阿克蘇流域地下水監(jiān)測站網(wǎng)現(xiàn)狀與規(guī)劃建設(shè)思考

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(1.塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000；2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

阿克蘇流域地下水監(jiān)測站網(wǎng)現(xiàn)狀與規(guī)劃建設(shè)思考

熱合曼·喀迪爾1，劉新華1，聶艷2

(1.塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000；2.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

地下水監(jiān)測中因?yàn)楸O(jiān)測水井布局不合理，限制了地下水的深入研究。在系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前國家地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和阿克蘇流域地下水監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出今后加強(qiáng)阿克蘇流域地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)部署思路和對策建議，指出生態(tài)和農(nóng)業(yè)需水監(jiān)測是今后的重點(diǎn)，并提出融合3S、空間插值、多尺度套合等技術(shù)方法開展地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的思路，為較全面、較準(zhǔn)確的掌握阿克蘇流地下水動態(tài)信息提供技術(shù)支持。

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測技術(shù)；地下水；阿克蘇

阿克蘇河流域水資源的開發(fā)利用與塔里木河流域的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著密切關(guān)系[1]。受氣候變化的影響，自2011年以來，阿克蘇河實(shí)際來水量呈持續(xù)下降趨勢，其中：2011年實(shí)際來水93.31億 m3，2012年88.98億 m3，2013年77.07億 m3，2014年61.04億 m3，至2016年，流域北部山區(qū)雪線顯著上移，致使阿克蘇河來水量變化程度加劇。近年來，由于阿克蘇河流域人口增加、社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)，致使流域水資源供需矛盾日益突出。同時(shí)，受到灌區(qū)農(nóng)林經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的影響，需水作物和植被的面積不斷增加，流域內(nèi)對灌溉水資源的需求量不斷增加，因此地下水開采成為水資源灌溉的重要來源。根據(jù)2000-2015年阿克蘇流域部分地下水長觀井歷史監(jiān)測資料，地下水埋深降幅較大，電導(dǎo)率、全鹽量受季節(jié)、地形等影響較大[2]。目前，阿克蘇流域地下水水位、水質(zhì)監(jiān)測樣點(diǎn)僅有25個(gè)，2017年在此基礎(chǔ)上增加了7個(gè)胡楊林生態(tài)監(jiān)測點(diǎn)，但遠(yuǎn)不能滿足對阿克蘇流域地下水位、水質(zhì)監(jiān)測的需要，因此在系統(tǒng)分析當(dāng)前地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法重構(gòu)阿克蘇流域地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測阿克蘇流域地下水位、水質(zhì)變化和區(qū)域生態(tài)安全具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

1.1 國家層面的地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

80年代以來，我國先后共建設(shè)各類地下水監(jiān)測點(diǎn)23 800多個(gè)，部分網(wǎng)點(diǎn)因?yàn)榫S護(hù)、地下水埋深變化等未使用，截止2011年約16 000多個(gè)仍在使用，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了因?yàn)椴缓侠淼牡叵滤_發(fā)利用所帶來的國家對地下水資源監(jiān)控的要求[3-6]。隨著地面沉降、地裂縫、海水入侵、水質(zhì)污染等一系列地質(zhì)環(huán)境問題的產(chǎn)生，加上現(xiàn)有的地下水監(jiān)測系統(tǒng)又難以滿足各級政府科學(xué)管理地下水的迫切需要，2011年國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施國家級地下水監(jiān)測工程，水利部水文局和國土資源部中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院共同組織編制了《國家地下水監(jiān)測工程可行性研究報(bào)告》，報(bào)告指出將新建(修復(fù))地下水監(jiān)測站點(diǎn)20 135個(gè)，監(jiān)測控制范圍擴(kuò)大到350萬 km2、站網(wǎng)密度提高到每千平方公里5.8孔(站)，以形成完整統(tǒng)一的國家級地下水監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)。國家發(fā)展和改革委員會下達(dá)《國家發(fā)展改革委關(guān)于國家地下水監(jiān)測工程可行性研究報(bào)告的批復(fù)》(發(fā)改投資[2014]1660號)，工程總投資約20億元，2017年底全面完成。但截止2016年4月，國土資源部僅建成326個(gè)，水利部未公布信息，當(dāng)然這涉及權(quán)限管理等多方面的原因。因此，2017年將是地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的攻堅(jiān)階段，地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的形成將對我國地下水持續(xù)、動態(tài)、有效的監(jiān)控，為地下水資源合理開發(fā)、地面沉降防控、水資源補(bǔ)給等提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

