以流域为单元的地下水资源动态监测系统研究

（山东省青岛市水文局黄岛分局，266400，青岛）

一、地下水资源监测现状及存在问题

1.地下水资源监测现状

我国地下水监测早在1950年就开始进行研究。早期由于受条件的限制，大多数监测工作都是以人工观测为主。人工监测方式既费时又费力，并且受环境等因素的影响造成人为误差大，部分监测资料可靠性得不到保证，监测数据不能及时处理形成成果，难以满足抗旱、排涝、水资源管理以及生态环境保护等工作对地下水资源信息的需求。20世纪70年代以来，我国开始致力于研究地下水动态遥测技术和设备，多种地下水动态监测仪器先后被开发并广泛应用。近年，国内对地下水自动监测系统的研究进展很大，但多集中在终端监测仪器研制和地下水动态数据的实时记录等方面，对结合地质结构分析、建立区域地下水渗流场及地下水动态的预测分析等方面尚缺乏系统研究；同时，在系统的稳定性和研究手段等方面与国外仍有一定差距。

自2009年起，山东省青岛市黄岛水文部门致力于地下水遥测站网建设和地下水资源动态评价系统研究，先后在全区范围内布设34个浅层地下水水位监测井、2个深层地下水水位监测井、10个海水入侵监测井，初步建成了一定规模、布局较为合理的地下水水位、海水入侵监测站网，实现了地下水水位、海水入侵监测数据自动采集、传输、处理。几年来，积累了大量实测地下水资料，每月编制《地下水动态监测报告》，为地下水资源评价、开发利用、保护和管理提供了依据。

2.存在问题

①现有地下水水位监测站网覆盖面积太大，密度不够，特别是对于主要地下水水源地，监测站网已经满足不了控制地下水漏斗边界、准确描绘地下水流场的状态、进行地下水水位动态分析等工作的需要。

②缺少详细的水文地质资料，无法建立地下水数值模型，无法模拟地下水运动的状态，也不能显示地下水渗流场的总体状态及变化趋势。

③现有地下水监测站网和信息系统以行政区划为单元，与地下水补给、赋存、运动规律不相符，难以满足准确评价地下水资源存储量和预测地下水发展动态的要求。

二、以流域为单元的地下水资源监测系统

黄岛区属低山滨海丘陵地区，独特的自然地理条件和复杂的水文水资源特点，决定了区域地下水资源问题的复杂性。为了提升区域地下水资源监测能力，青岛市水文局黄岛分局适时调整地下水监测站网发展规划，由全区域分散建设转向按流域重点监测，以流域为单元建设流域地下水资源动态监测系统。风河流域是黄岛区水资源较为丰富的区域，其下游地下水水源地是城区主要的供水水源之一。2012年，黄岛水文局开始研究以流域为单元的地下水资源动态监测系统，建设风河流域地下水资源动态监测系统。

1.流域地下水监测站网建设目的

①监测地下水水位的时空变化，监测人类活动及环境变化对地下水的影响，收集一系列地下水资源信息。

②深入分析流域地下水流动、变化规律和地表水与地下水之间的相互转化关系，开发和建设流域地下水资源实时监测系统，为流域内水资源规划、管理提供信息，确保流域水资源的合理开发和高效利用，有力地支持经济社会的可持续发展。

2.流域地下水监测站网布设原则

①在总体和宏观上应能控制整个水文地质单元，需能反映所在区域地下水系的环境质量状况和地下水质量空间变化。

②监测重点为第四系潜水的含水层。

③能反映地下水补给源和地下水与地表水的水力联系。

④重点监控主要地下水开采区域、地下水水位下降的漏斗区、地面沉降以及本区域的特殊水文地质问题，尽可能以最少的监测点获取足够有代表性的环境信息。

⑤考虑监测结果的代表性和实际采样的可行性、方便性，尽可能选择在靠近村镇、地下水较为丰富的地段选择布设观测点。

⑥观测点网一旦确定，不能轻易变动，尽量保持单井地下水监测工作的连续性。

3.风河流域地下水监测站网建设

根据区域水文、地质资料，按照均匀布井的原则，垂直于河流布置，线距3 000 m，孔距2 000 m，沿河流两岸均匀布置。在风河下游地下水水源地范围根据实际情况加密站点，线距约为1 500 m左右。在风河流域原有17个监测井的基础上，新布置观测井23个，分布在风河及其支流沿岸。风河流域第四系厚度一般为2～20 m，测井深度大约为4～20 m。

