游最大的平原。該區(qū)的地下水動態(tài)監(jiān)測為城市生產(chǎn)建設、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)災害防治等方面起到了重要作用。但是，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，當前的監(jiān)測網(wǎng)絡已不適應獲取精度越來越高、范圍越來越廣的動態(tài)信息要求。2010年12月，中國地質(zhì)調(diào)查局立項新開“國土資源綜合監(jiān)測示范”項目，作為子項目地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設計同步啟動。

擬采用編制地下水動態(tài)類型圖與Kriging插值相結(jié)合的方法來優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)，其優(yōu)化方法如下:根據(jù)不同的地下水動態(tài)類型，對江漢平原地下水動態(tài)在空間上進行分類和分區(qū)，即繪制地下水動態(tài)類型分區(qū)圖，然后在地下水動態(tài)類型分區(qū)圖上進行地下水監(jiān)測點的布設，使每個地下水動態(tài)分區(qū)上都有監(jiān)測點控制，最后用Kriging插值法分析評價地下水監(jiān)測點布設的合理性。通過對江漢平原地下水位監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化，可使監(jiān)測點的空間分布合理化，能夠充分監(jiān)測到地下水動態(tài)區(qū)域變化［10－11］。

1 研究區(qū)概況

江漢平原位于長江中游、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，是長江中上游最大的平原，總面積達3．9×104km2。地理坐標為E111°45'～114°16'、N 29°26'～31°10'。行政區(qū)劃覆蓋湖北省8個地市的26個縣市。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，前第四紀地層多隱伏于第四紀地層之下，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，而動態(tài)監(jiān)測則起源于20世紀80年代初期，迄今為止已達30余年。目前，該區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)由武漢、孝感、荊州等3個城市局域網(wǎng)組成，2010年度區(qū)內(nèi)在觀的水位監(jiān)測孔共計116個，監(jiān)控面積為19 615 km2，監(jiān)測對象主要是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)測網(wǎng)優(yōu)化

江漢平原地下水位監(jiān)測歷史長、面積廣，但監(jiān)測網(wǎng)密度低且井孔多集中分布于城市供水水源地地帶，對區(qū)域地下水動態(tài)特別是城市之間農(nóng)田區(qū)地下水動態(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態(tài)信息，需要對江漢平原現(xiàn)行的地下水監(jiān)測網(wǎng)絡進行優(yōu)化設計。

2．1 地下水動態(tài)類型分區(qū)

地下水動態(tài)是指地下水位的空間分布與隨時間的變化表明地下水的均衡狀態(tài)，而地下水動態(tài)類型分區(qū)則反映了地下水動態(tài)類型在空間上的分布，影響本區(qū)地下水位動態(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，對地下水位接受外部影響起一個延時或減緩響應;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給和排泄;⑤人類活動因素: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。對各種因素進行綜合分析后繪制四張地下水動態(tài)影響要素圖，即水文地質(zhì)分區(qū)圖、地下水補給分區(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、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)圖等四張專題圖進行疊加，得到江漢平原地下水動態(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態(tài)類型小區(qū)。疊置過程中面積＜1 km2的小區(qū)進行綜合分析后與相鄰區(qū)合并，全區(qū)最終共分為107個動態(tài)分區(qū)，每個區(qū)代表上述4種不同要素的合成，具有獨特的地下水位動態(tài)特征。

2．2 地下水位監(jiān)測孔的布設

地下水動態(tài)類型分區(qū)圖是設計江漢平原地下水位監(jiān)測網(wǎng)的主要依據(jù)，只有每個地下水動態(tài)類型區(qū)至少有一個監(jiān)測井控制，才能真正監(jiān)測到地下水動態(tài)區(qū)域變化。在監(jiān)測孔布設過程中，遵循以下原則:

(1)在總體和宏觀上應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)測重點為供水目的的含水層;

(3)監(jiān)控地下水重點污染區(qū)及可能產(chǎn)生污染的地區(qū)，監(jiān)視污染源對地下水的污染程度及動態(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)測點網(wǎng)布設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;地下水污染嚴重地區(qū)密，非污染區(qū)稀。盡可能以最少的監(jiān)測點獲取足夠的有代表性的環(huán)境信息;

