地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)探究

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［摘要］根據(jù)秦皇島地區(qū)地質(zhì)水文地質(zhì)條件和淺層地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀，分析了該地區(qū)淺層地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及存在的不足。利用克里金插值法對(duì)平原區(qū)淺層地下孔隙水進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化前克里金方差介于200～6500之間，優(yōu)化后介于0．1～0．5之間，滿足規(guī)范要求，優(yōu)化后的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)有效控制了地下水時(shí)空動(dòng)態(tài)特征。

［關(guān)鍵詞］地下水水位;監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò);優(yōu)化設(shè)計(jì);秦皇島

隨著人們生活水平的提高，其環(huán)境意識(shí)不斷增強(qiáng)，水資源安全與環(huán)境保護(hù)也越來(lái)越受到重視［1］。秦皇島地區(qū)城市區(qū)以地表水為主要供水水源，而縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊生活用水、農(nóng)業(yè)用水和部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水以地下水為主要供水水源。由于地下水連年開采，導(dǎo)致地下水位降落漏斗、海水入侵、水質(zhì)污染等地質(zhì)環(huán)境問題日顯突出，而地下水監(jiān)測(cè)將有助于及時(shí)了解海水入侵發(fā)展趨勢(shì)、水質(zhì)污染發(fā)展?fàn)顩r，因此加強(qiáng)該地區(qū)地下水監(jiān)測(cè)和科學(xué)管理顯得尤為重要［1］。

1研究區(qū)概況

1．1地質(zhì)及水文地質(zhì)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(qū)，南部為平原區(qū)。低山丘陵區(qū)地面標(biāo)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(qū)地面標(biāo)高1～50m，平坦開闊，南部沿海有濱海平原分布。

1．1．2地質(zhì)條件京山鐵路以北出露地層主要為太古代的變質(zhì)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?guī)r等，中生代的火山巖、沉積巖等，新生代第四紀(jì)的砂、粉土、粉質(zhì)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(jì)松散巖類，且從北向南沉積厚度越來(lái)越大，昌黎平原最深達(dá)500多米。

1．1．3水文地質(zhì)條件根據(jù)本市地下水含水介質(zhì)、水動(dòng)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(zhì)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(cè)。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(tài)、沉積寬度、厚度、結(jié)構(gòu)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(qū)第四系沉積厚度大，按其地質(zhì)時(shí)代劃分了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)含水巖組，其地質(zhì)時(shí)代劃分別相當(dāng)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(cè)，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(jié)構(gòu)，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?guī)r是本區(qū)強(qiáng)含水層，水量較大。3)巖漿巖、變質(zhì)巖及碎屑巖類裂隙水含水巖組。分布在廣大的山區(qū)，根據(jù)含水巖組的結(jié)構(gòu)特征分為層狀裂隙水和網(wǎng)狀、脈狀裂隙水。層狀裂隙水賦存于長(zhǎng)城系、薊縣系和青白口系碎屑巖構(gòu)造裂隙中［2］，由于泥巖和砂巖呈互層狀產(chǎn)出，地下水往往具有承壓性。網(wǎng)狀、脈狀裂隙水在太古代變質(zhì)巖和元古代混合花崗巖構(gòu)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(fā)利用現(xiàn)狀

秦皇島市平原區(qū)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(qū)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(shù)地域?yàn)棰瘛ⅱ蚝畮r組，井深40m左右。本市山區(qū)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(qū)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2．1地下水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

秦皇島市地下水位監(jiān)測(cè)井級(jí)別分為三級(jí):國(guó)家級(jí)、省級(jí)和市級(jí);監(jiān)測(cè)井類型為機(jī)民井和溫泉，沒有專門監(jiān)測(cè)井和地下暗河。監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)156個(gè)，其中城市區(qū)48個(gè)，平原區(qū)83個(gè)，山區(qū)25個(gè)。淺層地下水監(jiān)測(cè)井分布圖1。地下水位監(jiān)測(cè)手段均為人工監(jiān)測(cè)，無(wú)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。國(guó)家及省級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為自測(cè)和委托觀測(cè)，分布于市區(qū)及附近的22眼觀測(cè)井為自測(cè)，委托群眾監(jiān)測(cè)井33眼，監(jiān)測(cè)頻率均為3次/月;市級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)101眼，為自測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率均為2次/年。秦皇島市平原區(qū)面積2133km2，2016年淺層地下孔隙水監(jiān)測(cè)井共有62眼，監(jiān)測(cè)井密度為2．9個(gè)/100km2，不滿足規(guī)范要求;山區(qū)面積5679km2，其中柳江盆地、燕河營(yíng)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(jiān)測(cè)井共有7眼，監(jiān)測(cè)井密度為2．46個(gè)/100km2，滿足規(guī)范的要求，其余5395km2，基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水監(jiān)測(cè)井有3眼，0．056個(gè)/100km2，不滿足規(guī)范要求。

