江汉平原地下水位监测网优化设计_刘徽
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［2 ， 8 ］
。
利用水文地质图编制水文地质分区图， 结合降水 分布图和土地利用图编制地下水补给分区图 ， 用地下 在 水位埋深和非饱和带岩性图编制非饱和带分区图 ， 河流、 湖泊、 水库、 水源地周围划分局部影响分区图， 最 后将水文地质分区图、 地下水补给分区图、 非饱和带分 区图及局部影响分区图等四张专题图进行叠加 ， 得到 江汉平原地下水动态类型分区图 （ 图 1 ） ， 图中不同的 颜色表示不同的地下水动态类型小区 。 叠置过程中面
［8 － 9 ］ 。 观测井网是目前亟待解决的一个问题 江汉平原位于长江中游、 湖北省的中南部， 是长江 ［4 － 5 ］
。
1
研究区概况
江汉平原位于长江中游、 湖北省的中南部， 西起枝 、 ； 、 ， 江 东止武汉 北至钟祥 南望洞庭湖滨 是长江中上游
4 2 最大的 平 原， 总 面 积 达 3． 9 ˑ 10 km 。 地 理 坐 标 为 E111ʎ45' 114ʎ16' 、 N 29ʎ26' 31ʎ10' 。行政区划覆盖
湖北省 8 个地市的 26 个县市。 江汉平原为典型河湖 相平原， 西部、 北部和南部以及东南部边缘均为高起的 岗地或残丘岗地区。 其中， 广大中部地区主要为冲湖 积平原， 边缘为侵蚀堆积岗状、 波状平原组成。 区内地 层以新生代第四系为主， 前第四纪地层多隐伏于第四
中上游最大的平原。该区的地下水动态监测为城市生
收稿日期： 2014 － 03 － 19 ； 改回日期： 2014 － 05 － 21 作者简介： 刘徽 （ 1986 － ） ，男，助理工程师，硕士，地下水科学与工程专业，从事地下水数值模拟及其应用。E － mail： 353882652@ qq. com 数字出版网址： http： / /www. cnki. net / kcms / detail /42. 1736. X. 20140801. 0930. 002. html 数字出版日期： 2014 － 08 － 01 09 ： 30
2 位监测孔共计 116 个， 监控面积为 19 615 km ， 监测对象 主要是 200 m 以内的第四系松散层潜水和承压水。监测
2． 2
地下Hale Waihona Puke Baidu位监测孔的布设
地下水动态类型分区图是设计江汉平原地下水位 监测网的主要依据， 只有每个地下水动态类型区至少 有一个监测井控制， 才能真正监测到地下水动态区域 。 变化 在监测孔布设过程中， 遵循以下原则： （ 1 ） 在总体和宏观上应能控制不同的水文地质单 元， 须能反映所在区域地下水系的环境质量状况和地 下水质量空间变化； （ 2 ） 监测重点为供水目的的含水层； （ 3 ） 监控地下水重点污染区及可能产生污染的地 区， 监视污染源对地下水的污染程度及动态变化 ， 以反 映所在区域地下水的污染特征； （ 4 ） 能反映地下水补给源和地下水与地表水的水 力联系； （ 5 ） 监控地下水水位下降的漏斗区、 地面沉降以 及本区域的特殊水文地质问题； （ 6 ） 监测点网布设密度的原则以主要供水区密， 一般地区稀； 城区密， 农村稀； 地下水污染严重地区密， 非污染区稀。尽可能以最少的监测点获取足够的有代 表性的环境信息； （ 7 ） 考虑工业建设项目、 矿山开发、 水利工程、 石 油开发及农业活动等对地下水的影响 ； （ 8 ） 考虑监测结果的代表性和实际采样的可行 性、 方便性， 尽可能从经常使用的民井、 生产井以及泉 水中选择布设监测点； （ 9 ） 监测点网不要轻易变动， 尽量保持单井地下 水监测工作的连续性。 在监测网布设优化过程中， 主要考虑以下几点： （ 1 ） 充分利用已有的观测井孔， 以保证监测资料 的连续性； （ 2 ） 考虑本区河流湖泊发育及其对地下水动态的 影响， 垂直河流 （ 湖泊 ） 应设计成对监测孔， 用以计算 （ ） ； 地下水与地表水体 江河湖 的水量交换 （ 3 ） 在地下水污染严重的地区、 地下水需求量较 大、 经济社会发展水平较低但地下水生态功能十分重 要的地区（ 如孝感云梦、 应城一带） 加密监测孔布设。 根据地下水监测网现状调查结果， 将现有的可利 用的监测点投影到地下水动态类型分区图上 ， 在遵循 监测网布设原则的基础上， 在没有监测点分布的动态 分区内补充新的监测点， 并兼顾到地下水生态功能重 要的地区加密设计、 河湖成对观测井等； 在某一动态类 型小区内若存在较多监测点则进行适当删减 。 优化设计后的地下水监测网共有监测点 214 个， 其中利用原有监测孔 116 个， 新增监测孔 98 个， 形成 4 横 4 纵共 8 条监测剖面（ 图 2 ） 。
