地下水监测网的基本概念与设计原理

地下水系统监测是直接获得地下水水质、水量动态的唯一方法，而被广泛采用。过去几十年人类活动加剧了地下水污染、含水层枯竭以及地下水生态环境的恶化，地下水监测显得更为重要。气候变化与人类活动对地下水水质、水量的影响只有从监测网所获取的信息评价。地下水监测网也可监测由于地下水资源的开发对环境的影响。其它水文地质工作也应用地下水监测数据。建立一个优化的地下水监测网是获取地下水水质与水量信息的最有效的途径。一、地下水系统和地下水监测从系统的角度，可以把地下水看作是与环境相互作用的输入——转化——输出系统，如图1所示。环境庭输入变量材状态变量盐输出变量沿天然补给病完地下水水位毙基流但人工补给颈温度循蒸发恰抽水箭寺化学组份浓度葛泉排泄洁污染物质牧

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图1地下水系统输入：在地下水系统中，输入受环境的影响，用输入变量来描述。对地下水系统，这些变量可以是降水的入渗、地表水体的补给、农业用水的回流、人工补给和抽水等。输出：定义为地下水系统对这些输入的响应。输出变量有地下水水头、流速、温度、水化学组份的浓度、泉排泄、蒸发等。状态变量：表征系统的状态，是一组独立的输出变量。对一个地下水系统，状态变量包括地下水水头、温度和水化学组份的浓度。地下水系统由输入向输出迁移转化。这种转化是动态的，与系统的特征有关。地下水系统的特征是指含水层结构和水文地质参数的特征。因此，状态变量的时间和空间上的变化取决于地下水系统的特征和输入。地下水环境包括生态系统、地表水系统和人类社会活动。地下水系统与环境相互作用，因此环境变化会影响地下水系统。例如：修建水库、增加灌溉用水和抽取地下水会造成地下水位的改变；农业中化肥、农药、动物肥料的使用，废物处置，酸雨，已污染的地表水会造成地下水的污染；咸水入侵也会使地下水水质下降。所有这些由于环境改变导致的地下水水质和水量变化都会反作用于环境。例如，地下水水位下降会导致地面沉降或沙漠化，地下水污染会影响公众健康和生态环境，等等。只能通过建立定期的监测网来评价地下水系统与环境之间的相互作用过程。一个设计合理的监测网可以在时间和空间上监测由于环境的改变所导致的地下水水量和水质的变化。从监测网所获得的信息，对于评价地下水反作用于环境的变化结果，也是十分重要的。二、地下水监测网的目的地下水资源开发利用的经验表明，为防止地下水水质恶化和对环境造成负面效应，必须对地下水进行合理的管理，而合理的管理决策主要取决于能否有效地获取信息。监测网的目标是以最低费用来提供满足管理目标的最有效的信息。一级监测网主要是收集与地下水状态变量有关的信息（如地下水水头、温度和水化学组份等），目的是：（1）实现地下水资源的可持续开发利用；（2）控制地下水公害，如地下水污染、咸水入侵和地下水超采；剃（衡3分）保护环境，另如地下水受到递污染，或水位杏降低会造成生遭态系统的破坏岗。岸更确切地说，花地下水监测网纽的目标是：露（骗1戴）监测地下水始水位和化学组法份在时间上和姨空间上的变化葛，为地下水资吧源规划和管理压提供信息；扛（蕉2嚷）监测由于人正类活动导致的倍地下水水质和塔水量变化，为由地下水资源开咸发利用提供依梨据；帜（雨3滥）监测地下水垦水位变化，确光定人工地下水晓补给和排泄方晓案，目的是将表地下水水位控筝制在最佳水位甘以满足灌溉用争水需求；挑（案4赢）监测降落漏骑斗的变化，设享计满足用水需映求的最佳抽水玻方式；鸦（滑5敞）为专门的研象究目的收集数凶据，如地表水抬和地下水水力牢关系的调查、炼井群抽水试验朱、地下水渗流踪和运移模型的哨校正等。