地下水監(jiān)測研究進展_戴長雷.

1、第 12 卷第 2 期水土保持研究 V 1.12N 0.2 2005 年 4 月 Resear ch o f Soil a ndWater Co nserv ation A pr.,2005地下水監(jiān)測研究進展戴長雷，遲寶明(吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130026摘要:地下水監(jiān)測是加強地下水管理和保護、實施水資源優(yōu)化配置和合理調(diào) 度的重要基礎(chǔ)。作者在查閱大量相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，分析了地下水監(jiān)測網(wǎng)規(guī)劃現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，提出地下水監(jiān)測系統(tǒng)的概念并抽象出其邏輯模型，為地下水監(jiān)測理論 研究提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞:地下水監(jiān)測系統(tǒng);現(xiàn)狀;規(guī)劃;進展中圖分類號：P641.7文獻標(biāo)識碼:A文章編號:100

2、5-3409(200502-0086-03Progress of Research on Groun dwater Observati onDAI Cha ng-lei,CHI Bao-mi ng(Colleg e of Environment&Resour ces,J ilin Univ er sity,Changchun,Jilin 130026,Chi naAbstract:G ro undw ater obser vati on is impo rtant for gr oundw ater ma nag ement,pro tectio n,optimizat ion and ar

3、rang em ent. During time o f developing g ro undw ater o bser vat ion dat abase system of Song liao bas in and help ing to ar r ang e gr oundw ater observ ati on wells net o f Jili n Pr ov in ce,based o n a lot o f relative refer en ces,the aut ho rs r aise the co n cept o f gr oundw ater observ ati

4、 on sy stem and abstr act s its lo gica l mo del,analyze present situation and tendency of g ro undwat er o bser vation net ar rang eme nt,w hich supply t heor y study on g ro un dwat er o bser vat ion w ith scientific base.Key words:gr oundw ater obser vati on system;pr ese nt situatio n;ar rang em

5、e nt;pro gr ess1地下水監(jiān)測系統(tǒng)地下水系統(tǒng)指由水力或地質(zhì)（準(zhǔn)零通量面圈閉的，具有統(tǒng)一水力聯(lián)系和時空演替 規(guī)律的地下水體系。在天然或人工輸入信息的激勵下 ，通過內(nèi)部的傳導(dǎo)、貯存和釋 放，輸出地下水動態(tài)信息。與地下水有關(guān)的合理決策，是根據(jù)多種信息作出的，這些信息包括水文的、技術(shù) 的、經(jīng)濟的和生態(tài)的信息等1,2。地下水監(jiān)測系統(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，并通過濾波、整合等過程將相關(guān)信息輸出到用戶手中。 可以劃分為如下4個子系統(tǒng):監(jiān)測網(wǎng)子系統(tǒng)、濾波器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和交換 機子系統(tǒng)

6、，如圖1。監(jiān)測網(wǎng)子系統(tǒng)：由井、泉等觀測點組成，是從地下水系統(tǒng)獲取信息的途徑和工具， 具體內(nèi)容包括監(jiān)測點的位置、密度、結(jié)構(gòu)、監(jiān)測項目、監(jiān)測目標(biāo)層、監(jiān)測的頻率 等。濾波器子系統(tǒng)：系指數(shù)據(jù)的采集和初級處理子系統(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)測人員等。根據(jù)規(guī)劃收集野外數(shù)據(jù)，記錄并提 交，對原始數(shù)據(jù)進行初步濾波，產(chǎn)生兩個輸出：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)因為發(fā)現(xiàn)可疑或錯誤而被拒收，轉(zhuǎn)回到前期的校正階段，或最終放棄。然后對 采集來的數(shù)據(jù)進一步濾波，做基本的處理和變換，如總計、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)庫子系統(tǒng)：首先根據(jù)交換機