孔数量总体数量不够， 且分布极不均衡， 大多分布于武汉、 孝感等城市为中心的集中供水水源地带。
2
江汉平原区地下水水位监测网优化
江汉平原地下水位监测历史长、 面积广， 但监测网 密度低且井孔多集中分布于城市供水水源地地带 ， 对 区域地下水动态特别是城市之间农田区地下水动态控 制不足， 为了以最少的投入， 最大化地获得满足一定精 需要对江汉平原现行的地 度要求的地下水动态信息， 下水监测网络进行优化设计。 2． 1 地下水动态类型分区 地下水动态是指地下水位的空间分布与随时间的 而地下水动态类型分区 变化表明地下水的均衡状态， 则反映了地下水动态类型在空间上的分布 ， 影响本区 地下水位动态的因素主要有： ①水文因素： 主要指地表 水体、 降水和蒸发蒸腾等， 是影响天然状态下地下水位 动态变化的主要因素； ②饱和带特性： 包括含水层的岩 性和边界条件， 在很大程度上决定地下水位在时空上 的分布及变化； ③非饱和带特性： 主要包括地下水位埋 对地下水位接受外部影响起一个延时 深和土壤岩性， 或减缓响应； ④ 地表特性： 包括地形地貌和土地利用， 在一定程度上控制着地下水的补给和排泄 ； ⑤ 人类活 动因素： 包括地表水系、 各类水源地的集中开采等， 它 们是诱发地下水位发生持续下降的主要因素 。 对各种 因素进行综合分析后绘制四张地下水动态影响要素 图， 即水文地质分区图、 地下水补给分区图、 非饱和带 特征分区图、 地下水局部影响分区图
［10 － 11 ］
近年来， 中国多地发生地裂缝、 地面塌陷、 地面沉 ， 降等地质灾害问题 而地下水是各种不良地质现象产 生的重要因素， 通过长期、 连续地监测地下水位能够有 效地及时发现这些地质灾害前兆现象 ， 作出预警报， 对 如何科学、 合理地监 减轻灾害损失有重要意义。因此， 测地下水位是一项亟待解决并有着重要意义的任务 。 1986 年， 美国科罗拉多州立大学的 Ward 等就指出监 “数据丰富但信息贫 测网存在着一种深层次的问题， 即 的综合症， 该问题到目前为止仍是许多国家普遍存 乏” ［1 － 3 ］ 。 在中国较多地区， 由于监测井空 在的重要问题 间布局不均、 监测井数量不足、 监测井网不能应对地下 水动态的影响、 忽视了对监测网科学性和完整性的评 价等问题导致不能有效的利用数据， 故势必需要对现 行的监测网亟待优化， 以建立一个高效的监测网来获 。其中涉及到的优化问题包括 取地下水动态信息 ［6 ］ 监测密度、 监测位置、 监测指标以及监测频率等 。 地 ［7 ］ 现在国内外 下水动态监测网优化设计始于 1981 年 ， 有比较成熟的一些定性 （ 如水文地质分析法 ） 和定量 （ 如 Kriging 插值法和信息熵等 ） 的优化方法。 但基本 多目标的综合时空分析 上都是针对单一目标的优化， 较少， 且各种方法的组合优化不多， 使得方法间的优势 未充分发挥出来， 这些都有待进一步的探索研究。 故 如何选择合适的方法建立起经济、 合理、 有效的地下水
1． 地下水动态类型分区； 2． 孔隙承压水岩组界线； 3． 河流、 湖泊、 水库； 4． 研究区。
图2
Fig. 2
江汉平原地下水位监测网密度优化设计图
Layout of the groundwater monitoring network in Jianghan Basin
1． 优化设计点及编号； 2． 地下水位现状监测点； 3． 剖面线及编号； 4． 孔隙承压水岩组界线； 5． 研究区。
2 积 ＜ 1 km 的小区进行综合分析后与相邻区合并 ， 全区 最终共分为 107 个动态分区， 每个区代表上述 4 种不
同要素的合成， 具有独特的地下水位动态特征。
