地下水监测网络优化设计探究

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［摘要］根据秦皇岛地区地质水文地质条件和浅层地下水开发利用现状，分析了该地区浅层地下水监测现状及存在的不足。利用克里金插值法对平原区浅层地下孔隙水进行地下水监测网络优化设计，优化前克里金方差介于200～6500之间，优化后介于0．1～0．5之间，满足规范要求，优化后的地下水监测网络有效控制了地下水时空动态特征。

［关键词］地下水水位;监测网络;优化设计;秦皇岛

随着人们生活水平的提高，其环境意识不断增强，水资源安全与环境保护也越来越受到重视［1］。秦皇岛地区城市区以地表水为主要供水水源，而县城、乡镇、村庄生活用水、农业用水和部分乡镇企业用水以地下水为主要供水水源。由于地下水连年开采，导致地下水位降落漏斗、海水入侵、水质污染等地质环境问题日显突出，而地下水监测将有助于及时了解海水入侵发展趋势、水质污染发展状况，因此加强该地区地下水监测和科学管理显得尤为重要［1］。

1研究区概况

1．1地质及水文地质条件

1．1．1地形地貌秦皇岛市地形北高南低，以50m等高线界定，北部为低山丘陵区，南部为平原区。低山丘陵区地面标高一般在50～600m，海拔在1000m以上的山峰有都山、祖山等4座，最高峰为都山，海拔1846m［2］。平原区地面标高1～50m，平坦开阔，南部沿海有滨海平原分布。

1．1．2地质条件京山铁路以北出露地层主要为太古代的变质岩，中－上元古代的碳酸盐岩及碎屑岩、粘土岩等，古生代的碳酸盐岩、碎屑岩夹灰岩等，中生代的火山岩、沉积岩等，新生代第四纪的砂、粉土、粉质粘土等松散岩类零星分布在河流沟谷、山间盆地，沉积厚度薄。京山铁路以南出露地层主要为新生代第四纪松散岩类，且从北向南沉积厚度越来越大，昌黎平原最深达500多米。

1．1．3水文地质条件根据本市地下水含水介质、水动力特征、赋存形式及埋藏条件的不同，将地下水划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、岩浆岩、变质岩及碎屑岩类裂隙水三种类型。1)松散岩类孔隙水含水岩组。主要分布于广大的平原及山间盆地，山间河谷两侧。岩性为第四系冲洪积的粘土、砂、砾卵石等。在盆地及山间河谷地带，地下水的赋存受盆地的大小、河谷形态、沉积宽度、厚度、结构等控制。含水层厚度一般为2～10m，水位埋深1～4m，水量较小。平原区第四系沉积厚度大，按其地质时代划分了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个含水岩组，其地质时代划分别相当于Q4、Q3、Q2、Q1。2)碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组。碳酸盐岩类裂隙岩溶水可分为裸露型和覆盖型。裸露型岩溶水主要分布在柳江盆地河谷两侧，水量较大，水位埋深5～80m不等。覆盖型岩溶水主要分布于柳江盆地石门寨附近，含水层多为双重结构，上部为松散岩类孔隙水，下部为岩溶裂隙水，寒武系、奥陶系灰岩是本区强含水层，水量较大。3)岩浆岩、变质岩及碎屑岩类裂隙水含水岩组。分布在广大的山区，根据含水岩组的结构特征分为层状裂隙水和网状、脉状裂隙水。层状裂隙水赋存于长城系、蓟县系和青白口系碎屑岩构造裂隙中［2］，由于泥岩和砂岩呈互层状产出，地下水往往具有承压性。网状、脉状裂隙水在太古代变质岩和元古代混合花岗岩构造裂隙中，含水比较均匀，多呈潜水类型，富水性差［2］。

1．2浅层地下水开发利用现状

秦皇岛市平原区浅层水利用段为第四系含水层的第Ⅰ含水组和第Ⅱ含水组，开采起止深度为3．11～80m。本区平原由滦河、饮马河、洋河、戴河、汤河以及石河冲洪积扇组成。滦河、饮马河冲洪积扇顶部利用含水层位以第Ⅰ含水组为主，井深30余m，冲洪积扇中、下部以第Ⅰ、Ⅱ含水组为主，井深100m左右。在洋河、戴河、汤河、石河冲洪积扇顶部利用层位多为第Ⅰ含水岩组，井深20余m，冲洪积扇中、下部仍以第Ⅰ含水层为主，少数地域为Ⅰ、Ⅱ含水岩组，井深40m左右。本市山区浅层水主要分布在河流两岸及沟谷地带，第四系含水层主要为砂砾卵石，厚度多小于10m，开采方式以大口井为主。

2平原区地下水监测网络优化设计

2．1地下水监测现状

秦皇岛市地下水位监测井级别分为三级:国家级、省级和市级;监测井类型为机民井和温泉，没有专门监测井和地下暗河。监测点共计156个，其中城市区48个，平原区83个，山区25个。浅层地下水监测井分布图1。地下水位监测手段均为人工监测，无自动监测。国家及省级监测点为自测和委托观测，分布于市区及附近的22眼观测井为自测，委托群众监测井33眼，监测频率均为3次/月;市级监测点101眼，为自测，监测频率均为2次/年。秦皇岛市平原区面积2133km2，2016年浅层地下孔隙水监测井共有62眼，监测井密度为2．9个/100km2，不满足规范要求;山区面积5679km2，其中柳江盆地、燕河营盆地、卢龙盆地和青龙河支流河谷面积283．96km2，2016年浅层地下孔隙水监测井共有7眼，监测井密度为2．46个/100km2，满足规范的要求，其余5395km2，基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水监测井有3眼，0．056个/100km2，不满足规范要求。

