貴陽(yáng)市地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化分析

王亞維 王中美 王益?zhèn)?褚雙燕

摘 要：貴陽(yáng)市現(xiàn)有地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)存在空間布局不合理等問題，限制了地下水工作的進(jìn)一步研究，為了更加合理的掌握地下水時(shí)、空分布信息，需要對(duì)現(xiàn)有地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。本文基于MapGIS技術(shù)，采用地下水動(dòng)態(tài)分區(qū)圖繪制方法，對(duì)貴陽(yáng)市現(xiàn)有的地下水位監(jiān)測(cè)井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并運(yùn)用 Kriging插值法對(duì)優(yōu)化前后監(jiān)測(cè)網(wǎng)分布合理性進(jìn)行比較分析。研究結(jié)果顯示，優(yōu)化后研究區(qū)增設(shè)監(jiān)測(cè)井28口，刪除已有不合理監(jiān)測(cè)井1口，監(jiān)測(cè)井總數(shù)達(dá)到 56口，優(yōu)化后地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于優(yōu)化前地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)差，說(shuō)明此優(yōu)化方案較合理符合優(yōu)化的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)網(wǎng);優(yōu)化;地下水動(dòng)態(tài)分區(qū); Kriging插值法

中圖分類號(hào)：P64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

地下水觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是在地下水系統(tǒng)中建立一系列具有某種目的的觀測(cè)井，以掌握地下水位的動(dòng)態(tài)變化[1]。貴陽(yáng)市從上世紀(jì) 70 年代末以來(lái)，就開展了地下水監(jiān)測(cè)工作，獲得了大量數(shù)據(jù)信息，加快城市發(fā)展。但受技術(shù)限制，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)網(wǎng)得到的數(shù)據(jù)精度較差，存在的問題也越來(lái)越明顯，數(shù)據(jù)的可靠性很難保證。另外，貴陽(yáng)市內(nèi)碳酸鹽巖面積分布較廣，且地質(zhì)條件十分復(fù)雜，近年來(lái)隨著城市的發(fā)展，一系列以巖溶塌陷為主的地質(zhì)環(huán)境問題隨重大工程增多也頻繁的發(fā)生。地下水動(dòng)態(tài)對(duì)巖溶塌陷的發(fā)生有著較大的影響，因此，對(duì)地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，獲得實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)分析是非常重要的，進(jìn)行現(xiàn)有地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)始于上世紀(jì)末期[2]，現(xiàn)階段，定性設(shè)計(jì)方法如水文地質(zhì)分析法和定量設(shè)計(jì)方法如 Kriging插值法、信息熵等已成為國(guó)內(nèi)外比較成熟的優(yōu)化方法[3]，但各種方法的組合優(yōu)化設(shè)計(jì)不多，以致方法間優(yōu)勢(shì)并沒有都充分的發(fā)揮出來(lái)，因此本文將水文地質(zhì)分析法和 Kriging插值法相結(jié)合，對(duì)貴陽(yáng)市現(xiàn)有的地下水水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在補(bǔ)充以往研究者的不足和為該地區(qū)地下水的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 貴陽(yáng)市地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)現(xiàn)狀與問題

貴陽(yáng)市水位監(jiān)測(cè)控制區(qū)面積達(dá)228 km2，地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)有29個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布如圖 1所示。在目前階段，研究區(qū)內(nèi)的29個(gè)地下水位觀測(cè)孔每月有六次水位觀測(cè)記錄。雖然研究區(qū)地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)已逐年逐步地進(jìn)行調(diào)整，但是沒有得到系統(tǒng)性的優(yōu)化，現(xiàn)有地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)存在問題越來(lái)越多，具體分析如下：

（1）監(jiān)測(cè)井點(diǎn)在空間分布上不科學(xué)合理。由圖1可見監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布不均，局部地段過(guò)于集中，而有的地段控制點(diǎn)則不足，很難有效的監(jiān)測(cè)地下水的動(dòng)態(tài)變化情況，局部地段甚至存在監(jiān)測(cè)空白，導(dǎo)致水文信息缺乏。

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間上缺乏連續(xù)性并且自動(dòng)化程度需要進(jìn)一步完善。圖2所示為研究區(qū)ck704號(hào)監(jiān)測(cè)井近年水位監(jiān)測(cè)情況，可以看出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的監(jiān)測(cè)間斷，監(jiān)測(cè)資料的質(zhì)量不足，難以保證當(dāng)時(shí)以及后續(xù)的分析研究工作。

