地下水观测网及其优化设计的基本概念

3.1.1 地下水观测网的定义

地下水作为一种宝贵的自然资源，被大量开采。过量开采地下水，会造成地下水水位持续下降，引起一系列环境、生态及社会问题。例如，城市地面沉降造成建筑物、道路的破坏；沿海城市过量开采地下水，引起海水入侵；干旱区过量开采地下水，引起土地沙化；岩溶区过量开采地下水，引起地面塌陷；不合理地大量引进地表水，如农田灌溉，地下水位上升近地表，使土壤次生盐渍化、沼泽化；修筑大坝工程，库区附近地下水位抬升，一方面使土壤次生盐渍化；另一方面也会引起斜坡不稳定。由于人类的活动，加剧了地下水水量、水质的变化。对地下水变化进行时、空观测，是地下水开发、管理、预测与控制的一项重要任务。为了研究地下水资源量与质的时、空变化规律，及时提供地下水治理方案，在地下水系统中设置一系列具有某种共同目的的观测井，这些井的有机组合，形成了地下水观测网。

从地下水系统的观点看，地下水观测网可定义为[1]：“由具有特定的观测目的及有效地搜集地下水信息的观测井集所构成的系统”。该系统的基本元素是观测点的几何位置、密度和观测频率。该系统具有目的性，即为了某种目的而设置。例如在水源地内设置水位、水质观测井，按照一定采样频率采集地下水质样品及测定地下水位，以研究水源地运行后，地下水位和地下水质动态特点，为水源地决策管理提供动态资料。该系统具有时、空性，即分布上的空间性，通过有组织地收集而形成时间性。地下水观测网的时、空性特点，为研究地下水系统及其外界输入的时、空特点提供资料。该系统具有有效性，即该系统可最佳运行。从结构上看，该系统分布合理（观测点密度、几何位置及观测频率组合最佳）；从效益上看，该系统能以最少的投入，获取足够的水文地质信息量。地下水观测网的这个特性，规定地下水观测网设计要定量化，且观测点密度、几何位置和观测频率最优化。

3.1.2 地下水观测网分类

按照地下水观测变量的不同，可将地下水观测网分为地下水位观测网、地下水质观测网和地下水温观测网。各监测网类型的监测内容和研究内容见表3.1。

表3.1 地下水观测网分类表

（1）地下水位观测网

地下水系统中地下水位观测网是为研究地下水资源量在时、空上变化导致地下水位的时、空变化，以及地下岩体应力变化导致地下水位的时、空变化特征。

（2）地下水质观测网

地下水质观测网是为研究地下水的物理、化学和生物特性以及时空变化规律，提供地下水遭受污染的信息，及时采取管理行动。在该观测网中主要测量地下水中的化学成分浓度，地下水质观测网提供地下水溶质运移信息，用以分析、预测与控制地下水的污染。

（3）地下水温观测网

地下水温观测网主要是针对地热能利用区的监测。地下水观测网还可根据研究区规模的大小及研究精度要求分为区域性地下水观测网和专门性地下水观测网。区域性地下水位观测网主要为区域地下水资源评价提供资料；区域地下水质观测网主要进行环境监测，了解区域地下水质的时、空变化特性。专门性地下水位观测网主要针对局部研究区，为了某些专门问题而进行地下水位研究；专门性地下水质观测网一般在污染源（城市污水地、垃圾堆、农业灌区等）附近设置观测网，以监测地下水质的时、空变化特性。

3.1.3 地下水观测网优化设计的定义

地下水观测网优化设计研究的对象，就是利用地下水系统含水介质的已有勘探、试验与测量资料，采用定量化方法，对地下水观测网的密度与观测频率进行最佳设计。地下水观测网优化设计可定义[1]为“为确定地下水水头、流量、地下水中化学成分的浓度、生物特性等，对地下水观测井的密度、几何位置及观测频率进行有效的选择”。有效的选择就是以最少的经费与人力投入，获取足够量的水文地质信息。地下水观测网优化设计的概念要求考虑以下几个问题：