694
资源环境与工程
2014 年
图1
Fig. 1
江汉平原地下水动态类型多因素综合分区图
Zoning map of the groundwater dynamics types in Jianghan Basin
0
引言
产建设、 工农业发展和政府决策部门等提供了大量有 用的数据， 在保障区域供水安全、 地质灾害防治等方面 起到了重要作用。但是， 随着经济社会的快速发展， 当 、 前的监测网络已不适应获取精度越来越高 范围越来 越广的动态信息要求。2010 年 12 月， 中国地质调查 “ ” 局立项新开 国土资源综合监测示范 项目， 作为子项 目地下水动态监测网优化设计同步启动 。 拟采用编制地下水动态类型图与 Kriging 插值相 结合的方法来优化监测网， 其优化方法如下： 根据不同 的地下水动态类型， 对江汉平原地下水动态在空间上 进行分类和分区， 即绘制地下水动态类型分区图， 然后 在地下水动态类型分区图上进行地下水监测点的布 使每个地下水动态分区上都有监测点控制 ， 最后用 设， Kriging 插值法分析评价地下水监测点布设的合理性 。 通过对江汉平原地下水位监测网的优化， 可使监测点 的空间分布合理化， 能够充分监测到地下水动态区域 变化
第5 期
刘
徽等: 江汉平原地下水位监测网优化设计
695
2． 3
监测网优化设计合理性评价
要使最少地投入最大化获取满足精度的地下水动 态资料， 则要对优化后的监测网进行密度评价。 然而 Kriging 插值法作为一种估计方差最小的线性无偏估 计方法， 能定量评价地下水位的监测网密度。 该方法 将 Kriging 插值误差的标准差作为评定监测网密度的 标准， 其优化过程中仅依赖于监测井的位置 、 数量和空 间布局， 与实测值无关， 故一个最优的监测网计算的方 差应当是最小的
刘
摘
徽，邓少平，孙
康
（ 鄂东南地质大队， 湖北 黄石 435000 ）
要： 阐述湖北江汉平原地下水位监测网密度 优 化方 法。 基 于 GIS 技 术， 采 用 水 文 地 质分 析法 系 统 地 圈
划江汉平原地下水动态类型分区并编制地下水动态 类 型 图，按 照 监 测 点 网 布 设 原 则 进 行 地 下 水 监 测 网 优 化 设计，江汉平原地区形成 4 横 4 纵、214 个 监 测 点 的地 下 水 位 监 测 网。 Kriging 插 值 法 分 析 评 价 结 果 表 明， 优化后监测网其 Kriging 插值误差方差整体数值明显减小，说明新设计的监 测 网 优 化 设 计 合 理， 能 够 较 全 面 地控制江汉平原地下水区域水位动态变化，使监测信息更为科学合理，为经济社会的可持续发展提供服务。 关键词： 地下水; 地下水动态; 监测网优化; Kriging 插值; 江汉平原 中图分类号： P641． 72 文献标识码： A 文章编号： 1671 － 1211 ( 2014 ) 05 － 0692 － 05
DOI:10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2014.05.013
第 28 卷 第 5 期 2014 年 10 月 资源环境与工程 Ｒesources Environment ＆ Engineering Vol. 28 ， No. 5 Oct． ， 2014
江汉平原地下水位监测网优化设计
第5 期
刘
徽等: 江汉平原地下水位监测网优化设计
693
纪地层之下， 少有出露。 江汉平原地区地下水开发利用追踪溯源， 已有数千 年历史， 而动态监测则起源于 20 世纪 80 年代初期， 迄今 为止已达 30 余年。目前， 该区地下水监测网由武汉、 孝 、 3 ， 2010 感 荆州等 个城市局域网组成 年度区内在观的水
。
利用水文地质图编制水文地质分区图， 结合降水 分布图和土地利用图编制地下水补给分区图 ， 用地下 在 水位埋深和非饱和带岩性图编制非饱和带分区图 ， 河流、 湖泊、 水库、 水源地周围划分局部影响分区图， 最 后将水文地质分区图、 地下水补给分区图、 非饱和带分 区图及局部影响分区图等四张专题图进行叠加 ， 得到 江汉平原地下水动态类型分区图 （ 图 1 ） ， 图中不同的 颜色表示不同的地下水动态类型小区 。 叠置过程中面