7、子系統(tǒng)收集到的用戶需求信息構(gòu)建數(shù)據(jù)庫模型，然后借助數(shù)據(jù)庫軟件（如Or acle、A r cGIS等和應(yīng)用程序編制數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對地下水監(jiān)測信息的保存、整理、檢索、發(fā)布等功能。還可以掛接一些基本的分 析模型進行簡單分析和高級濾波。交換機子系統(tǒng)：制定一個地下水系統(tǒng)長期管理計劃所需的水文信息在信息范 圍、詳細程度和表現(xiàn)形式上隨著各用戶在決策過程中的具體要求而變化，交換機子系統(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)之進行系統(tǒng)規(guī)劃和資源 協(xié)調(diào)。2地下水監(jiān)測現(xiàn)狀歐洲大多數(shù)國家地下水監(jiān)測是從 20世紀(jì)70-80年代開1 攵稿日期:2004-09-01基金項目：吉林省科技廳項目（20010

8、432水利部松遼水利委員會項目（地下水 信息管理系統(tǒng)聯(lián)合資助作者簡介:戴長雷（1978-,男，博士研究生山東鄆城人，主要從事地下水庫和地下 水信息化方向的研究。始的3。地下水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)的發(fā)展由一般根據(jù)家國需要和水文地質(zhì)條件決定，除德國外，歐洲其它國家監(jiān)測網(wǎng)都是全國范圍的，各國監(jiān)測目的變化很大，監(jiān)測變量一般 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，所有國家都有關(guān)于水質(zhì)監(jiān)測取樣點的數(shù)量、地點、站點高度、記錄時間、測量參數(shù)和地質(zhì)條件等詳 細資料。地下水量監(jiān)測網(wǎng)由多種類型的觀測點組成，大部分為鉆井和挖掘井，還有管 井和泉水井，觀測變量大多數(shù)相同：地下水位、地下水溫、泉水位和泉水流量，

9、觀測質(zhì) 量和取樣方法由不同國家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)決定，監(jiān)測目的通常反映不同國家具體的需求， 如:對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 有必要建立專門的地下水監(jiān)測網(wǎng)；在葡萄牙和英國，地下水受到海水入侵的影響，因此 地下水量監(jiān)測網(wǎng)同樣適用于這類特殊問題。數(shù)據(jù)管理和儲存是由不同國家的數(shù)據(jù)庫 完成,通常的數(shù)據(jù)庫包括如 Or acle、Ingr es、Rdbms等,常用的操作系統(tǒng)是U nix、W indow s 等，硬件設(shè)備有 HP、Digital、Bull、Sun 等,軟件有 F or tr an、Pa seal、Co bo l、C+、SQ L、SA S 等，相關(guān)數(shù)據(jù)可以從

10、紙張、軟盤、報告及I nt ernet上獲得，在大多數(shù)情況下數(shù)據(jù)是免 費提供的。主管部門負(fù)責(zé)項目協(xié)調(diào)、編寫報告、地方取樣和數(shù)據(jù)庫管理等工作。圖1地下水監(jiān)測系統(tǒng)邏輯模型圖美國4從20世紀(jì)50年代開始設(shè)置地下水?dāng)?shù)據(jù)的貯存與檢索系統(tǒng)，70年代進行 了地下水質(zhì)觀測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計研究,80年代成立了官方的地下水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計工作委 員會,其任務(wù)是調(diào)查有關(guān)地下水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計方面的科技成果，評價最有前景的觀測 網(wǎng)設(shè)計方法，同時研究地下水位觀測網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，目前數(shù)據(jù)庫中已存貯全國大部分 井泉的長期觀測數(shù)據(jù)。我國地下水監(jiān)測網(wǎng)4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，水利部門開始

11、監(jiān)測地下水水位、開采量、水質(zhì)和水溫等要素，1998年，國務(wù)院在水利部職 能配置、內(nèi)設(shè)機構(gòu)和人員編制規(guī)定文件（國辦發(fā)199887號中明確將原地質(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 理保護職能交給水利部承擔(dān)。針對各地地下水監(jiān)測工作發(fā)展不平衡；地下水委托監(jiān)測經(jīng)費過低，影響了地下水監(jiān)測資料質(zhì)量；在一些重要水源地和大型漏斗區(qū)缺少地下 水監(jiān)測井，不能滿足掌握地下水動態(tài)的要求；地下水監(jiān)測手段落后；信息傳輸不及時， 時效性差等問題，2001年末,水利部印發(fā)了 關(guān)于加強地下水監(jiān)測工作的通知”文件（水 文2001479號,強調(diào)必須改變地下水監(jiān)測的落后現(xiàn)狀，加強地下水監(jiān)測

