我國地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)方法研究綜述

李 陽，周金龍，2，3，徐 東

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052;2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061;3.中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074;4.中國水利水電第十六工程局有限公司，福建福州350003)

地下水資源是我國可利用水資源中極為重要的組成部分，隨著社會發(fā)展，地下水受到嚴(yán)重污染，對社會生產(chǎn)生活造成了不良影響[1，2]。為了監(jiān)測地下水動態(tài)變化，我國建設(shè)大面積的地下水監(jiān)測網(wǎng)對地下水位、水質(zhì)等進行監(jiān)測研究。而由于起步較晚，相關(guān)技術(shù)規(guī)范和法律法規(guī)還不完善，導(dǎo)致我國地下水監(jiān)測網(wǎng)存在監(jiān)測站點設(shè)置不合理、站網(wǎng)密度較低、監(jiān)測手段落后、人力物力資源浪費等亟待解決的問題[3，4]。為了改善這種狀況，應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)有地下水監(jiān)測網(wǎng)進行優(yōu)化布設(shè)，合理利用資源。

1 地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化方法

地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計要求利用盡量少的資源投入來獲得足夠精度要求的水文地質(zhì)信息，以此為準(zhǔn)則優(yōu)化地下水動態(tài)監(jiān)測井網(wǎng)布設(shè)[5]。目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的優(yōu)化方法主要是水文地質(zhì)分析法、克里格法、信息熵法、聚類分析法以及BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等[6]。

1.1 水文地質(zhì)分析法

水文地質(zhì)分析法是地下水監(jiān)測井網(wǎng)優(yōu)化的基礎(chǔ)方法，此方法是根據(jù)監(jiān)測區(qū)內(nèi)實際氣象、水文地質(zhì)條件以及人為活動等因素對區(qū)域進行動態(tài)疊加和劃分，并對過往監(jiān)測數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地下水位及水質(zhì)的動態(tài)變化特征進行分析，最終定性地確定出地下水監(jiān)測網(wǎng)中合理的監(jiān)測井?dāng)?shù)[6，7]。常用的水文地質(zhì)分析法是地下水動態(tài)類型編圖法和地下水污染風(fēng)險編圖法。

地下水動態(tài)類型編圖法適用于地下水水位監(jiān)測網(wǎng)密度優(yōu)化設(shè)計。氣象、水文、地質(zhì)和人類活動等諸多因素都會對地下水水位產(chǎn)生影響[8]，將這些因素進行疊加，在空間上劃分出不同的動態(tài)類型區(qū)，其中一個類型區(qū)與一種水位時空變化相對應(yīng)，劃分出不同類型的地下水動態(tài)后，應(yīng)當(dāng)保證每個類型的地下水動態(tài)分區(qū)中應(yīng)至少布設(shè)一個監(jiān)測井，這樣可以確保監(jiān)測到所有不同水位的動態(tài)變化[9]，同時根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合經(jīng)驗和當(dāng)?shù)貙嶋H情況確定具體監(jiān)測井的數(shù)目。

地下水污染風(fēng)險編圖法適用于地下水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)密度優(yōu)化設(shè)計。在應(yīng)用該方法時，首先應(yīng)當(dāng)對監(jiān)測區(qū)內(nèi)地下水的易污性評價、污染源分級及污染風(fēng)險評價三個方面進行考慮分析，然后將地下水的價值圖與易污性圖疊加構(gòu)成地下水保護緊迫性圖，再將其與地下水污染源分級圖疊加形成地下水污染風(fēng)險圖，最后按風(fēng)險性大小和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來計算合適的地下水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)密度[10]。

1.2 克里格法

克里格法(Kriging)又稱克里金法，Kriging一詞是由法國地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)家Matheorn首次提出的，以紀(jì)念南非礦業(yè)工程師(D.G.Krige)，在1951年首次將統(tǒng)計學(xué)技術(shù)應(yīng)用到地礦評估中[11]?？死锔癫逯捣ㄊ歉鶕?jù)區(qū)域內(nèi)已知點觀測值對未觀測點進行無偏估計，是一種求最優(yōu)線性無偏內(nèi)插估計量的方法[12]。

