楊培杰，李永超，吳光偉

(山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

地下水作為水資源的重要組成部分，在保障城鄉(xiāng)居民生活、支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著十分重要的作用[1]。隨著山東省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人口增長，工農(nóng)業(yè)和居民生活用水量不斷增加，地下水的重要性日益凸顯，尤其是在地表水質(zhì)量較差的魯西北平原地區(qū)和地表水資源短缺的魯東及魯中南低山丘陵地區(qū)更為突出。根據(jù)《山東省統(tǒng)計(jì)年鑒》，2016年，全省地下水年開采量達(dá)82.34億m3，地下水已成為青島、淄博、煙臺(tái)和萊蕪等眾多城市的主要供水水源，全省43.12%的耕地利用地下水進(jìn)行灌溉，地下水的開發(fā)利用在全省經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用，提供了重要保障。然而，由于局部地區(qū)長期不合理開發(fā)利用，造成地下水采補(bǔ)失衡，導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降，引發(fā)了地面沉降、巖溶塌陷、海(咸)水入侵、泉水干涸、生態(tài)環(huán)境退化和地下水污染等一系列地質(zhì)環(huán)境問題。該文通過大量基礎(chǔ)資料，分析了全省地下水監(jiān)測現(xiàn)狀及存在的問題，對(duì)如何更好地開展地下水監(jiān)測工作進(jìn)行了展望。

1 地下水監(jiān)測歷史沿革

地下水監(jiān)測是服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要手段，早在20世紀(jì)50年代，國土資源部門(原地礦部門)就結(jié)合農(nóng)田供水水文地質(zhì)調(diào)查和城市水源地勘查開展地下水監(jiān)測工作，經(jīng)過近60年的建設(shè)、發(fā)展，已初步形成了覆蓋全省主要城市和地區(qū)的地下水水位、水質(zhì)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測內(nèi)容也由單一的地下水監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)榈刭|(zhì)環(huán)境綜合監(jiān)測。地下水監(jiān)測主要經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段：

(1)起步階段。20世紀(jì)50—60年代，地礦部門最初在開展膠東地區(qū)城市供水、魯北平原和魯西南平原農(nóng)田供水水文地質(zhì)調(diào)查工作中，部署了少量地下水水位長期監(jiān)測點(diǎn)，了解區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)成因類型。這一時(shí)期，地下水監(jiān)測以城市生活供水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為服務(wù)對(duì)象。

(2)探索階段。20世紀(jì)70—80年代，山東省地下水監(jiān)測點(diǎn)主要集中在平原區(qū)和魯中南大中型水源地周圍，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)初具規(guī)模，監(jiān)測項(xiàng)目擴(kuò)展到水位、水溫、水量、水質(zhì)等多個(gè)要素。特別是改革開放后，1981年至1988年，在全省范圍內(nèi)對(duì)地下水監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，加強(qiáng)了特殊類型區(qū)的監(jiān)測，例如：在德州、濱州等地區(qū)已經(jīng)開始涉及地下水不合理開采引發(fā)地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題的監(jiān)測。

(3)發(fā)展轉(zhuǎn)變階段。20世紀(jì)90年代，在前5年，受地礦行業(yè)整體低迷，監(jiān)測主體職能劃交水利部門影響，地下水監(jiān)測出現(xiàn)經(jīng)費(fèi)不足、人才流失等問題，部分地區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量有所萎縮。但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全省地下水開采量呈爆發(fā)式增長，地下水水位持續(xù)下降、地下水質(zhì)量逐年變差，由此引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題呈多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢。為此，后5年，國土資源部門轉(zhuǎn)變工作思路，將地下水監(jiān)測作為地質(zhì)環(huán)境綜合監(jiān)測的一部分，積極結(jié)合地面沉降、巖溶塌陷和海(咸)水入侵等地質(zhì)災(zāi)害問題的調(diào)查開展地下水監(jiān)測，由區(qū)域性監(jiān)測向解決實(shí)際問題的重點(diǎn)監(jiān)測轉(zhuǎn)變，地下水監(jiān)測工作穩(wěn)步發(fā)展。

