地下水監測網絡優化設計探究

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［摘要］根據秦皇島地區地質水文地質條件和淺層地下水開發利用現狀，分析了該地區淺層地下水監測現狀及存在的不足。利用克里金插值法對平原區淺層地下孔隙水進行地下水監測網絡優化設計，優化前克里金方差介于200～6500之間，優化后介于0．1～0．5之間，滿足規范要求，優化后的地下水監測網絡有效控制了地下水時空動態特征。

［關鍵詞］地下水水位;監測網絡;優化設計;秦皇島

隨著人們生活水平的提高，其環境意識不斷增強，水資源安全與環境保護也越來越受到重視［1］。秦皇島地區城市區以地表水為主要供水水源，而縣城、鄉鎮、村莊生活用水、農業用水和部分鄉鎮企業用水以地下水為主要供水水源。由于地下水連年開采，導致地下水位降落漏斗、海水入侵、水質污染等地質環境問題日顯突出，而地下水監測將有助于及時了解海水入侵發展趨勢、水質污染發展狀況，因此加強該地區地下水監測和科學管理顯得尤為重要［1］。

1研究區概況

1．1地質及水文地質條件

1．1．1地形地貌秦皇島市地形北高南低，以50m等高線界定，北部為低山丘陵區，南部為平原區。低山丘陵區地面標高一般在50～600m，海拔在1000m以上的山峰有都山、祖山等4座，最高峰為都山，海拔1846m［2］。平原區地面標高1～50m，平坦開闊，南部沿海有濱海平原分布。

1．1．2地質條件京山鐵路以北出露地層主要為太古代的變質巖，中－上元古代的碳酸鹽巖及碎屑巖、粘土巖等，古生代的碳酸鹽巖、碎屑巖夾灰巖等，中生代的火山巖、沉積巖等，新生代第四紀的砂、粉土、粉質粘土等松散巖類零星分布在河流溝谷、山間盆地，沉積厚度薄。京山鐵路以南出露地層主要為新生代第四紀松散巖類，且從北向南沉積厚度越來越大，昌黎平原最深達500多米。

1．1．3水文地質條件根據本市地下水含水介質、水動力特征、賦存形式及埋藏條件的不同，將地下水劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、巖漿巖、變質巖及碎屑巖類裂隙水三種類型。1)松散巖類孔隙水含水巖組。主要分布于廣大的平原及山間盆地，山間河谷兩側。巖性為第四系沖洪積的粘土、砂、礫卵石等。在盆地及山間河谷地帶，地下水的賦存受盆地的大小、河谷形態、沉積寬度、厚度、結構等控制。含水層厚度一般為2～10m，水位埋深1～4m，水量較小。平原區第四系沉積厚度大，按其地質時代劃分了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個含水巖組，其地質時代劃分別相當于Q4、Q3、Q2、Q1。2)碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水可分為裸露型和覆蓋型。裸露型巖溶水主要分布在柳江盆地河谷兩側，水量較大，水位埋深5～80m不等。覆蓋型巖溶水主要分布于柳江盆地石門寨附近，含水層多為雙重結構，上部為松散巖類孔隙水，下部為巖溶裂隙水，寒武系、奧陶系灰巖是本區強含水層，水量較大。3)巖漿巖、變質巖及碎屑巖類裂隙水含水巖組。分布在廣大的山區，根據含水巖組的結構特征分為層狀裂隙水和網狀、脈狀裂隙水。層狀裂隙水賦存于長城系、薊縣系和青白口系碎屑巖構造裂隙中［2］，由于泥巖和砂巖呈互層狀產出，地下水往往具有承壓性。網狀、脈狀裂隙水在太古代變質巖和元古代混合花崗巖構造裂隙中，含水比較均勻，多呈潛水類型，富水性差［2］。

1．2淺層地下水開發利用現狀

秦皇島市平原區淺層水利用段為第四系含水層的第Ⅰ含水組和第Ⅱ含水組，開采起止深度為3．11～80m。本區平原由灤河、飲馬河、洋河、戴河、湯河以及石河沖洪積扇組成。灤河、飲馬河沖洪積扇頂部利用含水層位以第Ⅰ含水組為主，井深30余m，沖洪積扇中、下部以第Ⅰ、Ⅱ含水組為主，井深100m左右。在洋河、戴河、湯河、石河沖洪積扇頂部利用層位多為第Ⅰ含水巖組，井深20余m，沖洪積扇中、下部仍以第Ⅰ含水層為主，少數地域為Ⅰ、Ⅱ含水巖組，井深40m左右。本市山區淺層水主要分布在河流兩岸及溝谷地帶，第四系含水層主要為砂礫卵石，厚度多小于10m，開采方式以大口井為主。

2平原區地下水監測網絡優化設計

2．1地下水監測現狀

秦皇島市地下水位監測井級別分為三級:國家級、省級和市級;監測井類型為機民井和溫泉，沒有專門監測井和地下暗河。監測點共計156個，其中城市區48個，平原區83個，山區25個。淺層地下水監測井分布圖1。地下水位監測手段均為人工監測，無自動監測。國家及省級監測點為自測和委托觀測，分布于市區及附近的22眼觀測井為自測，委托群眾監測井33眼，監測頻率均為3次/月;市級監測點101眼，為自測，監測頻率均為2次/年。秦皇島市平原區面積2133km2，2016年淺層地下孔隙水監測井共有62眼，監測井密度為2．9個/100km2，不滿足規范要求;山區面積5679km2，其中柳江盆地、燕河營盆地、盧龍盆地和青龍河支流河谷面積283．96km2，2016年淺層地下孔隙水監測井共有7眼，監測井密度為2．46個/100km2，滿足規范的要求，其余5395km2，基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水監測井有3眼，0．056個/100km2，不滿足規范要求。