［8 － 9 ］ 。 观测井网是目前亟待解决的一个问题 江汉平原位于长江中游、 湖北省的中南部， 是长江 ［4 － 5 ］
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研究区概况
江汉平原位于长江中游、 湖北省的中南部， 西起枝 、 ； 、 ， 江 东止武汉 北至钟祥 南望洞庭湖滨 是长江中上游
4 2 最大的 平 原， 总 面 积 达 3． 9 ˑ 10 km 。 地 理 坐 标 为 E111ʎ45' 114ʎ16' 、 N 29ʎ26' 31ʎ10' 。行政区划覆盖
湖北省 8 个地市的 26 个县市。 江汉平原为典型河湖 相平原， 西部、 北部和南部以及东南部边缘均为高起的 岗地或残丘岗地区。 其中， 广大中部地区主要为冲湖 积平原， 边缘为侵蚀堆积岗状、 波状平原组成。 区内地 层以新生代第四系为主， 前第四纪地层多隐伏于第四
中上游最大的平原。该区的地下水动态监测为城市生
收稿日期： 2014 － 03 － 19 ； 改回日期： 2014 － 05 － 21 作者简介： 刘徽 （ 1986 － ） ，男，助理工程师，硕士，地下水科学与工程专业，从事地下水数值模拟及其应用。E － mail： 353882652@ qq. com 数字出版网址： http： / /www. cnki. net / kcms / detail /42. 1736. X. 20140801. 0930. 002. html 数字出版日期： 2014 － 08 － 01 09 ： 30
2 位监测孔共计 116 个， 监控面积为 19 615 km ， 监测对象 主要是 200 m 以内的第四系松散层潜水和承压水。监测
2． 2
地下Hale Waihona Puke Baidu位监测孔的布设
地下水动态类型分区图是设计江汉平原地下水位 监测网的主要依据， 只有每个地下水动态类型区至少 有一个监测井控制， 才能真正监测到地下水动态区域 。 变化 在监测孔布设过程中， 遵循以下原则： （ 1 ） 在总体和宏观上应能控制不同的水文地质单 元， 须能反映所在区域地下水系的环境质量状况和地 下水质量空间变化； （ 2 ） 监测重点为供水目的的含水层； （ 3 ） 监控地下水重点污染区及可能产生污染的地 区， 监视污染源对地下水的污染程度及动态变化 ， 以反 映所在区域地下水的污染特征； （ 4 ） 能反映地下水补给源和地下水与地表水的水 力联系； （ 5 ） 监控地下水水位下降的漏斗区、 地面沉降以 及本区域的特殊水文地质问题； （ 6 ） 监测点网布设密度的原则以主要供水区密， 一般地区稀； 城区密， 农村稀； 地下水污染严重地区密， 非污染区稀。尽可能以最少的监测点获取足够的有代 表性的环境信息； （ 7 ） 考虑工业建设项目、 矿山开发、 水利工程、 石 油开发及农业活动等对地下水的影响 ； （ 8 ） 考虑监测结果的代表性和实际采样的可行 性、 方便性， 尽可能从经常使用的民井、 生产井以及泉 水中选择布设监测点； （ 9 ） 监测点网不要轻易变动， 尽量保持单井地下 水监测工作的连续性。 在监测网布设优化过程中， 主要考虑以下几点： （ 1 ） 充分利用已有的观测井孔， 以保证监测资料 的连续性； （ 2 ） 考虑本区河流湖泊发育及其对地下水动态的 影响， 垂直河流 （ 湖泊 ） 应设计成对监测孔， 用以计算 （ ） ； 地下水与地表水体 江河湖 的水量交换 （ 3 ） 在地下水污染严重的地区、 地下水需求量较 大、 经济社会发展水平较低但地下水生态功能十分重 要的地区（ 如孝感云梦、 应城一带） 加密监测孔布设。 根据地下水监测网现状调查结果， 将现有的可利 用的监测点投影到地下水动态类型分区图上 ， 在遵循 监测网布设原则的基础上， 在没有监测点分布的动态 分区内补充新的监测点， 并兼顾到地下水生态功能重 要的地区加密设计、 河湖成对观测井等； 在某一动态类 型小区内若存在较多监测点则进行适当删减 。 优化设计后的地下水监测网共有监测点 214 个， 其中利用原有监测孔 116 个， 新增监测孔 98 个， 形成 4 横 4 纵共 8 条监测剖面（ 图 2 ） 。