(4)提高階段，進(jìn)入21世紀(jì)，隨著地下水資源開發(fā)利用程度日益提高，由此引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題日趨突出，引起了社會(huì)公眾的強(qiáng)烈關(guān)注，政府日益重視地下水監(jiān)測工作，由此進(jìn)入穩(wěn)步提高階段。主要表現(xiàn)在：部署了一批新的監(jiān)測井，優(yōu)化完善了地下水監(jiān)測網(wǎng)，尤其是重點(diǎn)地區(qū)監(jiān)測點(diǎn)密度大大提高，監(jiān)測合理性明顯優(yōu)化；地下水監(jiān)測手段日趨先進(jìn)，2005年開始，山東省在全國率先啟動(dòng)了地下水自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，開發(fā)了地下水監(jiān)測信息服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地下水水位、水溫的自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)和分析，監(jiān)測頻率由6次/月提高到了1次/天，監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性明顯提升；引進(jìn)了Arcgis[2]和GMS[3]等分析軟件，在研究工作中，由過去的以描述為主的定性分析，向以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的定量分析轉(zhuǎn)變，取得了較為明顯成效。

2 地下水監(jiān)測工作現(xiàn)狀

2.1 地下水監(jiān)測網(wǎng)概況

截至2017年底，山東省國土資源部門共掌握地下水監(jiān)測點(diǎn)2187個(gè)，其中為控制區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)的基本監(jiān)測點(diǎn)1165個(gè)，為研究重點(diǎn)地區(qū)地下水演化規(guī)律的典型監(jiān)測點(diǎn)387個(gè)，為補(bǔ)充基本監(jiān)測點(diǎn)不足而部署的統(tǒng)測點(diǎn)635個(gè)。根據(jù)監(jiān)測手段統(tǒng)計(jì)：自動(dòng)化長期監(jiān)測點(diǎn)933個(gè)，監(jiān)測頻率1次/天；人工長期監(jiān)測點(diǎn)619個(gè)，監(jiān)測頻率6次/月；統(tǒng)測點(diǎn)635個(gè)，監(jiān)測頻率2次/年。監(jiān)測項(xiàng)目包括地下水水位(埋深)、水質(zhì)、流量、水溫等要素。不同監(jiān)測手段監(jiān)測點(diǎn)組成示意圖見圖1。

1—自動(dòng)化長期監(jiān)測點(diǎn)2—人工長期監(jiān)測點(diǎn)3—統(tǒng)測點(diǎn)圖1 地下水監(jiān)測網(wǎng)組成示意圖(按監(jiān)測手段統(tǒng)計(jì))

20世紀(jì)90年代，環(huán)保、水利、農(nóng)業(yè)、城建等部門也開展了地下水監(jiān)測業(yè)務(wù)，根據(jù)自身需求部署了地下水監(jiān)測站點(diǎn)。與其他部門相比，國土資源部門具有站點(diǎn)數(shù)量多、監(jiān)測歷史長、控制范圍廣、監(jiān)測層位清晰等優(yōu)勢。

2.2 監(jiān)測站網(wǎng)布局

隨著國家和山東省地下水監(jiān)測工程的實(shí)施，山東省地下水長期監(jiān)測點(diǎn)密度達(dá)到了0.98個(gè)/100km2，站網(wǎng)布局得到有效優(yōu)化完善，監(jiān)測范圍覆蓋全省17個(gè)市、涵蓋3大水文地質(zhì)區(qū)(表1)和14個(gè)亞區(qū)，控制面積達(dá)15萬km2，加強(qiáng)了對(duì)地下水超采漏斗區(qū)、地面沉降中—強(qiáng)發(fā)育區(qū)、巖溶塌陷易發(fā)區(qū)、大中型水源地等重點(diǎn)地區(qū)的監(jiān)測能力，基本實(shí)現(xiàn)了“區(qū)域控制和重點(diǎn)監(jiān)測相結(jié)合”監(jiān)測目的，地下水監(jiān)測能力得到有效提升。全省17市地下水監(jiān)測點(diǎn)分布見圖2，國家和山東省地下水監(jiān)測工程實(shí)施前后監(jiān)測站網(wǎng)布局情況見圖3和圖4。

表1 國家和山東省地下水監(jiān)測工程建成后監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量(按水文地質(zhì)區(qū)統(tǒng)計(jì)) 個(gè)

圖2 山東省17市地下水長期監(jiān)測站點(diǎn)分布圖

1—0～0.15；2—0.15～0.3；3—0.3～0.45；4—0.45～0.6；5—0.6～0.75圖3 國家和山東省地下水監(jiān)測工程實(shí)施前監(jiān)測站布局

1—0～0.15；2—0.15～0.3；3—0.3～0.45；4—0.45～0.6；5—0.6～0.75圖4 國家和山東省地下水監(jiān)測工程建成后監(jiān)測展望布局