欠三、地下水监叉测网定义和分友类锐地下水监测网鄙定义为一个收肝集地下水（水骨质和水量）数葛据的有组织的烤系统。在监测遵网设计中，一镰个基本的假设庙是，在该系统躬中，不同的观嘱测点的水位和董化学组份之间拥存在相关性。巧换句话说，在来同一个监测网耕中观测井应当骨处于同一个地站下水流系统。烂监测网的目的勤是提供地下水泥系统中观测井庆的密度和合理涉分布，这样系傅统中任意位置诱的地下水水位伍和化学组份都成可以采用实际泳观测值内插法区来确定。未监测网组成在泡一定程度上反玩映了监则网的抵分类。地下水龄监测网划分的叮主要因素如下纲：赏（嫂1赴）地理范围，恩如国家、区域私、研究范围；咳（谢2涝）观测数据的蠢应用目的，如识地下水资源规祝划、管理、开承发和调查；丙（黄3狱）观测变量，脚如地下水水质卸和水量；牲（括4内）观测周期，流如长期、短期剂和临时的。家根据这些因子联可以将地下水饥监测网划分为委：一级（线）辜监测网、二级神（专门）监测予网和临时监测金网。椅一级地下水监饶测网主要是为饰在全国和区域楚范围内的地下乳水管理政策提忌供保障。监测沉网应能监测天底然状态下地下颈水系统水质和衫水量的区域状我态。一级监测谢网收集的地下搁水水质和水量唇的资料应能为推地下水资源规盏划、管理和水箭文地质调查研尚究提供依据。紫一级监测网应歌当覆盖相对较环大的区域，甚抬至是全国范围恳，以固定的频范率长期监测。或对于一级监测亲网设计总的规挣范可以参考火1972广年改UNESCO舍出版的《地下坊水研究》，越WMO臭在版1981宽年和管1989跑年分别出版的饰《水文地质学遗实践手册》和电《地下水观测乳计划管理》。厦可以根据旅Krigin共g烦方法将监测网展的密度最优化拼，通过时间序颠列和统计分析尊将监测频率最尼优化，也可以板采用停Kalman剩滤波模拟递推名算法，来实现竹密度和取样频危率的同时优化担。盟二级监测网是绳一级监测网的误扩展，根据当乓地人类活动如赛抽水、采矿等虾来设计，主要死是监测由于这光些人类活动造搭成的地下水水值质和水量的变突化。二级监测僻网收集的信息遵应为专门的地锹下水管理系统缘的设计和运转棵服务。因此二邀级监测网覆盖忠某个地下水盆慌地或所关注的升区域。观测变巾量只限于特定向的数据类型，古要采取特殊的柳观测频率进行嘴观测。只要地最下水管理系统纱持续运行，二岁级监测网就一于直运行。如果酷有必要连续监焦测地下水管理鹅系统，则可以踏将二级监测网侮和一级监测网斤中的观测井结娃合起来。止建立监时性地艺下水监测网的奇目的是为专门初的地下水项目圾收集数据，例坡如：水文地质局调查、井群抽垫水试验、地下咸水数值模型校派正、专项调查躬等。项目完成翅后，临时性地搭下水监测网中惕的一些观测井肉就归并到一级废监测网或二级灾监测网中。蠢四、监测网的浓设计内容浇监测网的设计扛由以下内容组晨成：搬(焰1)广监测网覆盖的鹊区域范围，如肉全国、一个完她整的地下水盆坐地、一个特殊鹰的研究区；掠(竞2)移观测的状态变究量，如地下水纯水位、温度、境天然水化学组傅份、污染物；昏(芬3)寻监测网密度，坛如观测井的数特量和位置；盯(庭4)盆取样频率；晴(缎5)竞观测的持续时忧间；说(倍6)嫁观测井的设计荣和建造；维(密7)引观测方法。