地下水監(jiān)測(cè)研究

1、地下水監(jiān)測(cè)研究      2012 年 3 月（上）水 利 科 技 科技創(chuàng)新與應(yīng)用地下水監(jiān)測(cè)研究郭佩然（江西省水文局，江西 南昌 330000）1 地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指收集地下水系統(tǒng)信息的有組織系統(tǒng),其工作內(nèi)容是研究水文信息, 并密切注意它與其它幾種信息的關(guān)系,從地下水系統(tǒng)輸出信息中獲得輸入,并通過(guò)濾波、整合等過(guò)程將相關(guān)信息輸出到用戶手中。可以劃分為如下 4 個(gè)子系統(tǒng): 監(jiān)測(cè)網(wǎng)子系統(tǒng)、濾波器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)和交換機(jī)子系統(tǒng),如圖 1。    監(jiān)測(cè)網(wǎng)子系統(tǒng):由井、泉等觀測(cè)點(diǎn)組成,是從地下水系統(tǒng)獲取信息的

2、途徑和工具,具體內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置、密度、結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)目標(biāo)層、監(jiān)測(cè)的頻率等。濾波器子系統(tǒng): 系指數(shù)據(jù)的采集和初級(jí)處理子系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備和采集方式,濾波數(shù)據(jù)模板(如數(shù)據(jù)記錄表格)和監(jiān)測(cè)人員等。根據(jù)規(guī)劃收集野外數(shù)據(jù),記錄并提交,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步濾波, 產(chǎn)生兩個(gè)輸出: 部分?jǐn)?shù)據(jù)被接收并放入數(shù)據(jù)模板中;部分?jǐn)?shù)據(jù)因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)可疑或錯(cuò)誤而被拒收,轉(zhuǎn)回到前期的校正階段,或最終放棄。然后對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步濾波,做基本的處理和變換,如總計(jì)、內(nèi)插、外延、求平均等,從基本數(shù)據(jù)文件中得出另一些信息。    數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng):首先根據(jù)交換機(jī)子系統(tǒng)收集到的用戶需求信息構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)模

3、型,然后借助數(shù)據(jù)庫(kù)軟件(如 Oracle、ArcGIS 等)和應(yīng)用程序編制數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水監(jiān)測(cè)信息的保存、整理、檢索、發(fā)布等功能。還可以掛接一些基本的分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)單分析和高級(jí)濾波。    交換機(jī)子系統(tǒng): 制定一個(gè)地下水系統(tǒng)長(zhǎng)期管理計(jì)劃所需的水文信息在信息范圍、詳細(xì)程度和表現(xiàn)形式上隨著各用戶在決策過(guò)程中的具體要求而變化, 交換機(jī)子系統(tǒng)主要工作是為用戶提供所需信息, 并接受用戶的反饋, 據(jù)之進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和資源協(xié)調(diào)。    2 地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀    歐洲大多數(shù)國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)是從 20 世紀(jì) 70

4、-80 年代開(kāi)始的    1。    地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的發(fā)展由一般根據(jù)家國(guó)需要和水文地質(zhì)條件決定,除德國(guó)外,歐洲其它國(guó)家監(jiān)測(cè)網(wǎng)都是全國(guó)范圍的,各國(guó)監(jiān)測(cè)目的變化很大,監(jiān)測(cè)變量一般可以分為 5 種:描述性參數(shù)、主要離子、重金屬、農(nóng)藥和氯化溶劑,所有國(guó)家都有關(guān)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)的數(shù)量、地點(diǎn)、站點(diǎn)高度、記錄時(shí)間、測(cè)量參數(shù)和地質(zhì)條件等詳細(xì)資料。地下水量監(jiān)測(cè)網(wǎng)由多種類(lèi)型的觀測(cè)點(diǎn)組成,大部分為鉆井和挖掘井,還有管井和泉水井,觀測(cè)變量大多數(shù)相同:地下水位、地下水溫、泉水位和泉水流量,觀測(cè)質(zhì)量和取樣方法由不同國(guó)家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)決定,監(jiān)測(cè)目的通常反映不同國(guó)家具體

5、的需求,如:對(duì)于荷蘭淺層地下水資源, 如果水位下降,將危害到日常生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè), 因此有必要建立專(zhuān)門(mén)的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng);在葡萄牙和英國(guó),地下水受到海水入侵的影響,因此地下水量監(jiān)測(cè)網(wǎng)同樣適用于這類(lèi)特殊問(wèn)題。數(shù)據(jù)管理和儲(chǔ)存是由不同國(guó)家的數(shù)據(jù)庫(kù)完成, 通常的數(shù)據(jù)庫(kù)包括如 Oracle、Ingres、Rdbms 等, 常用的操作系統(tǒng)是 Unix 、Windows 等, 硬件設(shè)備有 HP、Digital、Bull、Sun 等, 軟件有 Fortran、Pascal、Cobol、C+ +、S QL、S AS 等, 相關(guān)數(shù)據(jù)可以從紙張、軟盤(pán)、報(bào)告及 Internet 上獲得, 在大多數(shù)情況下數(shù)據(jù)是免費(fèi)提供的。

6、主管部門(mén)負(fù)責(zé)項(xiàng)目協(xié)調(diào)、編寫(xiě)報(bào)告、地方取樣和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等工作。    美國(guó)    2從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始設(shè)置地下水?dāng)?shù)據(jù)的貯存與檢索系統(tǒng),70 年代進(jìn)行了地下水質(zhì)觀測(cè)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,80 年代成立了官方的地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)工作委員會(huì),其任務(wù)是調(diào)查有關(guān)地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)方面的科技成果,評(píng)價(jià)最有前景的觀測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)方法,同時(shí)研究地下水位觀測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),目前數(shù)據(jù)庫(kù)中已存貯全國(guó)大部分井泉的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)。我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)    2分屬原地礦部,建設(shè)部,水利部,地震局,環(huán)保局規(guī)劃和管理,20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)