2．2地下水监测井优化设计原则和方法

2．2．1设计原则区域地下水位监测网设计应遵循以下原则:1)区域控制，监测点(水井和泉)的布设应有利于掌握整个区域的地下水位动态;2)点线结合，监测点(水井和泉)的布设应能够反映含水层的分布特征与地下水的补给、径流、排泄规律、有利于识别地下水系统特征;3)分层监测，监测点(水井和泉)的布设应突出主要开采层及易于污染和支撑生态系统的浅层含水层;4)经济合理，监测点(水井和泉)的布设应符合区域经济社会发展水平和对监测数据的需求;5)监测点密度应考虑水文地质条件复杂程度、含水层类型以及地下水开发利用程度等;6)全自动监测频率一般不小于1次/小时。非自动化监测频率可进行地下水位监测频率设计，一般为1次/月。

2．2．2设计方法根据区域地下水位监测网设计规范(DZ/T0271－2014)，在一般条件下，采用地下水动态综合分区图法进行监测网设计。在已有监测网密度较高的地区，可在地下水动态综合分区图法进行监测网设计的基础上，采用克里金(Krig-ing)插值法对监测网密度进一步优化调整。

2．3地下水监测井优化布设

根据《区域地下水位监测网设计规范(DZ/T0271－2014)》，本地区山区水文地质条件简单，地下水开采程度低，区域地下水监测网设计密度裂隙水为0．1个/100km2，孔隙水1．5个/100km2，昌黎山前冲洪积平原和卢龙南部平原、洋河、戴河、汤河、石河山前冲洪积平原水文地质条件中等，地下水开采程度高，孔隙水设计密度为2．5个/100km2，昌黎冲洪积平原和滨海平原水文地质条件复杂，地下水开采程度高，孔隙水设计密度为3．0个/100km2。运用Arcgis计算全区平原浅层地下水的插值估计误差的方差，介于200～6500之间，见图2。新增浅层地下孔隙水监测井85眼，加原有浅层监测井共有147眼，见图3。优化全平原区浅层地下水监测井，优化后插值估计误差方差介于0．1～0．5之间，见图4。说明优化后平原区浅层地下水的长期监测井满足精度要求，布局合理。

2．4地下水监测网络优化效果评价

目前大多数地下水监测网络优化效果评价都是采用克里金法，其原理是统计学理论中的克里金方差值越高，该区域克里金估计不确定性越大，说明该区域需要增加监测的密度，因此，克里金法能定量地评价地下水监测网密度的合理性，一个最优的监测网计算的方差应当是最小的［3］［4］。经计算，全区平原浅层地下水新监测井网的克里金方差介于0．1～0．5之间，而原监测井网的克里金方差介于200～6500之间，所以优化后的监测井网明显优于原监测井网。事实上，从监测井数量和分布图来看，新监测井网分布更加均匀，更能够体现地下水运移的空间连续性，监测数据也将更能满足该地区地下水资源管理的要求［5］。设计新增山区基岩裂隙水监测井3眼，碳酸盐岩裂隙岩溶水监测井2眼，加现有监测井3眼共8眼，山区碳酸盐岩面积411km2，基岩面积4984km2，设计监测井密度岩溶水为0．73个/100km2，基岩裂隙水为0．1/100km2，满足规范要求。

3结语

(1)基于秦皇岛地区地质水文地质条件和地下水开发利用现状，优化设计了该地区地下水监测网络，优化后的地下水监测网络有效控制了地下水时空动态特征，综合考虑了含水系统分布特征和主要水环境问题的监测需求。(2)采用克里金插值法，按照动态分区法布设监测井的原则，在平原区设计布设85眼浅层地下水监测井;按照动态分区法布设监测井的原则，设计山区基岩裂隙水监测井3眼，碳酸盐岩裂隙岩溶水监测井2眼。(3)国家级监测井监测频率为1次/5天;省级监测井10个在5－7月份监测频率为1次/5天，其余为1次/10天;市级监测井为2次/年。新设计监测井监测频率按照规范要求采用非自动化监测时，为1次/月。

参考文献

［1］郑王琼．雷州半岛地下水监测网络优化设计．安全与环境工程．2017－24(01):95－99．

［2］谢亚琼，杜立新，等．河北省秦皇岛市地质环境监测报告(2006－2010年)．

［3］周仰效，李文鹏．区域地下水位监测网优化设计方法．水文地质工程地质．2007．1．

［4］郭燕莎，王劲峰，殷秀兰．地下水监测网优化方法研究综述．地理科学进展．2011．09．(30)．9．

［5］郝文辉，杨立顺，回广荣，等．秦皇岛市地下水地质环境监测网络优化方案．2017．1．

作者：程建雄 郝文辉 回广荣 贡长青 单位：河北省区域地质调查院