12、工作。我 國臺灣省5地下水資源豐富，尤其在臺北盆地、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)問題，1966年區(qū)域地下水監(jiān)測網(wǎng)包括339 口地下水觀測井，由于經(jīng)費不足、井徑小、洗井效果不好、 觀測井的布設(shè)未配合水文地質(zhì)分層等問題，管理困難,監(jiān)測效果不佳，為此，臺灣省水利 局于1990年制訂 臺灣地區(qū)地下水觀測網(wǎng)整體計劃”從籌資、管理到監(jiān)測和數(shù)據(jù)分 析進行了全面的規(guī)劃。3地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化從投入產(chǎn)出的理論看，地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化就是用最少的投入，規(guī)劃能夠獲取滿足 要求的水文地質(zhì)信息的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，規(guī)劃內(nèi)容包括監(jiān)測井結(jié)構(gòu)、監(jiān)測井密度、 監(jiān)測井布局、監(jiān)測項目

13、、監(jiān)測頻率、監(jiān)測井級別、監(jiān)測方式、監(jiān)測記錄模板、監(jiān)測 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)。20世紀(jì)50年代,前蘇聯(lián)B.H.波波夫（1958以水文地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)給出地下水 動態(tài)的觀測及組織進行辦法6。60年代，國際科學(xué)水文協(xié)會IA SH（1965在加拿大的 魁北克和瑞士的伯爾尼（1966以觀測網(wǎng)規(guī)劃為主題召開學(xué)術(shù)討論會。70年代布朗等 （1972對確定區(qū)域觀測井網(wǎng)位置的原則和結(jié)果進行了討論2。聯(lián)合國糧農(nóng)組織在地下水污染（1979羅馬中詳細論述了設(shè)計地下水質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的

14、原理。80年代,科瓦列夫斯基（1982和戈德堡（1984對從某一區(qū)域觀測網(wǎng)獲得的觀測數(shù)據(jù)進行了討 論。R .H .布朗等（1983基于水文地質(zhì)分析法給出不同地區(qū)地下水觀測網(wǎng)的定位原 則。B.C.科瓦列夫斯基（1987從水文地質(zhì)分析法出發(fā)，概括了地下水監(jiān)測項目7。M arios S.,Ja mes E.P及 Olea R.A.（1982 用克立格方法研究了美國 Kansas州地下水觀測網(wǎng)設(shè)計,認(rèn)為可將現(xiàn)有的327 口觀測井減少至241 口，而不影響現(xiàn) 有觀測網(wǎng)獲取水文地質(zhì)信息的精度8。V an Br aekt和Rom ijn（1985把克立格方法 應(yīng)用于荷蘭G elderland省地下水位基礎(chǔ)觀

15、測網(wǎng)的設(shè)計9。周仰效（1989將克立格法 應(yīng)用于鄭州市地下水觀測網(wǎng)優(yōu)化研究10。 H.A丄oaiciga （1989開發(fā)出混合整數(shù)規(guī) 劃技術(shù)，用于地下水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化，使地下水動態(tài)網(wǎng)優(yōu)化與經(jīng)費總預(yù)算結(jié)合起來11,12。90年代,1990年美國地調(diào)局的T imo thy等利用?87?第2期戴長雷等：地下水監(jiān)測研究進展統(tǒng)計方法進行地下水水質(zhì)觀測網(wǎng)數(shù)量優(yōu)化研究，從估計精度與樣本數(shù)量大小之間存在的統(tǒng)計關(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個觀測點減少到99個11。宋儒、李俊亭等人（1991在格爾木河流域地下水觀 測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用了克立格方法13。仵彥卿等人（1992應(yīng)用克