孔数量总体数量不够， 且分布极不均衡， 大多分布于武汉、 孝感等城市为中心的集中供水水源地带。
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江汉平原区地下水水位监测网优化
江汉平原地下水位监测历史长、 面积广， 但监测网 密度低且井孔多集中分布于城市供水水源地地带 ， 对 区域地下水动态特别是城市之间农田区地下水动态控 制不足， 为了以最少的投入， 最大化地获得满足一定精 需要对江汉平原现行的地 度要求的地下水动态信息， 下水监测网络进行优化设计。 2． 1 地下水动态类型分区 地下水动态是指地下水位的空间分布与随时间的 而地下水动态类型分区 变化表明地下水的均衡状态， 则反映了地下水动态类型在空间上的分布 ， 影响本区 地下水位动态的因素主要有： ①水文因素： 主要指地表 水体、 降水和蒸发蒸腾等， 是影响天然状态下地下水位 动态变化的主要因素； ②饱和带特性： 包括含水层的岩 性和边界条件， 在很大程度上决定地下水位在时空上 的分布及变化； ③非饱和带特性： 主要包括地下水位埋 对地下水位接受外部影响起一个延时 深和土壤岩性， 或减缓响应； ④ 地表特性： 包括地形地貌和土地利用， 在一定程度上控制着地下水的补给和排泄 ； ⑤ 人类活 动因素： 包括地表水系、 各类水源地的集中开采等， 它 们是诱发地下水位发生持续下降的主要因素 。 对各种 因素进行综合分析后绘制四张地下水动态影响要素 图， 即水文地质分区图、 地下水补给分区图、 非饱和带 特征分区图、 地下水局部影响分区图
［10 － 11 ］
近年来， 中国多地发生地裂缝、 地面塌陷、 地面沉 ， 降等地质灾害问题 而地下水是各种不良地质现象产 生的重要因素， 通过长期、 连续地监测地下水位能够有 效地及时发现这些地质灾害前兆现象 ， 作出预警报， 对 如何科学、 合理地监 减轻灾害损失有重要意义。因此， 测地下水位是一项亟待解决并有着重要意义的任务 。 1986 年， 美国科罗拉多州立大学的 Ward 等就指出监 “数据丰富但信息贫 测网存在着一种深层次的问题， 即 的综合症， 该问题到目前为止仍是许多国家普遍存 乏” ［1 － 3 ］ 。 在中国较多地区， 由于监测井空 在的重要问题 间布局不均、 监测井数量不足、 监测井网不能应对地下 水动态的影响、 忽视了对监测网科学性和完整性的评 价等问题导致不能有效的利用数据， 故势必需要对现 行的监测网亟待优化， 以建立一个高效的监测网来获 。其中涉及到的优化问题包括 取地下水动态信息 ［6 ］ 监测密度、 监测位置、 监测指标以及监测频率等 。 地 ［7 ］ 现在国内外 下水动态监测网优化设计始于 1981 年 ， 有比较成熟的一些定性 （ 如水文地质分析法 ） 和定量 （ 如 Kriging 插值法和信息熵等 ） 的优化方法。 但基本 多目标的综合时空分析 上都是针对单一目标的优化， 较少， 且各种方法的组合优化不多， 使得方法间的优势 未充分发挥出来， 这些都有待进一步的探索研究。 故 如何选择合适的方法建立起经济、 合理、 有效的地下水
1． 地下水动态类型分区； 2． 孔隙承压水岩组界线； 3． 河流、 湖泊、 水库； 4． 研究区。
图2
Fig. 2
江汉平原地下水位监测网密度优化设计图
Layout of the groundwater monitoring network in Jianghan Basin
1． 优化设计点及编号； 2． 地下水位现状监测点； 3． 剖面线及编号； 4． 孔隙承压水岩组界线； 5． 研究区。
2 积 ＜ 1 km 的小区进行综合分析后与相邻区合并 ， 全区 最终共分为 107 个动态分区， 每个区代表上述 4 种不
同要素的合成， 具有独特的地下水位动态特征。
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资源环境与工程
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图1
Fig. 1
江汉平原地下水动态类型多因素综合分区图