（3）監(jiān)測(cè)井結(jié)構(gòu)控制不合理，控制性不符合要求。貴陽(yáng)市地下水類型豐富，賦存條件及地下水動(dòng)態(tài)各有不同，在一定程度上是相互聯(lián)系相互影響的，故對(duì)各類型水進(jìn)行分別監(jiān)測(cè)是十分必要的，以便進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

貴陽(yáng)市地貌類型是典型的巖溶盆地地貌[4]，出露的地層比較齊全，碳酸鹽巖分布最廣，其中巖溶地貌有峰林、峰叢、溶丘、洼地和落水洞等[5]。貴陽(yáng)市地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，主要有北東向構(gòu)造永樂堡復(fù)向斜、南北向構(gòu)造貴陽(yáng)復(fù)向斜、黔靈向斜、黔靈湖阿哈阻水?dāng)嗔?，烏?dāng)斷裂等[6]。貴陽(yáng)市地下水徑流條件十分復(fù)雜，其位于長(zhǎng)江和珠江兩大水系的分水嶺，并且地下水受到地質(zhì)構(gòu)造、地貌及水文網(wǎng)的控制[7]。研究區(qū)劃分為兩個(gè)完整的儲(chǔ)水構(gòu)造單元，在巖溶盆地的西、北方向以分水嶺為邊界，東邊以砂頁(yè)巖地層為邊界，南邊以隔水?dāng)嗔褞檫吔纾鬟呉愿羲畬訛檫吔鐦?gòu)成一個(gè)完整的儲(chǔ)水構(gòu)造單元;另一個(gè)完整的儲(chǔ)水構(gòu)造單元由東部的阻水邊界黔靈山-花溪壓性斷層和三橋-阿哈寨一帶的東西向橫斷裂線性構(gòu)造線構(gòu)成[8]。研究區(qū)的基巖出露面積較大，地下水的主要補(bǔ)給源是大氣降水，排泄方式主要是以徑流方式[9]。分析貴陽(yáng)市地下水監(jiān)測(cè)資料，可知貴陽(yáng)市地下水較豐富，貴陽(yáng)市主城區(qū)、白云區(qū)北側(cè)地形平坦，水位在5～10 m之間;在巖溶盆地周邊，南部的小河和東部的龍洞堡一帶，地形起伏比較大，水位一般大于30 m;在花溪區(qū)一帶、白云區(qū)和觀山湖區(qū)大部分區(qū)域，地形起伏相對(duì)平坦，水位一般在10～20 m之間。

3 貴陽(yáng)市地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度優(yōu)化

目前已有多種方法成功應(yīng)用于地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度優(yōu)化，如水文地質(zhì)分析法、Kriging插值法等，每種方法都有適用的場(chǎng)合、優(yōu)勢(shì)及不足。貴陽(yáng)市現(xiàn)有水位觀監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量較少且分布相對(duì)較集中，用定量化方法優(yōu)化密度難以準(zhǔn)確刻畫變量的實(shí)際特征，隨機(jī)性比較大，不太合理。然而，地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、含水層特征及地下水補(bǔ)徑排等資料較全面，因此本文采用定性的方法（繪制地下水動(dòng)態(tài)分區(qū)圖）對(duì)研究區(qū)現(xiàn)有地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后，應(yīng)用Kriging插值法對(duì)優(yōu)化結(jié)果合理性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3.1 地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)

地下水位的時(shí)空分布差異受到地形、地貌、水文、氣象、人類活動(dòng)等諸多因素影響[10]。通過(guò)對(duì)貴陽(yáng)市地下水動(dòng)態(tài)過(guò)程的調(diào)查和評(píng)價(jià)以及過(guò)去的相關(guān)研究成果的分析，可知影響研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的因素有：①地質(zhì)因素，包括地形和地貌特征、構(gòu)造分布特征、含水層巖性及富水性、巖溶類型及分布情況。②與地下水補(bǔ)給有關(guān)因素，包括主要的補(bǔ)給源和非飽和帶特征，非飽和帶特征即非飽帶巖性及厚度和水位埋深情況等。③局部影響因素，其中包括人類工程活動(dòng)和地表水體的分布情況等。不同影響因素在空間上有不同的變化特征，根據(jù)收集的資料及研究區(qū)實(shí)際情況對(duì)各影響因素概化分區(qū)，每個(gè)區(qū)代表一種地下水類型。