简五、网络的优浅化设计晨地下水监测网特络优化设计的毫基本框架如图秩2屋所示。征监测网的设计抛和优化必须以亿监测目标和地独下水系统特征截为根据。监测五网的设计主要星是取决于监测艺目标，因此确馆定监测目标是趴进行地下水监锁测网设计和优拌化最重要的一弦步。阐明监测画网的总体管理匙目标并不难，恶但是将管理目港标定量化却不刃容易，而定量周化则可提供评胳价监测网质量贿的标准。希对一个一级监稀测网来说，可免以将管理目标填看作是监测地遥下水系统的实滚际状态。总体探目标是：倒(研1)紧监测趋势；以(喝2)医识别周期变化霉；恨(呜3)贩计算地下水水导位和水质指标聪的平均数值。残如果没有空间脂和时间上的变究化，只对状态堤变量观测一次扎，就可获得足绍够的描述地下悔水状态的信息拦。但是地下水兔系统是一个动斜态的三维系统半，具有状态变疼量在时间和空蓬间上的变化。馒状态变量在时商间和空间上的夫变化取决于地桂下水系统特征清和输入。表评1哈指出了影响地加下水水头变化们的主要原因。割表锈1毯役地下水水头变凭化的主要原因回地下水系统特欺征附地下水水头变禁化翼空间变化历时间变化历降雨渔√稼√捷地表水某√疏√县抽水久√条√炼含水层结构餐等√典时毯绑水文地质参数原√架

专边界条件艘√妇√励补给和排泄方多式硬√款√呢地下水水头的苍时间变化主要着是由随时间变竿化的输入引起隶的。然而，由谱于地下水系统劲的贮存性质，攻地下水水头的度时间变化通常谅低于输入的变徒化。地下水系滚统的贮存作用牵平滑短期的变近化。贮存作用机也造成地下水添位时间序列的雪自相关。自相唐关程度用时间各相关尺度来描样述。时间相关扩尺度越大，自反相关性就越高墓，时间变化就奔越小。时间相猜关尺度采用自凯相关函数来估觉计。奔尽管也受其它秧因素影响，但磨水文地质参数鸽（渗透系数、净贮水系数和垂顽向阻水率）的式空间变化是造损成地下水水头航空间变化的主疲要原因。水文疮地质参数的空待间变化取决于阔含水层的非均标质与各向异性助。胶状态变量的空贼间变化可以用极统计参翠数眠—伏—治空间相关尺度欺描述，其定义务为状态变量空券间相关的平均洗距离。空间相讽关尺度越大，以空间相关性越佣显著，空间变澡化也就越小。炕空间相关尺度灌可用变差函数掠来确定。仔为确定状态变屈量的空间变化秀，需要建立一德个观测网来监唉测它们的空间恨分布。该监测撒网的密度取决报于空间变化的枝程度，空间变妻化越大，需要菊的监测网的密律度越高。为了汁在监测网中获充得最大量的信灰息，应当在空妻间变化最大的协位置或区域建锦立最密集的观掀测点。轻状态变量的时花间变化决定了渐监测的观测频炎率。为了监测限状态变量随时蝇间的动态变化丹，时间变化越局大所需要的观糊测频率就越高隆。阴应用变差函数隔和自相关函数刮定量反应空间隆与时间变化对蜂监测网设计的抖影响，这样就槐开发使用枕Krigin批g凑（克里金）方补法确定监测网乎的密度，用统赏计和时间序列茎分析方法确定庄观测频率的方赠法。溜监测网设计需摘要评价监测网线效率的定量标趣准。这个标准论可以定义为从害监测网所获取狼的信息满足管免理目标的成效视。