從管理角度淺析地下水監(jiān)測(cè)資料時(shí)空代表性——以疏勒河昌馬灌區(qū)為例

曲 煒 ，薛 洋 ，敖 菲 ，李亞林

（1.水利部水資源管理中心，100053，北京；2.北京中水江源地下水保護(hù)利用研究所，100053，北京；3.甘肅省疏勒河流域管理局，735211，玉門）

地下水水位狀態(tài)是氣象、水文、地質(zhì)、人為等各類要素的綜合反應(yīng)，它不僅反應(yīng)了地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件的隨機(jī)變化過(guò)程，同時(shí)也是衡量地下水資源開發(fā)利用合理與否的重要指標(biāo)。而描述地下水水位狀態(tài)是通過(guò)自動(dòng)或人工監(jiān)測(cè)手段，對(duì)監(jiān)測(cè)井水位變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，它反映區(qū)域內(nèi)地下水水位受自然、人為雙重因素影響下的結(jié)果，它是地下水資源管理工作的信息來(lái)源和決策依據(jù)，也是正確分析地下水資源量、合理開發(fā)利用地下水、優(yōu)化配置水資源必不可少的環(huán)節(jié)。因此，從時(shí)間和空間維度上對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)資料的分析，是為了在地下水管理經(jīng)費(fèi)不足、人員有限的條件下，合理利用現(xiàn)有監(jiān)測(cè)工具，在滿足地下水管理需求的前提下，盡量減少監(jiān)測(cè)井的建設(shè)投入和監(jiān)測(cè)頻次，這樣既滿足了工作要求又減少了經(jīng)濟(jì)、人員投入，并能為水利部提出的地下水水位管理與總量控制“雙控”管理工作做好基礎(chǔ)支撐。

一、灌區(qū)概況及監(jiān)測(cè)井選取

1.灌區(qū)概況

疏勒河昌馬灌區(qū)位于甘肅省河西走廊西部疏勒河流域中游地區(qū)，遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，是流域內(nèi)重要的農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)。本區(qū)在氣候上屬于暖溫帶干旱區(qū)，氣候的基本特點(diǎn)為：降水少，蒸發(fā)大，干燥度高；冬季寒冷，夏季炎熱；晝夜溫差大，光熱資源豐富；多大風(fēng)和沙塵暴。根據(jù)玉門鎮(zhèn)氣象站多年氣象資料統(tǒng)計(jì)分析，多年平均氣溫6.9℃，降水量為63.4 mm/a，蒸發(fā)量為2 897.7 mm/a。

昌馬灌區(qū)為一完整的盆地，四周群山環(huán)繞，南為祁連山，西有北截山，北有橋?yàn)潮鄙?、飲馬北山，東為干峽。盆地內(nèi)地形平坦開闊，地勢(shì)南高北低，南部為昌馬洪積扇，中北部為細(xì)土平原。疏勒河是區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的河流，沿昌馬洪積扇東部邊緣呈南北向，進(jìn)入細(xì)土平原后又呈東西向，向西流入雙塔水庫(kù)。昌馬灌區(qū)控制面積3 330km2，可耕地 110萬(wàn)畝（1 hm2=15畝，下同），灌溉面積 68.9萬(wàn)畝,主要以地表水灌溉為主、地下水灌溉為輔，灌區(qū)內(nèi)布設(shè)32眼地下水監(jiān)測(cè)井，自2001年開始監(jiān)測(cè)。

2.監(jiān)測(cè)井選取

昌馬灌區(qū)分布的32眼地下水監(jiān)測(cè)井中，以數(shù)據(jù)一致性、連續(xù)性和完整性為原則，選擇均勻分布于垂直于洪積扇的斷面Ⅰ和斷面Ⅱ上，且平行洪積扇軸部的8眼監(jiān)測(cè)井。這8眼監(jiān)測(cè)井在昌馬灌區(qū)呈“井”字形分布，其中，斷面Ⅰ和斷面Ⅱ分別距沖洪積扇頂部距離為32.2km和41.8km。由此可見，這8眼監(jiān)測(cè)井主要分布在細(xì)土平原區(qū)。

二、地下水監(jiān)測(cè)資料空間代表性

在進(jìn)行地下水水位變化趨勢(shì)（年際或年內(nèi)變化）研究中，通常有兩種監(jiān)測(cè)井的選取方法：一是在監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量較多且分布均勻的情況下，按照一定原則或規(guī)范(《地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》等)，均勻選擇分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)井，再以所選監(jiān)測(cè)井地下水水位數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值（均值）作為區(qū)域地下水變化研究的指標(biāo)；二是在監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量有限的情況下，選擇具有代表性的單井?dāng)?shù)據(jù)作為區(qū)域地下水研究指標(biāo)（單井）。本文按照這兩種方法對(duì)疏勒河昌馬灌區(qū)已選定的8眼監(jiān)測(cè)井2002—2010年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，了解監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在空間分布上的代表性。