1）地下水观测网设计的目的。例如为区域水资源规划而建立的区域地下水位观测网，该观测网的目的是要了解地下水位在区域上的时、空变化，为区域地下水资源评价服务。

2）地下水观测网的类型及观测变量的选择。例如地下水质观测网，其观测变量为某种化学成分的浓度；地下水位观测网，其观测变量是地下水位。

3）地下水观测网控制区的选择。根据研究的目的，结合区域水文地质条件分析，确定地下水观测网控制区范围（平面展布或垂向范围）。

4）建立控制区地下水系统（确定性、随机性以及确定-随机性）数学模型。依据水文地质变量的实测资料，进行变量分析，确定地下水系统参数、模型类型即模型识别过程。

5）根据地下水观测网优化设计的目的，选择地下水观测网的设计方法，并指出该方法的适用范围。

6）选择地下水观测网优化设计的方法，并指出方法的适应范围。

3.1.4 地下水观测网优化设计的目标

3.1.4.1 地下水观测网的目标

地下水观测网的目标有：区域性观测、开采性观测、特殊性观测及研究性观测。区域性观测指为了进行区域地下水资源评价、农业规划、流域水资源综合规划和管理等而设计的控制全区的地下水观测网。该类观测可以了解区域地下水位的时、空特征，同时可为开采性观测提供地下水位变化的背景值。开采性观测指生活饮用水源、集中性农业开采、工业开采时的地下水动态观测，提供人工开采后地下水位降深漏斗发展变化过程，为水资源评价提供精确资料，这类观测网一般在水源地内。特殊性观测网指针对一些特殊问题进行地下水位观测，如矿区排水时的地下水位观测；滑坡体中地下水位变化观测；深部地下水位观测（用于地震预报）；沿海地区为防止海水入侵进行的地下水位观测；地面沉降与地下水位观测等，这类观测目的性强，观测范围比较集中。研究性观测指用于地下水流系统研究而设立的观测网。例如，研究含水层的参数（渗透系数、贮水系数等），研究地表水与地下水相互联系情况，地下水的补、径、排条件等。

地下水质观测网的目标有：环境性监测、跟踪性监测、符合性监测和研究性监测。环境性监测一般指对区域地下水质监测，了解区域地下水质时、空变化特征，这类监测一般通过区域上公共供水井、工业和民用井的水质监测，避免污水的使用。环境性监测一般通过环境保护机构履行，为环境影响评价工作提供资料。跟踪性监测具有水质背景值，观测结果与原函数比较，若检测出水质超出原函数值时，认为地下水已受污染。这类监测点一般设在上游或下游，上游作为原始函数监测，下游监测污染物的运移趋势。符合性观测监测表示一系列严格的水质监测，当监测井一旦检出污染物时，应及时清除与治理，以避免污染物扩展。研究性监测指针对已定的研究目的，详细研究地下水质的时、空分布而设立的水质监测网。

3.1.4.2 地下水观测网优化设计的目标函数

目标给定后，就可以选择地下水观测网优化设计方法。地下水观测网优化设计方法用数学模型表达，求解该模型就可以得到观测井的位置和频率，这个解是否为最优解，取决于数学模型的目标函数的精确给出。在实际中，目标函数的精确给出是很难确定的。这是因为：①地下水观测网的目标难于定量化。②地下水观测网的目标随时间变化，如地下水水质监测中，往往不是一个观测目标，从跟踪性监测到符合性监测，再返回到跟踪性监测，在环境监测中，往往要考虑到几个目标，即观测费用、预测精度、经济效益及风险判定等。③随着人类地质作用的加剧，造成了岩溶地下水含水层空间结构和功能变化。

在地下水观测网优化设计中，目标函数的选择十分重要。一般可将目标函数分为基本目标函数和代用目标函数。基本目标函数充分考虑了实际观测目标，它可用达到观测目的的水文地质信息来表示。一般说来，地下水观测目的有：环境保护（水位控制、水质污染程度限定等）；治理费用最小（地面沉降控制、土壤盐渍化治理、含水层污染物清除等），以及人类健康危害最小。代用目标函数是基本目标函数的代用品。由于地下水观测网优化设计中许多情况下不能定量化基本目标，而用这些统计量的最小化代替基本目标函数。代用目标函数有：①参数或变量的统计量最小化，如地下水位估计误差标准差。②实际与预测变量之间最大绝对方差最小化等。代用目标函数通常比基本目标函数更容易处理地下水观测网优化设计问题。但是，代用目标仅仅是一种近似的基本目标，必须把得出的代用目标函数结果相应予以解释。

地下水观测网优化设计中，目标函数的选择，可以用基本目标函数定量化作为目标函数，也可以用代用目标作为目标函数，或用二者的加权函数表示，这取决于研究问题的对象及数学描述的难易程度。选择地下水位估计误差标准差作为代用目标函数对桂林市区岩溶地下水水位观测网进行优化设计分析，在估计误差方差标准值较大的区域增加观测孔；反之，则减少观测孔。从而达到优化原岩溶地下水水位观测网的目的。