2．2地下水監測井優化設計原則和方法

2．2．1設計原則區域地下水位監測網設計應遵循以下原則:1)區域控制，監測點(水井和泉)的布設應有利于掌握整個區域的地下水位動態;2)點線結合，監測點(水井和泉)的布設應能夠反映含水層的分布特征與地下水的補給、徑流、排泄規律、有利于識別地下水系統特征;3)分層監測，監測點(水井和泉)的布設應突出主要開采層及易于污染和支撐生態系統的淺層含水層;4)經濟合理，監測點(水井和泉)的布設應符合區域經濟社會發展水平和對監測數據的需求;5)監測點密度應考慮水文地質條件復雜程度、含水層類型以及地下水開發利用程度等;6)全自動監測頻率一般不小于1次/小時。非自動化監測頻率可進行地下水位監測頻率設計，一般為1次/月。

2．2．2設計方法根據區域地下水位監測網設計規范(DZ/T0271－2014)，在一般條件下，采用地下水動態綜合分區圖法進行監測網設計。在已有監測網密度較高的地區，可在地下水動態綜合分區圖法進行監測網設計的基礎上，采用克里金(Krig-ing)插值法對監測網密度進一步優化調整。

2．3地下水監測井優化布設

根據《區域地下水位監測網設計規范(DZ/T0271－2014)》，本地區山區水文地質條件簡單，地下水開采程度低，區域地下水監測網設計密度裂隙水為0．1個/100km2，孔隙水1．5個/100km2，昌黎山前沖洪積平原和盧龍南部平原、洋河、戴河、湯河、石河山前沖洪積平原水文地質條件中等，地下水開采程度高，孔隙水設計密度為2．5個/100km2，昌黎沖洪積平原和濱海平原水文地質條件復雜，地下水開采程度高，孔隙水設計密度為3．0個/100km2。運用Arcgis計算全區平原淺層地下水的插值估計誤差的方差，介于200～6500之間，見圖2。新增淺層地下孔隙水監測井85眼，加原有淺層監測井共有147眼，見圖3。優化全平原區淺層地下水監測井，優化后插值估計誤差方差介于0．1～0．5之間，見圖4。說明優化后平原區淺層地下水的長期監測井滿足精度要求，布局合理。

2．4地下水監測網絡優化效果評價

目前大多數地下水監測網絡優化效果評價都是采用克里金法，其原理是統計學理論中的克里金方差值越高，該區域克里金估計不確定性越大，說明該區域需要增加監測的密度，因此，克里金法能定量地評價地下水監測網密度的合理性，一個最優的監測網計算的方差應當是最小的［3］［4］。經計算，全區平原淺層地下水新監測井網的克里金方差介于0．1～0．5之間，而原監測井網的克里金方差介于200～6500之間，所以優化后的監測井網明顯優于原監測井網。事實上，從監測井數量和分布圖來看，新監測井網分布更加均勻，更能夠體現地下水運移的空間連續性，監測數據也將更能滿足該地區地下水資源管理的要求［5］。設計新增山區基巖裂隙水監測井3眼，碳酸鹽巖裂隙巖溶水監測井2眼，加現有監測井3眼共8眼，山區碳酸鹽巖面積411km2，基巖面積4984km2，設計監測井密度巖溶水為0．73個/100km2，基巖裂隙水為0．1/100km2，滿足規范要求。

3結語

(1)基于秦皇島地區地質水文地質條件和地下水開發利用現狀，優化設計了該地區地下水監測網絡，優化后的地下水監測網絡有效控制了地下水時空動態特征，綜合考慮了含水系統分布特征和主要水環境問題的監測需求。(2)采用克里金插值法，按照動態分區法布設監測井的原則，在平原區設計布設85眼淺層地下水監測井;按照動態分區法布設監測井的原則，設計山區基巖裂隙水監測井3眼，碳酸鹽巖裂隙巖溶水監測井2眼。(3)國家級監測井監測頻率為1次/5天;省級監測井10個在5－7月份監測頻率為1次/5天，其余為1次/10天;市級監測井為2次/年。新設計監測井監測頻率按照規范要求采用非自動化監測時，為1次/月。

參考文獻

［1］鄭王瓊．雷州半島地下水監測網絡優化設計．安全與環境工程．2017－24(01):95－99．

［2］謝亞瓊，杜立新，等．河北省秦皇島市地質環境監測報告(2006－2010年)．

［3］周仰效，李文鵬．區域地下水位監測網優化設計方法．水文地質工程地質．2007．1．

［4］郭燕莎，王勁峰，殷秀蘭．地下水監測網優化方法研究綜述．地理科學進展．2011．09．(30)．9．

［5］郝文輝，楊立順，回廣榮，等．秦皇島市地下水地質環境監測網絡優化方案．2017．1．

作者：程建雄 郝文輝 回廣榮 貢長青 單位：河北省區域地質調查院