2．2地下水監(jiān)測(cè)井優(yōu)化設(shè)計(jì)原則和方法

2．2．1設(shè)計(jì)原則區(qū)域地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:1)區(qū)域控制，監(jiān)測(cè)點(diǎn)(水井和泉)的布設(shè)應(yīng)有利于掌握整個(gè)區(qū)域的地下水位動(dòng)態(tài);2)點(diǎn)線結(jié)合，監(jiān)測(cè)點(diǎn)(水井和泉)的布設(shè)應(yīng)能夠反映含水層的分布特征與地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄規(guī)律、有利于識(shí)別地下水系統(tǒng)特征;3)分層監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)(水井和泉)的布設(shè)應(yīng)突出主要開采層及易于污染和支撐生態(tài)系統(tǒng)的淺層含水層;4)經(jīng)濟(jì)合理，監(jiān)測(cè)點(diǎn)(水井和泉)的布設(shè)應(yīng)符合區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的需求;5)監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度應(yīng)考慮水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度、含水層類型以及地下水開發(fā)利用程度等;6)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)頻率一般不小于1次/小時(shí)。非自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻率可進(jìn)行地下水位監(jiān)測(cè)頻率設(shè)計(jì)，一般為1次/月。

2．2．2設(shè)計(jì)方法根據(jù)區(qū)域地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范(DZ/T0271－2014)，在一般條件下，采用地下水動(dòng)態(tài)綜合分區(qū)圖法進(jìn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)。在已有監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度較高的地區(qū)，可在地下水動(dòng)態(tài)綜合分區(qū)圖法進(jìn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用克里金(Krig-ing)插值法對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

2．3地下水監(jiān)測(cè)井優(yōu)化布設(shè)

根據(jù)《區(qū)域地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范(DZ/T0271－2014)》，本地區(qū)山區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地下水開采程度低，區(qū)域地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)密度裂隙水為0．1個(gè)/100km2，孔隙水1．5個(gè)/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(zhì)條件中等，地下水開采程度高，孔隙水設(shè)計(jì)密度為2．5個(gè)/100km2，昌黎沖洪積平原和濱海平原水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水開采程度高，孔隙水設(shè)計(jì)密度為3．0個(gè)/100km2。運(yùn)用Arcgis計(jì)算全區(qū)平原淺層地下水的插值估計(jì)誤差的方差，介于200～6500之間，見圖2。新增淺層地下孔隙水監(jiān)測(cè)井85眼，加原有淺層監(jiān)測(cè)井共有147眼，見圖3。優(yōu)化全平原區(qū)淺層地下水監(jiān)測(cè)井，優(yōu)化后插值估計(jì)誤差方差介于0．1～0．5之間，見圖4。說(shuō)明優(yōu)化后平原區(qū)淺層地下水的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井滿足精度要求，布局合理。

2．4地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)

目前大多數(shù)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果評(píng)價(jià)都是采用克里金法，其原理是統(tǒng)計(jì)學(xué)理論中的克里金方差值越高，該區(qū)域克里金估計(jì)不確定性越大，說(shuō)明該區(qū)域需要增加監(jiān)測(cè)的密度，因此，克里金法能定量地評(píng)價(jià)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度的合理性，一個(gè)最優(yōu)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)計(jì)算的方差應(yīng)當(dāng)是最小的［3］［4］。經(jīng)計(jì)算，全區(qū)平原淺層地下水新監(jiān)測(cè)井網(wǎng)的克里金方差介于0．1～0．5之間，而原監(jiān)測(cè)井網(wǎng)的克里金方差介于200～6500之間，所以優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)井網(wǎng)明顯優(yōu)于原監(jiān)測(cè)井網(wǎng)。事實(shí)上，從監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量和分布圖來(lái)看，新監(jiān)測(cè)井網(wǎng)分布更加均勻，更能夠體現(xiàn)地下水運(yùn)移的空間連續(xù)性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也將更能滿足該地區(qū)地下水資源管理的要求［5］。設(shè)計(jì)新增山區(qū)基巖裂隙水監(jiān)測(cè)井3眼，碳酸鹽巖裂隙巖溶水監(jiān)測(cè)井2眼，加現(xiàn)有監(jiān)測(cè)井3眼共8眼，山區(qū)碳酸鹽巖面積411km2，基巖面積4984km2，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)井密度巖溶水為0．73個(gè)/100km2，基巖裂隙水為0．1/100km2，滿足規(guī)范要求。

3結(jié)語(yǔ)

(1)基于秦皇島地區(qū)地質(zhì)水文地質(zhì)條件和地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀，優(yōu)化設(shè)計(jì)了該地區(qū)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化后的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)有效控制了地下水時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，綜合考慮了含水系統(tǒng)分布特征和主要水環(huán)境問題的監(jiān)測(cè)需求。(2)采用克里金插值法，按照動(dòng)態(tài)分區(qū)法布設(shè)監(jiān)測(cè)井的原則，在平原區(qū)設(shè)計(jì)布設(shè)85眼淺層地下水監(jiān)測(cè)井;按照動(dòng)態(tài)分區(qū)法布設(shè)監(jiān)測(cè)井的原則，設(shè)計(jì)山區(qū)基巖裂隙水監(jiān)測(cè)井3眼，碳酸鹽巖裂隙巖溶水監(jiān)測(cè)井2眼。(3)國(guó)家級(jí)監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)頻率為1次/5天;省級(jí)監(jiān)測(cè)井10個(gè)在5－7月份監(jiān)測(cè)頻率為1次/5天，其余為1次/10天;市級(jí)監(jiān)測(cè)井為2次/年。新設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)頻率按照規(guī)范要求采用非自動(dòng)化監(jiān)測(cè)時(shí)，為1次/月。

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作者：程建雄 郝文輝 回廣榮 貢長(zhǎng)青 單位：河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院