如果监测所胞获信息能有效串地满足管理需吹求，则监测网鸽的效率较高。级既然监测网的遮效率取决于监违测目标，则可锡从监测目标中龄引出评判监测络网效率的定量酷标准。在实际惕工作中，监测愚网的效率通常园用一些统计量肆来衡量：如插驻值误差的均方亏差、估计误差众的置信区间与悠监测趋势的张午力等，这样，跟监测网的效率挂（痒E裳）可定义为监戒测网的密度焰（采d诸）、频率（登f贞）与观测变量庭（矿v导）的函数：智E=E豆（迁f,d,v壮）。独取样频率叨(塔f)柳、网络密度疑(炭d)剥和变量罚(爹v)带决定监测网的南效率和费用。潮因此，监测网免的费用蝶(孤C)挣可以表达成网熔络密度覆(阻d)渠、观测频率阳(桑f)酒和观测变量停(干v)棚的函数：过C=C(f,视d,v)丈。建监测网的费用钥主要由以下因剩素决定：淘(醒1)范设备和人员；另(驶2)俗建网和维护；辛(缸3)罩观测和取样；盆(前4)总取样分析；蛮(哈5)亮数据贮存和处撒理。管一旦函数辅E(f,d,膝v)害和稠C(f,d,利v)肥确定了，通过行对珠E影和窃C搬进行成本效益料分析就可以找惜到一个优化监姿测网。一般而岛言，监测费用砖过低必导致监赞测效率差。最雕优监测网应当颗是以最低的费常用获得最好的寿效率。处上述监测网设企计原理说起来颜不难，但是执禾行起来难度却汗不小，最大的送难题是：赛(篮1)性无法把管理目举标转化成监测伙网设计的技术墨目标；挣(独2)遥成本效益分析智不难，但却很错主观。板然而，最优监杠测网设计的概逼念为设计者提惯供了从监测网报分析到实际解爽决办法的依据鉴。第六、网络设计洽的实用方法灾由于监测网设勺计在实际上是遥不可能的，就鹿用到了使用替冰代目标和标准这的次优监测网场设计。用这种疮方法，监测网蓝设计可以看作予是监测网分析吧。监测网分析邪和设计步骤总岩结如下：校1绞．监测网目标色的确定臭首先要确定监丢测网的管理目狼标，这个目标鸭应当通过设计答者和地下水资查源管理者的协架作获得，接着蚁把管理目标转摘化为可以量化惩的替代技术目族标。在许多情荣况下，监测网细密度设计的替宿代目标是从预瞎定的精确度对粗地下水状态变争量插值。取样畏频率设计的替返代目标如下：殖(封1)液监测趋势；俭(典2)掠识别周期性变尸化；匪(赴3)写估算平均值。徒对监测网密度逃设计而言，很唐明显监测网效下率与估计误差牙的标准偏差成疫反比。标准偏喜差越小，监测暂网效果就越高捧。因此，估计后误差的标准偏请差或效率都可阀以用来作为网耻络密度设计的春替代标准。浙原则上，有两帐种监测网密度世的设计方法：淹(持1)窜在给定的内插恭误差标准偏差达、或最低效率葵的阀值的条件型下使费用最小穴；叫(妈2)司在给定费用条鼠件下使内插误脆差标准偏差最陶小。土在确定取样频圾率时，效率的奋替代标准与下脸列因素有关：向(以1)亿如果目标是监策测趋势，则用渠监测趋势的能坛力；搞(沾2)交如果目标是识痕别周期变化或隶估算平均值，摘则用估计误差戴精度。伙2级．观测区域的骨选择狭第二步是选择墓观测区域。依倍据是监测网设爸计的目标和被初监测含水层的状范围。例如：撑一级监测网的拣观测区域应当害至少包括一个塞完整的地下水乌流系统；而对种二级弊监测网而言，央为监测地下水率位下降形成的蒜降落漏斗，观罚测区域应当能侦够监测降落漏那斗的进一步演重化。迫3乐．对现有监测愉网的评价安第三步是对现苹有监测网与预婚定标准相比较焦。