16、立格方法進行陜 西兩華地區(qū)地下水觀測網(wǎng)的優(yōu)化，提出了地下水流系統(tǒng)確定一一隨機數(shù)值模型，研究 地下水動態(tài)觀測網(wǎng)密度、位置及頻率同時優(yōu)化設(shè)計問題，開發(fā)了適用于微型計算機的F EM K A L軟件包14。陳植華（2001應(yīng)用信息熵法進行河北平原區(qū)域地下水觀 測網(wǎng)的優(yōu)化研究，利用信息熵理論和技術(shù)來評價每一個觀測孔數(shù)據(jù)的信息含量大小，計算每一對觀測孔之間的信息傳遞大小，判斷空間上觀測孔的冗余性的基礎(chǔ)，最后的對比結(jié)果證明，即使將目前觀測孔的數(shù)量減少 26%后對現(xiàn)有觀測網(wǎng)提供信息的能力 幾乎沒有影響15,16。4結(jié)論與討論(1收集地下水信息的有組織的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，從地下水系統(tǒng)輸出信息中獲得 輸入，并通過濾

17、波、整合等過程將相關(guān)信息輸出到用戶手中 ，可以劃分為監(jiān)測網(wǎng)子系 統(tǒng)、濾波器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和交換機子系統(tǒng)。(2地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化的目標(biāo)是以最低費用來獲得滿足管理目標(biāo)的最有效的信 息。依據(jù)地下水觀測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)和經(jīng)費投入情況，選用不同的水文地質(zhì)分析 和數(shù)學(xué)模型定量化計算相結(jié)合的研究方法。優(yōu)化流程可以劃分為三步：確定效益目標(biāo)和投入約束；制訂備選方案；評價并優(yōu)選監(jiān)測方案。(3針對我國地下水監(jiān)測中存在的問題，結(jié)合國外的經(jīng)驗，建議加強如下五個方面 的工作:1全面優(yōu)化地下水監(jiān)測網(wǎng)，從布局上消除觀測冗余和不足，從井結(jié)構(gòu)和觀測方 式上提高監(jiān)測點提取地下水信息的能力；o提高基層監(jiān)測員的技能和酬勞，減少初級

18、 濾波誤差；?認(rèn)真落實地下水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的數(shù)據(jù)模板，增大不同時間、不同 地點監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的可比性;?加快地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建設(shè)步伐，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，分 階段實現(xiàn)，以期將全國不同時期海量的地下水監(jiān)測靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，并提供 基本的分析(如統(tǒng)計、報表等功能，二次濾波;?深入了解用戶潛在的信息需求，增加地 下水監(jiān)測內(nèi)容和服務(wù)項目，積極探索提高地下水監(jiān)測地位和價值的多種有效實現(xiàn)方 式。參考文獻：1以Y Bachmat地下水觀測計劃的管理M .水利部水文司譯 瑞士日內(nèi)瓦： 世界氣象組織秘書處，1992.22-27.2 R H布朗，等.地下水研究M .趙耿忠，葉壽征， 等譯.北京:學(xué)術(shù)書刊出版社

19、，1989.126-185.3周仰效.地下水監(jiān)測井網(wǎng)的基本概念與設(shè)計原理EB/OL .馮翠娥譯.見:http:/w w w.cig em.g ,2004.4 陳夢熊，馬鳳山.中國地下水資源與環(huán)境M . 北京:地震出版社，2002.470-476.5臺灣地下水觀測計畫EB/O L . 見:83,2004.6 蘇B H波波夫.地下水動態(tài)觀測的組織及進行辦法M .肖慶龍，等譯.北京： 地質(zhì)出版社,1958.74-112.7 蘇C科瓦列夫斯基.蘇聯(lián)地下水開發(fā)過程中的監(jiān)測A .見:水文地質(zhì)為人 類服務(wù)-國際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會18屆大會論文集C .北京:地質(zhì)出版社,19

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