7、,水利部門(mén)開(kāi)始監(jiān)測(cè)地下水水位、開(kāi)采量、水質(zhì)和水溫等要素,1998 年,國(guó)務(wù)院在水利部職能配置、內(nèi)設(shè)機(jī)構(gòu)和人員編制規(guī)定文件(國(guó)辦發(fā)199887號(hào)) 中明確將原地質(zhì)礦產(chǎn)部承擔(dān)的地下水行政管理職能和原由建設(shè)部承擔(dān)的指導(dǎo)城市規(guī)劃區(qū)地下水資源的管理保護(hù)職能交給水利部承擔(dān)。針對(duì)各地地下水監(jiān)測(cè)工作發(fā)展不平衡;地下水委托監(jiān)測(cè)經(jīng)費(fèi)過(guò)低,影響了地下水監(jiān)測(cè)資料質(zhì)量;在一些重要水源地和大型漏斗區(qū)缺少地下水監(jiān)測(cè)井,不能滿足掌握地下水動(dòng)態(tài)的要求;地下水監(jiān)測(cè)手段落后;信息傳輸不及時(shí), 時(shí)效性差等問(wèn)題,2001 年末,水利部印發(fā)了“關(guān)于加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè)工作的通知”文件(水文2001479 號(hào)),強(qiáng)調(diào)必須改變地下水監(jiān)測(cè)的落后現(xiàn)狀

8、,加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè)工作。我國(guó)臺(tái)灣省地下水資源豐富, 尤其在臺(tái)北盆地、濁水溪沖積扇、屏東平原與宜蘭平原等地。由于地下水超采產(chǎn)生了地面沉降、海水入侵等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,1966 年區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)包括 339 口地下水觀測(cè)井,由于經(jīng)費(fèi)不足、井徑小、洗井效果不好、觀測(cè)井的布設(shè)未配合水文地質(zhì)分層等問(wèn)題,管理困難,監(jiān)測(cè)效果不佳,為此,臺(tái)灣省水利局于 1990 年制訂“臺(tái)灣地區(qū)地下水觀測(cè)網(wǎng)整體計(jì)劃”,從籌資、管理到監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析進(jìn)行了全面的規(guī)劃。    3 地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化    從投入產(chǎn)出的理論看,地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化就是用最少的投入,規(guī)劃能夠獲取滿足要

9、求的水文地質(zhì)信息的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng),規(guī)劃內(nèi)容包括監(jiān)測(cè)井結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)井密度、監(jiān)測(cè)井布局、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)頻率、監(jiān)測(cè)井級(jí)別、監(jiān)測(cè)方式、監(jiān)測(cè)記錄模板、監(jiān)測(cè)信息管理等。當(dāng)前應(yīng)用的優(yōu)化方法主要是定性或半定量法,包括水文地質(zhì)分析法、克立格法、聚類(lèi)分析法、信息熵法、卡爾曼濾波法、數(shù)學(xué)規(guī)劃模型法等,其中水文地質(zhì)分析法是基礎(chǔ)。    90 年代, 1990 年美國(guó)地調(diào)局的 Timothy 等利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行地下水水質(zhì)觀測(cè)網(wǎng)數(shù)量?jī)?yōu)化研究, 從估計(jì)精度與樣本數(shù)量大小之間存在的統(tǒng)計(jì)關(guān)系出發(fā), 在假設(shè)置信水平為 95%和同一標(biāo)準(zhǔn)差的前提下從原有的 120 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)減少到 99 個(gè) &#

10、160;  3。宋儒、李俊亭等人(1991) 在格爾木河流域地下水觀測(cè)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用了克立格方法    4。仵彥卿等人(1992) 應(yīng)用克立格方法進(jìn)行陜西兩華地區(qū)地下水觀測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化, 提出了地下水流系統(tǒng)確定-隨機(jī)數(shù)值模型, 研究地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)密度、位置及頻率同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了適用于微型計(jì)算機(jī)的 FEMKAL 軟件包    5。陳植華(2001) 應(yīng)用信息熵法進(jìn)行河北平原區(qū)域地下水觀測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化研究,利用信息熵理論和技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)每一個(gè)觀測(cè)孔數(shù)據(jù)的信息含量大小, 計(jì)算每一對(duì)觀測(cè)孔之間的信息傳遞大小, 判斷空間上觀測(cè)孔的冗余

11、性的基礎(chǔ), 最后的對(duì)比結(jié)果證明,即使將目前觀測(cè)孔的數(shù)量減少 26%后,對(duì)現(xiàn)有觀測(cè)網(wǎng)提供信息的能力幾乎沒(méi)有影響    6。    摘 要: 地下水是水資源的重要組成部分,是戰(zhàn)略性資源的主要部分,在保障城鄉(xiāng)居民生活、支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)平衡等方面具有十分重要的作用。作者通過(guò)收集大量基礎(chǔ)資料，對(duì)地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并提出地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化方法。      關(guān)鍵詞: 地下水監(jiān)測(cè)；現(xiàn)狀；規(guī)劃    圖 1 地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯模型圖- 109-2012 年 3 月（上）科技創(chuàng)新與應(yīng)用水 利 科 技4 結(jié)論與討論4.1 收集地下水信息的有組織的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 從地下水系統(tǒng)輸出信息中獲得輸入, 并通過(guò)濾波、整合等過(guò)程將相關(guān)信息輸出到用戶手中, 可以劃分為監(jiān)測(cè)網(wǎng)子系統(tǒng)、濾波器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)和交換機(jī)子系統(tǒng)。    4.2 地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化的