本文應(yīng)用 MapGIS 空間分析功能繪制單因素圖幅，具體包括水文地質(zhì)分區(qū)圖、非飽和帶分區(qū)圖和地下水局部影響分區(qū)圖，最后疊加修飾三個(gè)單因素圖，得到地下水動(dòng)態(tài)類型分區(qū)圖。其中，水文地質(zhì)分區(qū)圖是根據(jù)研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的阻水?dāng)嗔褞Ш头植嫉腡3+J砂頁(yè)巖特征，將貴陽(yáng)城區(qū)分為龍洞堡和三橋兩大一級(jí)水文地質(zhì)單元，再結(jié)合研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造特點(diǎn)、地層巖性特點(diǎn)和泉點(diǎn)排泄情況，將兩個(gè)一級(jí)水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐譃槲鍌€(gè)二級(jí)水文地質(zhì)單元;非飽和帶分區(qū)圖是由區(qū)域內(nèi)地下水位埋深情況和包氣帶巖性分布情況疊加分區(qū)而成;局部影響帶分區(qū)圖主要考慮了區(qū)域內(nèi)的河流、湖泊等水源因素。將以上分區(qū)圖進(jìn)行矢量疊加，把面積較小的區(qū)域與相鄰的區(qū)合并共劃分49個(gè)地下水動(dòng)態(tài)子區(qū)，見圖3。

3.2 地下水位監(jiān)測(cè)孔的優(yōu)化布設(shè)

根據(jù)上述繪制的影響地下水動(dòng)態(tài)分區(qū)圖，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布局，對(duì)研究區(qū)現(xiàn)有的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在盡可能地利用現(xiàn)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)和盡量保證每個(gè)分區(qū)中都包含一個(gè)監(jiān)測(cè)井的原則下，同時(shí)考慮地表水系、構(gòu)造、巖溶塌陷等分布情況，最終確定研究區(qū)增設(shè)監(jiān)測(cè)井28口，刪除已有不合理監(jiān)測(cè)井1口，優(yōu)化后自動(dòng)監(jiān)測(cè)井總數(shù)達(dá)到 56口，才能使不同地下水動(dòng)態(tài)類型區(qū)的地下水得到全面監(jiān)測(cè)控制，監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化圖見圖4。

3.3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化后合理性評(píng)價(jià)

析評(píng)價(jià)。地下水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)的合理性分析評(píng)價(jià)是在已有水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用空間插值法對(duì)比計(jì)算出的優(yōu)化前后插值和插值誤差值大小，以此評(píng)價(jià)優(yōu)化結(jié)果的合理性[11]。從水文角度看，Kriging插值法的變差函數(shù)模型是依據(jù)已有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定的，然后對(duì)下一步需要估計(jì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)作無(wú)偏線性和最小方差估計(jì)，并繪制出估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差等值線圖，需說(shuō)明當(dāng)變差函數(shù)和水文地質(zhì)條件確定不變時(shí)，只有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量影響著估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差值[12]。根據(jù)以上敘述，Kriging插值法誤差評(píng)價(jià)結(jié)果見圖5和圖6，分析對(duì)比兩圖可知，優(yōu)化后研究區(qū)的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)水位估計(jì)誤差值明顯減小，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化后井位分布是較為合理的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)貴陽(yáng)市地下水動(dòng)態(tài)調(diào)查評(píng)價(jià)及以往的研究成果分析，可以看出影響貴陽(yáng)市地下水動(dòng)態(tài)變化因素主要有地形地貌特征、含水層巖性及富水性、構(gòu)造分布特征、水位埋深、包氣帶巖性及地表水

體等?；贛apGIS技術(shù)，本文采用地下水動(dòng)態(tài)類型制圖法疊加生成地下水位動(dòng)態(tài)分區(qū)圖，將貴陽(yáng)市劃分為49個(gè)地下水動(dòng)態(tài)子區(qū)，在盡可能地利用現(xiàn)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)和盡量保證每個(gè)分區(qū)中都包含一個(gè)監(jiān)測(cè)

井的原則下，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后監(jiān)測(cè)井位達(dá)到56個(gè)。根據(jù)優(yōu)化后的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)水位克里金插值的估計(jì)誤差值減小可知，優(yōu)化后井位分布是較為合理的。

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（責(zé)任編輯：周曉南）