2.3 地下水監(jiān)測技術(shù)

地下水監(jiān)測手段分為人工監(jiān)測和自動(dòng)化監(jiān)測2種，目前，山東省水位、水溫要素的監(jiān)測方面，自動(dòng)化監(jiān)測逐步替代了人工監(jiān)測；水質(zhì)、流量要素的監(jiān)測方面，仍以人工監(jiān)測為主，僅在個(gè)別地區(qū)試點(diǎn)開展了自動(dòng)化監(jiān)測。

(1)水位。地下水水位是最基本的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測要素，現(xiàn)場主要監(jiān)測地下水水位埋深，然后根據(jù)測點(diǎn)高程換算水位標(biāo)高。人工測量主要采用電觸懸錘自警式電子水尺，自動(dòng)化測量主要采用壓力式遙測水位計(jì)。

(2)水質(zhì)。地下水水質(zhì)是當(dāng)前最敏感也最重要的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測要素，一般采用現(xiàn)場人工取樣、實(shí)驗(yàn)室分析的方式，使用便攜式水質(zhì)測量儀現(xiàn)場僅能測量pH、電導(dǎo)率和氧化還原點(diǎn)位等少數(shù)指標(biāo)。自動(dòng)化監(jiān)測中電極法測量電導(dǎo)率已較普遍，等離子交換法測量敏感離子濃度仍處于試驗(yàn)階段，精度無法保證。

(3)水溫。地下水水溫人工測量主要是使用溫度計(jì)現(xiàn)場測量，自動(dòng)測量儀器多使用半導(dǎo)體、鉑電阻等類型的傳感器，一般不單獨(dú)安裝，多與水位計(jì)一起構(gòu)成多參數(shù)傳感器。

(4)流量(開采量)。地下水流量監(jiān)測主要是指泉流量的監(jiān)測，測量方法多為明渠測流法，使用流速儀、堰槽、超聲波等流量計(jì)。

2.4 地下水監(jiān)測成果在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮的作用

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，地下水監(jiān)測工作取得了長足進(jìn)步，積累了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，主要體現(xiàn)在以下方面：為生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支撐[4]，為科學(xué)防治地質(zhì)災(zāi)害提供決策依據(jù)[5]，為水資源開發(fā)利用與保護(hù)提供及時(shí)服務(wù)[6]，為地質(zhì)勘查及地下水環(huán)境科學(xué)研究提供基礎(chǔ)資料[7]，同時(shí)在礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)[8]、地質(zhì)遺跡保護(hù)[9]、礦山水害防治[10]、土地利用與國土規(guī)劃、城市地下水空間利用[11]等領(lǐng)域也發(fā)揮了不可替代的作用。

3 地下水監(jiān)測與研究工作展望

隨著“生態(tài)文明”被寫入政府報(bào)告，“綠水青山就是金山銀山”生態(tài)理念的提出，地下水環(huán)境狀況受到越來越多的關(guān)注，下一步應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)地下水監(jiān)測工作，全面提升監(jiān)測能力，更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

3.1 加強(qiáng)站網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，提高監(jiān)測與服務(wù)能力

(1)填補(bǔ)監(jiān)測空白，提高站網(wǎng)密度。持續(xù)開展地下水監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)工作，填補(bǔ)魯中南中低山丘陵區(qū)和魯東低山丘陵區(qū)部分地區(qū)裂隙巖溶水和基巖裂隙水的監(jiān)測空白，加密地下水降落漏斗區(qū)、地面沉降區(qū)、巖溶塌陷區(qū)和大中型水源地的目標(biāo)含水層監(jiān)測點(diǎn)密度[12]，達(dá)到《區(qū)域地下水位監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DZ/T0271-2014)中對(duì)地下水位監(jiān)測點(diǎn)密度的要求，進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，使站網(wǎng)布局更趨合理。

(2)建設(shè)專門性監(jiān)測井，替換現(xiàn)有機(jī)民井。加快替換利用機(jī)民井監(jiān)測的長期監(jiān)測站點(diǎn)，避免因開采導(dǎo)致局部水位大幅度降落，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性；消除因生產(chǎn)井所屬權(quán)變更或報(bào)廢而無法監(jiān)測，造成數(shù)據(jù)中斷的隱患，提升監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性和監(jiān)測質(zhì)量；改善監(jiān)測站點(diǎn)管理和維護(hù)困難的現(xiàn)狀。