1.2 流域地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及存在問題

在世界銀行貸款項(xiàng)目“新疆塔里木盆地灌溉與環(huán)境保護(hù)(二期)工程”(簡稱塔Ⅱ項(xiàng)目)等一系列項(xiàng)目的支持下，阿克蘇流域自2000年開始就對水資源開展各種監(jiān)測。其中地下水監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)25個(gè)(圖1)，用于監(jiān)測不同區(qū)域、不同利用方式下地下水位、水質(zhì)的動態(tài)變化。監(jiān)測范圍共分為6區(qū)，烏什(一區(qū))和溫宿(二區(qū))各1眼、阿克蘇的哈拉塔鄉(xiāng)為三區(qū)(8眼)和托普魯克鄉(xiāng)為四區(qū)(3眼)、阿瓦提為五區(qū)(11眼)、柯坪的啟浪鄉(xiāng)為6區(qū)(1眼)；土地利用方式包括居民點(diǎn)(2眼)、生產(chǎn)良好的農(nóng)田(13眼)、低產(chǎn)田(3眼)和荒草地(7眼)四種[2]。目前監(jiān)測控制范圍約1.3萬平方公里，按國家規(guī)定的站網(wǎng)密度，約需要70-80孔(站)地下水監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足相關(guān)要求。而在水質(zhì)監(jiān)測方面，目前以常規(guī)的水溫、電導(dǎo)率、pH、礦化度等指標(biāo)為主，監(jiān)測指標(biāo)還不能滿足阿克蘇地下水資源管理的需要。

目前來看，阿克蘇流域地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中主要存在的問題包括以下幾個(gè)方面：(1)監(jiān)測孔(站)布局欠合理：現(xiàn)有的監(jiān)測點(diǎn)位主要集中于阿克蘇市和阿瓦提縣，而在烏什縣、溫宿縣和柯坪縣都比較少，特別是監(jiān)測工業(yè)園區(qū)和生態(tài)用水區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)位較少。另一個(gè)方面，目前的監(jiān)測網(wǎng)密度也沒有達(dá)到國家的相關(guān)要求。(2)監(jiān)測手段和方法比較落后：目前監(jiān)測點(diǎn)位的數(shù)據(jù)監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，且阿克蘇流域范圍內(nèi)部分監(jiān)測點(diǎn)位置比較遠(yuǎn)，部分工作交給附近的農(nóng)民維護(hù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保障。因此推動地下水自動實(shí)時(shí)監(jiān)測信息系統(tǒng)建設(shè)，改變數(shù)據(jù)傳輸方式，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)效性尤顯重要；目前國內(nèi)以有多款地下水綜合動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以結(jié)合阿克蘇流域的具體實(shí)踐選擇一套合適的系統(tǒng)。 (3)監(jiān)測點(diǎn)破壞較嚴(yán)重，阻礙了部分監(jiān)測工作的開展：監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)有時(shí)得不到生產(chǎn)單位的配合；監(jiān)測點(diǎn)建成后的維護(hù)得不到重視，破壞較嚴(yán)重；另外阿克蘇流域部分區(qū)域地下水埋深下降較快，原來打井深度不夠造成部分監(jiān)測點(diǎn)位不能繼續(xù)使用。

圖1 阿克蘇流域地下水長觀井分布圖

2 地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)部署思路

2.1 網(wǎng)絡(luò)布置基本原則

地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布置要以《地下水動態(tài)監(jiān)測》(DZ/T0133-94)等一系列國家技術(shù)規(guī)范為指導(dǎo)，遵循“滿足需求、突出重點(diǎn)、合理繼承、科學(xué)布設(shè)”的基本要求，借助3S、地學(xué)統(tǒng)計(jì)等技術(shù)方法，結(jié)合阿克蘇流域的具體實(shí)踐，科學(xué)布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)，從而滿足區(qū)域水資源管理和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的需求。 (1)在現(xiàn)有地下水監(jiān)測點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展和更新：阿克蘇流域地下水監(jiān)測工作已開展10多年，取得了大量的監(jiān)測資料，盡管部分監(jiān)測井遭到破壞或不能使用，但整個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該依托原有監(jiān)測點(diǎn)的布局，擴(kuò)大監(jiān)測范圍和監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)密度，以保持資料的延續(xù)性。(2)分區(qū)控制、重點(diǎn)監(jiān)測：在現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對阿克蘇流域地下水位、水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)分區(qū)，結(jié)合地貌類型等自然環(huán)境因素、土地利用利用類型確定重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，將監(jiān)測重點(diǎn)目標(biāo)明確為農(nóng)村用水、農(nóng)業(yè)利用、工業(yè)污染和生態(tài)用地等。 (3)分層次逐步實(shí)施：按照統(tǒng)一布設(shè)的原則和相關(guān)方法確定地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，然后結(jié)合阿克蘇流域水資源管理的需要和經(jīng)費(fèi)等，以重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)目標(biāo)位主，分批次分時(shí)間段逐步布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。(4)一井專用和一井多用相配合：對以人工監(jiān)測為主的地下水監(jiān)測井，以一孔多用為主，可作為地下水位、水質(zhì)及相關(guān)污染監(jiān)測點(diǎn)；而對于部分宜安裝地下水綜合動態(tài)監(jiān)測和實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的監(jiān)測井，則采用一井專用，避免影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布置