1.年際變化趨勢(shì)

對(duì)所選取的8眼監(jiān)測(cè)井2002—2010年各單井水位埋深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，所得各年度算術(shù)平均值與各單井水位埋深進(jìn)行比較分析，找尋算術(shù)平均值與單井水位埋深變化規(guī)律（如圖1所示），并分析昌馬灌區(qū)地下水水位年際變化情況。

由圖1可以看出，以8眼監(jiān)測(cè)井地下水水位年平均埋深（均值）作為指標(biāo)來(lái)看，在研究時(shí)段內(nèi)，昌馬灌區(qū)地下水水位埋深自2002年至2007年逐漸增大，2007年后埋深逐年減小，2007年的地下水水位埋深值在該時(shí)段內(nèi)達(dá)到最大。同時(shí)，從圖1可發(fā)現(xiàn)，8眼監(jiān)測(cè)井中，除了分布于斷面Ⅱ的Ⅱ-3監(jiān)測(cè)井外，其余7眼監(jiān)測(cè)井的水位埋深（單井）年際變動(dòng)趨勢(shì)較為一致，與年平均埋深（均值）變化趨勢(shì)也較為一致。Ⅱ-3監(jiān)測(cè)井位于灌區(qū)中部，沖洪積扇邊緣，其地下水賦存和補(bǔ)徑排條件不能很好代表灌區(qū)整體情況。由此可見，以8眼監(jiān)測(cè)井地下水水位年平均埋深和單井水位埋深來(lái)表征昌馬灌區(qū)地下水水位多年變化情況，其年際變化趨勢(shì)基本相同。這一研究結(jié)論，解決了監(jiān)測(cè)井布設(shè)較為稀疏區(qū)域的地下水水位管理難題。在這類區(qū)域，可以用單井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映區(qū)域地下水水位變化趨勢(shì)，只是以單井地下水水位變幅代表區(qū)域水位變幅，其精度很難滿足研究的需要，但能滿足地下水管理需求。

2.年內(nèi)變化特征

對(duì)8眼監(jiān)測(cè)井2002—2010年地下水水位埋深每年逐月進(jìn)行年平均（均值）和單井逐月年平均，如圖2所示。8眼監(jiān)測(cè)井地下水水位埋深平均值隨月份變化趨勢(shì)不明顯，若要找尋規(guī)律的話，大致在5—10月，水位埋深呈下降趨勢(shì)，11月—翌年4月，水位略有回升，埋深減小。以單眼監(jiān)測(cè)井逐月水位變動(dòng)趨勢(shì)看，8眼監(jiān)測(cè)井的多年年內(nèi)地下水水位埋深變化各有不同，水位達(dá)到最低值及回升的時(shí)間不相一致，可知地下水水位埋深在年內(nèi)的變化趨勢(shì)，因監(jiān)測(cè)井位置的不同而存在較大差異。

圖1 昌馬灌區(qū)地下水水位埋深多年變化趨勢(shì)圖

圖2 昌馬灌區(qū)地下水埋深多年月平均變化曲線

圖3 昌馬灌區(qū)3月份（2002—2010年）地下水水位埋深變化趨勢(shì)

圖4 昌馬灌區(qū)2002—2010年地下水水位埋深年均值與時(shí)刻均值變化趨勢(shì)對(duì)比圖

由此可見，在分析灌區(qū)地下水水位埋深多年年內(nèi)變化趨勢(shì)時(shí)，多井平均埋深與單井平均埋深的變化趨勢(shì)不同。

三、地下水監(jiān)測(cè)資料時(shí)間代表性

在地下水水位年際變化研究中，一般有兩種數(shù)據(jù)選擇方法：一是以監(jiān)測(cè)井年平均數(shù)據(jù)作為研究指標(biāo)，二是在研究時(shí)段內(nèi)，選取監(jiān)測(cè)井每年某一特定時(shí)刻的水位數(shù)據(jù)作為研究指標(biāo)。由于3月份受降水等氣象因素影響大，地下水開采等人為因素影響較小，故常選取每年3月份的水位值作為年內(nèi)特定時(shí)刻的水位指標(biāo)。