克里格插值法作為目前地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計最為常用方法之一，可用于評價及優(yōu)化地下水監(jiān)測井網(wǎng)密度。該方法在優(yōu)化過程中將克里格插值誤差的標(biāo)準(zhǔn)差作為評定監(jiān)測網(wǎng)密度的標(biāo)準(zhǔn)，因此優(yōu)化過程僅與實測值無關(guān)，僅與監(jiān)測井的位置和數(shù)量等因素有關(guān)，可以預(yù)先設(shè)計監(jiān)測網(wǎng)密度進行優(yōu)化[13]。最終得到的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)計算出的方差是最小的。

在運用克里格法進行優(yōu)化設(shè)計時，將現(xiàn)有地下水監(jiān)測區(qū)域進行矩形剖分，當(dāng)矩形相鄰兩邊長取不同值時就得到不同的標(biāo)準(zhǔn)克里格偏差值，以監(jiān)測孔密度為 X軸，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 Y軸組成的曲線圖構(gòu)成密度圖。密度圖上的拐點就是最優(yōu)化點，可以確定監(jiān)測區(qū)域的剖分網(wǎng)格，相應(yīng)的監(jiān)測孔數(shù)就是需要的最優(yōu)化監(jiān)測孔數(shù)量，并且根據(jù)實際情況進行調(diào)整，直到形成符合要求的最優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[14]。目前基于估計誤差的平均Kriging標(biāo)準(zhǔn)差與樣本點數(shù)構(gòu)成的密度圖來設(shè)計監(jiān)測井?dāng)?shù)和監(jiān)測網(wǎng)布局是克里格插值法應(yīng)用的主要方向[15]。

國內(nèi)許多學(xué)者[13－17]利用克里格法對現(xiàn)有地下水監(jiān)測井網(wǎng)進行了優(yōu)化配置。宋儒利用泛Kriging法對30個實測點和45個未知點的地下水位線性進行無偏最優(yōu)估計，通過對比多個方案，分析其估計誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，實現(xiàn)了對格爾木河流域地下水位動態(tài)觀測網(wǎng)的優(yōu)化配置[16]。郭占榮等對普通克里格法在觀測井網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用思路和實現(xiàn)方法進行了論述，并對河北平原部分區(qū)域562口水位觀測孔進行了優(yōu)化，剔除現(xiàn)有觀測孔131口，新增觀測孔27口，優(yōu)化后的地下水觀測井網(wǎng)可以達(dá)到要求的水文地質(zhì)信息精度[17]。

1.3 信息熵法

隨機信號中所包含信息量大小的評價標(biāo)準(zhǔn)即是信息熵，它是根據(jù)隨機信號出現(xiàn)的概率大小對信號中所含信息量進行度量。地下水觀測孔信息熵的實際意義是:某觀測孔記錄的歷史觀測數(shù)據(jù)是一系列隨機信號，若地下水位處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)是一種確定性事件，觀測孔沒有提供新的不確定信息，其信息熵為零;如果該觀測點的水位或水質(zhì)出現(xiàn)變化，觀測數(shù)據(jù)可能分布在不同概率區(qū)間，此時觀測數(shù)據(jù)包含新的不確定信息，其信息熵有變化。監(jiān)測要素變化越大，說明該點地下水變化動態(tài)的非確定性越大，其信息熵也越大，為研究不同地下水水位及水質(zhì)變化，這種觀測孔也更具有持續(xù)觀測的價值。因此，信息熵的大小可以反映出觀測孔提供信息的能力[18]。

信息熵法計算簡單快捷，更易實現(xiàn)，效果優(yōu)于最小二乘法、概率權(quán)重距法及累計量法等其他傳統(tǒng)的參數(shù)估計方法[19]。因此，信息熵法在水文水資源領(lǐng)域得到了廣泛深入的應(yīng)用。2001年，陳植華和丁國平根據(jù)水位信號衰減與距離的統(tǒng)計關(guān)系來確定適宜旳站網(wǎng)密度，并通過站點間的互信息T來判斷冗余站點，分析刪點前后站點空間插值形成的地下水位形態(tài)所產(chǎn)生的變化，證明刪除站點后幾乎沒有損失站網(wǎng)信息[18]。2002 年，Singh 和 Mogheir[20]引進信息熵理論，利用信息熵等值線圖的平均值來評價一個地下水監(jiān)測站網(wǎng)，該方法的觀點是信息熵值最低的地點提供的信息最為穩(wěn)定，應(yīng)該作為優(yōu)先監(jiān)測區(qū)。