Zoning map of the groundwater dynamics types in Jianghan Basin
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引言
产建设、 工农业发展和政府决策部门等提供了大量有 用的数据， 在保障区域供水安全、 地质灾害防治等方面 起到了重要作用。但是， 随着经济社会的快速发展， 当 、 前的监测网络已不适应获取精度越来越高 范围越来 越广的动态信息要求。2010 年 12 月， 中国地质调查 “ ” 局立项新开 国土资源综合监测示范 项目， 作为子项 目地下水动态监测网优化设计同步启动 。 拟采用编制地下水动态类型图与 Kriging 插值相 结合的方法来优化监测网， 其优化方法如下： 根据不同 的地下水动态类型， 对江汉平原地下水动态在空间上 进行分类和分区， 即绘制地下水动态类型分区图， 然后 在地下水动态类型分区图上进行地下水监测点的布 使每个地下水动态分区上都有监测点控制 ， 最后用 设， Kriging 插值法分析评价地下水监测点布设的合理性 。 通过对江汉平原地下水位监测网的优化， 可使监测点 的空间分布合理化， 能够充分监测到地下水动态区域 变化
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徽等: 江汉平原地下水位监测网优化设计
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监测网优化设计合理性评价
要使最少地投入最大化获取满足精度的地下水动 态资料， 则要对优化后的监测网进行密度评价。 然而 Kriging 插值法作为一种估计方差最小的线性无偏估 计方法， 能定量评价地下水位的监测网密度。 该方法 将 Kriging 插值误差的标准差作为评定监测网密度的 标准， 其优化过程中仅依赖于监测井的位置 、 数量和空 间布局， 与实测值无关， 故一个最优的监测网计算的方 差应当是最小的
刘
摘
徽，邓少平，孙
康
（ 鄂东南地质大队， 湖北 黄石 435000 ）
要： 阐述湖北江汉平原地下水位监测网密度 优 化方 法。 基 于 GIS 技 术， 采 用 水 文 地 质分 析法 系 统 地 圈
划江汉平原地下水动态类型分区并编制地下水动态 类 型 图，按 照 监 测 点 网 布 设 原 则 进 行 地 下 水 监 测 网 优 化 设计，江汉平原地区形成 4 横 4 纵、214 个 监 测 点 的地 下 水 位 监 测 网。 Kriging 插 值 法 分 析 评 价 结 果 表 明， 优化后监测网其 Kriging 插值误差方差整体数值明显减小，说明新设计的监 测 网 优 化 设 计 合 理， 能 够 较 全 面 地控制江汉平原地下水区域水位动态变化，使监测信息更为科学合理，为经济社会的可持续发展提供服务。 关键词： 地下水; 地下水动态; 监测网优化; Kriging 插值; 江汉平原 中图分类号： P641． 72 文献标识码： A 文章编号： 1671 － 1211 ( 2014 ) 05 － 0692 － 05
DOI:10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2014.05.013
第 28 卷 第 5 期 2014 年 10 月 资源环境与工程 Ｒesources Environment ＆ Engineering Vol. 28 ， No. 5 Oct． ， 2014
江汉平原地下水位监测网优化设计
第5 期
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徽等: 江汉平原地下水位监测网优化设计
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纪地层之下， 少有出露。 江汉平原地区地下水开发利用追踪溯源， 已有数千 年历史， 而动态监测则起源于 20 世纪 80 年代初期， 迄今 为止已达 30 余年。目前， 该区地下水监测网由武汉、 孝 、 3 ， 2010 感 荆州等 个城市局域网组成 年度区内在观的水