在地下水水位年內(nèi)變化研究中，一般有兩種數(shù)據(jù)選擇方法：一是以研究時(shí)段內(nèi)多年月平均水位數(shù)據(jù)作為指標(biāo)進(jìn)行，二是選取典型年份逐月水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.年際變化趨勢(shì)

昌馬灌區(qū)2002—2010年8眼地下水監(jiān)測(cè)井每年3月份地下水水位埋深如圖3所示。監(jiān)測(cè)井3月份的水位埋深均值與各單井3月份水位埋深變化趨勢(shì)較為一致。同時(shí)，對(duì)比8眼監(jiān)測(cè)井地下水水位年平均埋深和各監(jiān)測(cè)井每年3月份地下水水位埋深（見圖4），兩者地下水水位埋深變化也較為一致，同在2007年水位埋深出現(xiàn)拐點(diǎn)，且埋深數(shù)值較為接近。由此可以看出，以年平均地下水水位埋深數(shù)據(jù)和以時(shí)刻點(diǎn)地下水位埋深數(shù)據(jù)均可以表征研究區(qū)的地下水水位埋深的年際變化趨勢(shì)。因此，對(duì)于監(jiān)測(cè)井而言，若不是擬合監(jiān)測(cè)井水位變化與自然或人為影響因素之間的關(guān)系，僅僅作為地下水管理的依據(jù)，其監(jiān)測(cè)頻次可以降低到每年一次，即在每年3月份的某一時(shí)段監(jiān)測(cè)地下水水位值，以該水位值作為該區(qū)域當(dāng)年地下水水位值，這樣既減少了監(jiān)測(cè)工作量又滿足地下水管理需求。

2.年內(nèi)變化特征

在對(duì)昌馬灌區(qū)近十年地下水水位年內(nèi)變化分析時(shí)，分別以8眼監(jiān)測(cè)井地下水水位2002—2010年期間逐月平均值（見圖2）和2002年與 2010年年內(nèi)地下水水位埋深作為指標(biāo)進(jìn)行分析，如圖5所示。從圖5中可以看出，以8眼監(jiān)測(cè)井地下水水位年平均埋深作為指標(biāo)來(lái)看，在研究時(shí)段內(nèi)，Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3監(jiān)測(cè)井的水位年內(nèi)隨季節(jié)變化幅度較大，而其余監(jiān)測(cè)井地下水水位年內(nèi)隨季節(jié)變化幅度不顯著。同時(shí)，可以看出，以2002年和2010年為典型年的年內(nèi)變化研究中可以看出，除Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅱ-2監(jiān)測(cè)井外，在兩個(gè)典型年內(nèi)，其余監(jiān)測(cè)井地下水水位埋深的年內(nèi)變化基本相同，且與多年年內(nèi)地下水水位變化趨勢(shì)基本一致。

綜上所述，在灌區(qū)年內(nèi)變化研究中，多年年內(nèi)變化趨勢(shì)與典型年年內(nèi)變化趨勢(shì)基本相同。

四、結(jié) 論

①在區(qū)域地下水水位年際變化趨勢(shì)分析中，采用區(qū)域多個(gè)監(jiān)測(cè)井地下水水位平均埋深和具有代表性的單井水位埋深，其年際變化趨勢(shì)基本相同，故選擇具有代表性的監(jiān)測(cè)井，以其水位變化情況代表監(jiān)測(cè)區(qū)域地下水水位變化情況，可以有效減少監(jiān)測(cè)井的數(shù)量和監(jiān)測(cè)時(shí)間，減少經(jīng)濟(jì)和人力投入。采用區(qū)域年平均地下水水位埋深和固定時(shí)刻點(diǎn)地下水水位埋深的年際變化趨勢(shì)基本相同，可以有效減少監(jiān)測(cè)頻率，節(jié)約大量的監(jiān)測(cè)成本?？傊瑢?duì)非研究性的地下水水位管理而言，可以用單井地下水水位動(dòng)態(tài)代表區(qū)域水位動(dòng)態(tài)，可以用時(shí)刻點(diǎn)的水位值代表全年水位變化情況。

②在灌區(qū)地下水水位年內(nèi)變化研究中，由于灌區(qū)地質(zhì)條件、水文條件的不同，監(jiān)測(cè)井的空間分布很大程度影響了其接受補(bǔ)給和涵養(yǎng)的速率，所以在分析區(qū)域地下水多年平均年內(nèi)變化趨勢(shì)時(shí)，在土壤質(zhì)地均一、水文條件類似的區(qū)域，選擇具有代表性的單井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇典型年份進(jìn)行年內(nèi)分析，可以有效地減少地下水的監(jiān)測(cè)成本。

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