1.4 聚類分析法

聚類分析也稱為群分析、簇群分析等，是數(shù)值分析學(xué)的一個分支，它將多元統(tǒng)計的理論應(yīng)用于分類。聚類簡單的說就是從數(shù)據(jù)集中找出相似的數(shù)據(jù)并組成不同的簇[21]，同一簇中的對象盡可能相似，而不同簇中的對象盡可能相異。聚類分析法在應(yīng)用于實際監(jiān)測井網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計時，將監(jiān)測區(qū)地下水水質(zhì)指標(biāo)作為變量進行聚類分析，可識別出具有相同或相似水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測井，或者污染濃度超標(biāo)與否的監(jiān)測井，從而可以找到特征相同或相近的一類井，這類井被認(rèn)為能夠相互替代，不同聚類井之間特征是相異的，被認(rèn)為是需要保留的[22]，再結(jié)合監(jiān)測區(qū)域內(nèi)實際情況，選出有代表性的監(jiān)測井構(gòu)成新的監(jiān)測井網(wǎng)即可達(dá)到優(yōu)化布設(shè)目的。

國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用聚類分析法進行了諸多成功的優(yōu)化實例。李勁等人利用聚類分析法(Q型)對河南安陽市地下水監(jiān)測點進行優(yōu)化設(shè)計，在遵循同類代替、兼顧各類、照應(yīng)斷面、特情補設(shè)、重點突出、點位連續(xù)等前提下，成功優(yōu)化了原有的監(jiān)測井點，取消了冗余觀測井[23]。魏明亮等人首先利用模糊聚類分析方法對某水電站壩址區(qū)地下水質(zhì)監(jiān)測點進行聚類，然后再結(jié)合各聚類中不同水化學(xué)類型的監(jiān)測點到對應(yīng)聚類中心的距離，提出了水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化方案;結(jié)果表明，模糊聚類分析可以在壩址地下水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化中應(yīng)用，并且所得結(jié)果較為細(xì)致、準(zhǔn)確[24]。

1.5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是采用誤差反向傳播算法的多層前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布式信息存儲方式、大規(guī)模并行處理、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)性等明顯特點[25]。運用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對地下水監(jiān)測井網(wǎng)評價優(yōu)化具有處理復(fù)雜問題的能力較強、通用性較好等優(yōu)點。

李祚泳等人運用訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)對某地地下水水質(zhì)監(jiān)測點進行優(yōu)選。結(jié)果表明使用BP網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化具有簡單、實用和客觀性好的特點，同時發(fā)現(xiàn)BP網(wǎng)絡(luò)建立的優(yōu)化選點模型相對于其它一些優(yōu)化選點模型計算量少，只需以某些指標(biāo)的地下水水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)作為樣本對BP網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，然后用所得BP網(wǎng)絡(luò)就可對具有這些指標(biāo)監(jiān)測值的地下水水質(zhì)監(jiān)測點進行優(yōu)化評價，因此該方法的通用性較好[26]。

2 展望

我國地下水監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)運行相比發(fā)達(dá)國家起步較晚，相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和法律法規(guī)不完善，隨著社會的經(jīng)濟科技發(fā)展，由此引發(fā)的環(huán)境問題也日益凸顯。因此，推進相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定，應(yīng)用現(xiàn)有的優(yōu)化方法來優(yōu)化監(jiān)測井網(wǎng)的布設(shè)、設(shè)置合理的監(jiān)測頻率、選取合適的監(jiān)測指標(biāo)以及探索開發(fā)新型優(yōu)化方法是未來我國地下水監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)和優(yōu)化要著重發(fā)力的方向。

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