(7)考慮工業(yè)建設項目、礦山開發(fā)、水利工程、石油開發(fā)及農(nóng)業(yè)活動等對地下水的影響;

(8)考慮監(jiān)測結(jié)果的代表性和實際采樣的可行性、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監(jiān)測點;

(9)監(jiān)測點網(wǎng)不要輕易變動，盡量保持單井地下水監(jiān)測工作的連續(xù)性。

在監(jiān)測網(wǎng)布設優(yōu)化過程中，主要考慮以下幾點:

(1)充分利用已有的觀測井孔，以保證監(jiān)測資料的連續(xù)性;

(2)考慮本區(qū)河流湖泊發(fā)育及其對地下水動態(tài)的影響，垂直河流(湖泊)應設計成對監(jiān)測孔，用以計算地下水與地表水體(江河湖)的水量交換;

(3)在地下水污染嚴重的地區(qū)、地下水需求量較大、經(jīng)濟社會發(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、應城一帶)加密監(jiān)測孔布設。

根據(jù)地下水監(jiān)測網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，將現(xiàn)有的可利用的監(jiān)測點投影到地下水動態(tài)類型分區(qū)圖上，在遵循監(jiān)測網(wǎng)布設原則的基礎(chǔ)上，在沒有監(jiān)測點分布的動態(tài)分區(qū)內(nèi)補充新的監(jiān)測點，并兼顧到地下水生態(tài)功能重要的地區(qū)加密設計、河湖成對觀測井等;在某一動態(tài)類型小區(qū)內(nèi)若存在較多監(jiān)測點則進行適當刪減。

優(yōu)化設計后的地下水監(jiān)測網(wǎng)共有監(jiān)測點214個，其中利用原有監(jiān)測孔116個，新增監(jiān)測孔98個，形成4橫4縱共8條監(jiān)測剖面(圖2)。

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

圖2 江漢平原地下水位監(jiān)測網(wǎng)密度優(yōu)化設計圖Fig.2 Layout of the groundwater monitoring network in Jianghan Basin1．優(yōu)化設計點及編號;2．地下水位現(xiàn)狀監(jiān)測點;3．剖面線及編號;4．孔隙承壓水巖組界線;5．研究區(qū)。

2．3 監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設計合理性評價

要使最少地投入最大化獲取滿足精度的地下水動態(tài)資料，則要對優(yōu)化后的監(jiān)測網(wǎng)進行密度評價。然而Kriging插值法作為一種估計方差最小的線性無偏估計方法，能定量評價地下水位的監(jiān)測網(wǎng)密度。該方法將Kriging插值誤差的標準差作為評定監(jiān)測網(wǎng)密度的標準，其優(yōu)化過程中僅依賴于監(jiān)測井的位置、數(shù)量和空間布局，與實測值無關(guān)，故一個最優(yōu)的監(jiān)測網(wǎng)計算的方差應當是最小的［12－13］。

為了對優(yōu)化設計前后的監(jiān)測網(wǎng)質(zhì)量作出評價，就應確定監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化合理性評價的量化目標即臨界方差值。根據(jù)前人臨界方差的選取范圍，并結(jié)合研究區(qū)的實際情況，本次監(jiān)測網(wǎng)合理性評價的量化目標確定為當監(jiān)測點Kriging插值估計誤差的方差上限范圍為0．5 ～0．6 時，監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化設計即視為合理的［14－15］。依據(jù)前人研究成果和研究區(qū)實際情況確定階數(shù)N為5。

根據(jù)地下水動態(tài)類型分區(qū)圖布設完監(jiān)測點后，用Kriging插值法對監(jiān)測點密度優(yōu)化進行檢驗分析評價，對比優(yōu)化前后插值的殘值誤差的大小，評價優(yōu)化結(jié)果。從Kriging插值誤差計算結(jié)果［16－17］可知，對比優(yōu)化前、后的估計誤差的方差等值線圖(圖3－圖4)，不難看出，在監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化前由于研究區(qū)監(jiān)測井布局不合理、多集中分布，導致觀測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)測井明顯降低了插值的殘值誤差，滿足地下水監(jiān)測網(wǎng)合理性評價的精度要求，監(jiān)測點的布設是合理的。

圖3 優(yōu)化前觀測孔插值估計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)化后觀測孔插值估計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

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

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