(1)主要監(jiān)測點(diǎn)布置區(qū)域。根據(jù)阿克蘇流域地下水徑流特點(diǎn)并結(jié)合主要河流走向、地形變化特點(diǎn)等，選擇地下水變化較大的區(qū)域作為重點(diǎn)區(qū)域，比如烏什灌區(qū)、沿河兩岸階地等；工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)集中區(qū)，這類地區(qū)因用水量增加、用水效率提高減少了對地下水的補(bǔ)給，同時(shí)地表水存在一定的污染；生態(tài)需水比較大的區(qū)域，如千島湖風(fēng)景區(qū)、胡楊林生長面積較大的區(qū)域等。(2)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)。在原有地下水監(jiān)測點(diǎn)和國家級監(jiān)測點(diǎn)的基礎(chǔ)上，按省、市和縣等不同等級布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)密度參考國家和省級相關(guān)技術(shù)規(guī)范。建議在重點(diǎn)區(qū)域按5～10個(gè)/103km2、一般區(qū)域按1～5個(gè)/103km2布設(shè)。從中選擇一定數(shù)量的監(jiān)測點(diǎn)安裝地下水自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以進(jìn)一步完善阿克蘇流域地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)動態(tài)的掌握流域灌區(qū)地下水位、水質(zhì)變化的情況。

2.3 地下水監(jiān)測方法和頻率

(1)地下水水位監(jiān)測頻率。人工監(jiān)測點(diǎn)位可以自主測量也可以委托監(jiān)測井附近的有關(guān)人員測量，按每月3次(5日、15日和25日)進(jìn)行地下水位測定；部分地下水水位變化不明顯的，可以適當(dāng)減少至每月測量1次；對安裝了地下水自動化監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測頻率位每天1次(定時(shí))。(2)地下水水質(zhì)監(jiān)測頻率。建議各監(jiān)測點(diǎn)每月采樣1次，對于水質(zhì)變化不明顯的監(jiān)測點(diǎn)，可以在每年的豐、枯水期各采樣1次；遇到特殊情況或發(fā)生污染事故，根據(jù)情況增加采樣頻率。水質(zhì)監(jiān)測質(zhì)指標(biāo)方面，需要在現(xiàn)有監(jiān)測指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行較大的拓展，可以包括感官形狀、拍H值、總硬度、溶解性總固體、氯化物、氟化物、重碳酸鹽；對于存在工業(yè)污染的監(jiān)測點(diǎn)位，結(jié)合工業(yè)點(diǎn)源排放的主要污染物，確定水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)。在監(jiān)測過程中，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測需要調(diào)整水質(zhì)測試指標(biāo)。(3)地下水水溫監(jiān)測頻率。在進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測采樣時(shí)同步測量地下水水溫，同時(shí)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求測量氣溫等其他環(huán)境參數(shù)。(4)地下水水量監(jiān)測頻率。地下水開采量建議每年或兩年進(jìn)行調(diào)查和估測一次。以鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、場等位基本單元，選擇代表性的區(qū)域按地下水用途、用量進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，估算流域地下水年均用水量。

3 地下水動態(tài)監(jiān)測方法思考

地下水不同于地表水，看不見摸不著，而且地下水空間分布不均勻，傳統(tǒng)的方法適合于小范圍的地下水資源監(jiān)控；在地下水監(jiān)測點(diǎn)位較少的情況下，對于大范圍的地下水資源監(jiān)管則需要融合地理信息、空間插值等技術(shù)，同時(shí)可借鑒多尺度套合模擬模型構(gòu)建既滿足精度要求又減少人力物力投入的最適監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到宏觀、快速、綜合、動態(tài)地完成阿克蘇流域地下水監(jiān)測的任務(wù)[3-6]。