4.基于GMS软件的流域地下水资源的三维动态监测模型

（1）GMS软件介绍

GMS（Groundwater Modeling System）是由美国Brigham Young大学环境模拟研究实验室（Environmental Modeling Research Laboratory）开发的先进的、基于概念模型的地下水环境模拟软件。由于GMS是很好的基于Windows平台的软件，具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件。

（2）风河流域地下水资源三维动态监测模型的建立

①数据整理。风河流域地下水为第四系松散岩类孔隙潜水，通过地质调查确定风河流域内第四系范围并搜集整理第四系的地质、水文地质资料，尤其是观测井的编录资料，对每一个观测井揭露的第四系岩层进行岩性划分，建立观测井岩性分层表，并绘制模型边界。

②生成观测井模型。按GMS软件的要求和格式对数据分析整理后导入，导入时设定观测井名称、坐标，导入观测井岩性分层数据后生成观测井模型，并在GMS软件中调整观测井模型的显示比例，变换GMS软件观察角度并对观测井进行标注。

③生成三维地层模型。导入用AutoCAD绘制的dwg格式的第四系边界文件，生成第四系模型边界，建立平面三角网格图，然后通过已经导入的观测井岩性分层数据自动生成各岩性实体，从而建立完整的三维地层结构模型。

④置入地下水水体模型并覆盖卫星地形图。三维地层模型建立以后，从模型上可以很清楚地看出风河流域第四系范围内的地层结构组合关系，为了在地层结构模型上显示出水体的信息，在地层模型的基础上建立了地下水水体模型，以显示地下水的埋深、厚度等信息。带花纹的层表示的是饱和带，显示水体在地层中的位置、水位面的位置以及水体的厚度。为了便于弄清切割处的位置，在三维地层体上覆盖地形图，从而可以在地层切割的时候有针对性地选择切割位置，准确了解某个地方的地层和水体结构。

⑤地下水位警戒线在三维模型中的显示。根据《山东省地下水位警戒线划定技术大纲》确定4条参考线：基准水位、黄色、橙色和红色警戒水位。以地下水在开采过程中生态环境不遭受破坏的最低水位为划定地下水位警戒线的基准水位；黄色、橙色和红色警戒水位是为保障供水安全和保护生态环境设定的预警水位线。“黄色”为最轻警戒级别；“橙色”为较高警戒级别；“红色”为最高警戒级别。根据计算出不同观测井的不同警戒线的标高，把计算数据导入三维结构模型中生成警戒线。

5.流域地下水资源动态监测系统应用软件

系统架构于微软.NET Frame-Work3.5之上，采用B/S模式。服务器端需安装.Net3.5+框架、IIS6.0+、SuperMap IS.NET 6R以及SQL Server数据库，客户端需要网页浏览器即可，兼容主流浏览器。

针对风河流域地下水资源动态监测系统，软件共分为8个系统模块，分别为地图查询、等值面分析、数据统计、历史数据、存储量分析、三维显示、预测预报和系统管理。其中，预测预报模块设计为让用户输入各个站点的预测降雨量和预测蒸发量，然后点击预测按钮进行预测下旬、下月、下年地下水水位。整个系统的用户分为游客和管理员两个身份。游客对地图查询、等值面分析、数据统计、历史数据4个模块具有查询权限，管理员对系统的8个模块都具有查询、编辑和修改的权限。

三、结 语

沿海地区地下水资源开发利用相对敏感，不合理的开发利用容易导致地下水水位下降、水源枯竭、海水倒灌、地下水水质恶化等严重后果，严重影响人们的生存环境，给人们的生产和生活造成巨大的损失。以流域为单元的风河流域地下水资源动态监测系统，在查明区域地质构造、对地下水资源实行实时监测的基础上，建立流域地下水资源动态监测系统和三维动态监测模型，准确显示地下水在流域内任意位置的空间分布及当前赋存情况，实现对地下水资源赋存及变化趋势的预测预报，极大地提高了地下水资源信息的科学性、准确性和直观性，实现了区域地下水资源由定性分析向定量判断的转变，将为加强水资源管理、切实保护和合理开发利用地下水资源提供详实的信息支持，为政府部门决策提供有力的科学依据。