(3)推進(jìn)自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)，提高監(jiān)測能力。自動(dòng)化監(jiān)測是地下水監(jiān)測的發(fā)展趨勢，新建設(shè)的監(jiān)測站點(diǎn)一般都安裝了自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，提高了監(jiān)測精度和頻率[13]。同時(shí)應(yīng)該加快推進(jìn)人工長期監(jiān)測點(diǎn)的改建工作，提高自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)比例，全面提升地下水自動(dòng)監(jiān)測能力和現(xiàn)代化水平。

(4)加強(qiáng)數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)信息共享。構(gòu)建多級(jí)地下水?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括：基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫、整編數(shù)據(jù)庫、分析成果數(shù)據(jù)庫、試驗(yàn)信息數(shù)據(jù)庫、圖形與空間數(shù)據(jù)庫[14]等。同時(shí)考慮隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)一步加快，生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)一步推進(jìn)，對(duì)地下水環(huán)境治理工作也必然會(huì)加快步伐，多部門間聯(lián)動(dòng)磋商機(jī)制正在形成，建立一個(gè)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)勢在必行[15]，不僅服務(wù)于國土資源部門，也可以實(shí)現(xiàn)信息的共享，避免重復(fù)建設(shè)帶來的浪費(fèi)，更好地為政府管理決策提供科學(xué)支撐，也可為社會(huì)公眾提供及時(shí)的信息服務(wù)。

3.2 加強(qiáng)監(jiān)測管理，完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

隨著《山東省地質(zhì)環(huán)境保護(hù)條例》、《國家地下水監(jiān)測管理辦法》的出臺(tái)，地下水監(jiān)測在法律層面受到保護(hù)，但是部門規(guī)章、條例保護(hù)力度有限，執(zhí)法力度不強(qiáng)，監(jiān)測設(shè)施因人為損壞、工程建設(shè)和土地出讓等原因遭到破壞的案例時(shí)有發(fā)生，監(jiān)測站點(diǎn)備案保護(hù)機(jī)制尚未形成，另外地下水監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、預(yù)測預(yù)報(bào)等一系列標(biāo)準(zhǔn)體系未建設(shè)完成。為此，一是要加強(qiáng)立法，將地下水監(jiān)測站點(diǎn)提升到與電力設(shè)施、通信設(shè)施等相同的法律地位；二是強(qiáng)化執(zhí)法，嚴(yán)懲肆意破壞監(jiān)測設(shè)施的行為，完善地方行政主管部門備案保護(hù)機(jī)制；三是推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，盡快完成《地下水監(jiān)測井建設(shè)規(guī)范》(DZ/T0270-2014)、《區(qū)域地下水位監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DZ/T0270-2014)等一系列部門規(guī)范升國標(biāo)工作，研究推進(jìn)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、監(jiān)測儀器、監(jiān)測技術(shù)方法等標(biāo)準(zhǔn)體系。

3.3 加強(qiáng)技術(shù)研究，提高監(jiān)測水平

受含水層性質(zhì)、埋藏條件、自然地理狀況和人類活動(dòng)的影響，地下水演化規(guī)律表現(xiàn)為復(fù)雜的非線性過程，因此地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測是一個(gè)漫長的探索和研究過程[16]，20世紀(jì)70年代以前，我國地下水預(yù)測研究主要是采用比較簡單的水均衡方法和水文地質(zhì)比擬方法[17]；70年代中后期，開始采用降水入滲條件下的有限差分法分析地下水動(dòng)態(tài)[18]，與世界主流研究水平相比有較大差距；80年代后，隨著地下水開發(fā)利用程度不斷提高，預(yù)測方法得到了較快發(fā)展，尤其是近年來，由于地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)的需求不斷增加、計(jì)算機(jī)不斷普及應(yīng)用，數(shù)值模擬技術(shù)得到了較廣泛應(yīng)用[19]。國家和山東省地下水監(jiān)測工程實(shí)施，很大程度上填補(bǔ)了地下水勘察資料匱乏的短板，下一步要加強(qiáng)地下水模擬預(yù)測技術(shù)研究。同時(shí)地下水監(jiān)測儀器研發(fā)、精度控制、成井工藝、自動(dòng)預(yù)警技術(shù)、信息平臺(tái)集成技術(shù)以及地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度與優(yōu)化研究等方面的研究也需要大力推進(jìn)[20]，為生態(tài)文明建設(shè)、國土資源管理、水資源開發(fā)利用與保護(hù)提供技術(shù)支撐。