3.1 地理信息技術(shù)的應(yīng)用

地理信息技術(shù)實(shí)際上是指RS、GPS和GIS的統(tǒng)稱。借助RS監(jiān)測地表植被/土地利用覆被的變化，可以確定農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、城市居民用水和生態(tài)用水等的重點(diǎn)區(qū)域，為劃定地下水監(jiān)測分區(qū)提供參考，結(jié)合RS并根據(jù)地表冰雪、徑流等可以估算地下水補(bǔ)給量和勘探地下水儲存量，也可對地下水動態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)測；GPS主要獲取監(jiān)測點(diǎn)位的三維空間信息，用于RS野外建標(biāo)和GIS空間數(shù)據(jù)建立等提供依據(jù)；依據(jù)GIS強(qiáng)大的空間/屬性數(shù)據(jù)一體化管理功能，實(shí)現(xiàn)對地下水?dāng)?shù)據(jù)的采集、存儲、空間分析和布局，為后續(xù)水資源管理和研究提供技術(shù)支撐。日常的地下水資源管理中，需要將RS、GPS和GIS技術(shù)進(jìn)行交叉融合，實(shí)現(xiàn)對地下水實(shí)時(shí)動態(tài)的監(jiān)測和管理。

3.2 空間插值技術(shù)的應(yīng)用

空間插值技術(shù)的核心是利用已知的離散點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，借助一定的函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)的曲面數(shù)據(jù)，即將點(diǎn)狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為面狀數(shù)據(jù)的過程，以便與其它空間現(xiàn)象的分布模式進(jìn)行比較。目前常用的是克里金插值方法，該方法是地統(tǒng)計(jì)中應(yīng)用最廣的最優(yōu)插值法，它利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對未采樣點(diǎn)進(jìn)行無偏最優(yōu)估值的一種方法，具體實(shí)現(xiàn)可借助ArcGIS中Spatial Analyst工具。如在現(xiàn)有地下水埋深的監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過克里金插值可獲取這個(gè)阿克蘇流域地下水埋深的連續(xù)變化空間分布圖，其精度取決于采樣點(diǎn)的數(shù)量和分布。

3.3 多尺度套合方法的應(yīng)用

地學(xué)界認(rèn)為，具有復(fù)雜變化的區(qū)域化變量的空間變異性不能用一個(gè)簡單的理論模型描述，需要用兩個(gè)或兩個(gè)以上的理論模型描述，其結(jié)構(gòu)是多個(gè)結(jié)構(gòu)的相互疊加，稱為套合結(jié)構(gòu)，可以用反映不同尺度變化的多個(gè)擬合函數(shù)之和表示。地下水監(jiān)測一般都是大范圍監(jiān)測，監(jiān)測樣點(diǎn)布設(shè)既要滿足地下水監(jiān)測精度的要求同時(shí)又要盡量節(jié)省人力、物力和財(cái)力的投入。因此可以借助多尺度套合方法，首先在小區(qū)域開展實(shí)驗(yàn)研究(如按200 m、500 m、1 000 m、2 000 m等采樣尺度)獲取監(jiān)測樣點(diǎn)優(yōu)化采樣方案，然后擴(kuò)展到整個(gè)監(jiān)測區(qū)域，這種模式既擺脫以往研究中的若干方案比較選優(yōu)的局限性，又符合地下水監(jiān)測指標(biāo)空間異質(zhì)性的特點(diǎn)，對推進(jìn)地下水監(jiān)測采用方案由定性向定量轉(zhuǎn)變具有重要推動作用。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國尤其是干旱半干旱地區(qū)由于地下水資源的開發(fā)，地面沉降、地裂縫、海水入侵、水質(zhì)污等一系列地質(zhì)環(huán)境問題層出不窮，因此開展地下水監(jiān)測具有重要意義。盡管阿克蘇地下水監(jiān)測已開展十多年，但目前的監(jiān)測點(diǎn)位較少不能滿足當(dāng)前水資源管理的需求。本文建議在重點(diǎn)區(qū)域按5～10個(gè)/103km2、一般區(qū)域按1～5個(gè)/103km2布設(shè)地下水監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)，提出主要監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測頻率。同時(shí)圍繞3S、空間插值、多尺度套合等技術(shù)方法，為阿克蘇今后在地下水資源管理中應(yīng)用高新技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法提高監(jiān)測效率指明了方向，以期為較全面、較準(zhǔn)備的掌握阿克蘇流地下水動態(tài)信息提供技術(shù)支持，滿足對地下水水資源管理和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的需求。

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1004-1184(2017)05-0068-02

2017-04-26

“阿克蘇綠洲水環(huán)境及植被變化對流域生態(tài)安全的影響研究”(TGJAKS-SKS-2015-001)

熱合曼·喀迪爾(1966-)，男，新疆阿克蘇人，高級工程師，主要從事水資源管理研究工作。