對地下水監測有關問題分析與思考

章雨乾，章樹安

(1.中國水權交易所，北京 100053；2.水利部國家地下水監測中心，北京 100053)

地下水是水資源的重要組成部分，是北方地區重要的供水水源，是維護生態環境系統的重要影響因子，其作用無可替代。受我國自然地理、氣候特征和人類活動影響，目前我國還存在著水資源短缺、水環境污染、水生態受損等主要水問題，特別是在我國北方地區由于地下水不合理開發，也引發了區域地下水位持續下降、地面沉降、海水入侵、泉流量銳減、植被退化等一系列生態環境問題。

地下水監測是掌握地下水水位(埋深)、水溫、水質、水量等動態要素，研究其變化規律的一項長期性、基礎性工作，是分析評價地下水資源、制定合理開發利用與有效保護措施、減輕和防治地下水污染及其相關生態環境等問題的重要基礎。

加強地下水監測是貫徹落實新時代黨中央重要治水思路，實施最嚴格的水資源管理，加強水生態文明建設等必然要求，所以探討與研究目前地下水監測有關問題是非常必要和重要的，旨在進一步開拓思路、加強有關技術研究，切實做好有關工作，為水利行業強監管提供更好的支撐與服務。

1 我國地下水監測發展概述

1.1 地下水監測發展歷程

(1)在2015年以前，據統計水利系統共有地下水基本監測站點約16 000處，主要集中在我國北方地區，南方地區基本空白；大部分監測站點主要利用生產井、民井，通過委托觀測人員進行人工觀測，采用的測量工具主要是測鐘，監測要素主要為埋深；監測頻次以五日為主，部分站也有每日和十日觀測；信息報送以信件、電話等方式。這種監測方式表現出監測頻次低、時效性差，利用生產井監測由于受動水位影響，精度也較差?？偟膩碚f，地下水監測工作基礎差、專業技術人員少、機構不完善。

(2)在這期間，隨著水資源管理需求提高，以前人工監測方式也難以滿足管理應用需要，北京、天津、山西、河南、遼寧等地開始嘗試建設部分地下水自動監測站，新建了部分監測專用井，采用分體式自動測報方式建設地下水監測系統，解決了上述部分問題，但監測要素主要為埋深/水位，要素較單一。受當時技術條件限制，其自動測報系統穩定性較差，監測儀器設備故障率較高。

(3)隨著2015年國家地下水監測工程開工建設，以及國家水資源監控能力項目一、二期工程建設，目前可實現地下水水位/埋深、水溫、水量自動監測，部分站實現了水質自動監測。

1.2 地下水監測主要技術要求

《地下水監測工程技術規范》(GB/T 51040—2014)，對水位/埋深、水質、水量、水溫等要素監測基本要求見表1。

表1 地下水監測要素與主要技術要求

1.3 主要監測技術方法

1.3.1 水位(埋深)

人工監測主要包括測繩、測鐘(盅)、懸錘式水位計、鋼尺等；半自動監測主要是指可模擬或數值記錄，但不能自動傳輸的儀器設備，如傳統浮子水位計，可模擬記錄，但無RTU；自動監測主要是指可實現數值記錄和自動傳輸儀器設備，如浮子水位計、壓力式水位計和RTU。

1.3.2 水質

主要依靠人工采樣，送水質實驗室檢測，其采樣方法可采用抽水、貝勒管等方式采樣；部分水質指標可采用水質分析儀在現場獲取，也可采用電極法等方法實現部分參數自動監測。

1.3.3 水量

泉流量一般采用堰槽法、流速儀法、水位—流量關系曲線等方法監測；開采量一般采用調查統計法，如用水定額、普通水表等；自動測量，如采用水工建筑物、超聲流量計、電磁流量計等；間接測量，如采用電量轉換法、油量轉換法等。

1.3.4 水溫

人工監測一般采用玻璃溫度計、數字式溫度計等；自動監測可采用獨立傳感器和RTU，也可用集成傳感器：水位-水溫-或pH、電導率等水質參數和RTU實現水溫自動監測。

2 國家地下水監測工程取得主要成就與問題

由水利部和自然資源部聯合申報、分別實施建設的國家地下水監測工程，共建設20 469個地下水自動監測站。水利部建設的國家地下水監測工程已于2020年1月通過了水利部竣工驗收，共建成10 298個地下水自動監測站，國家、流域、省級和地市級四級監測中心?；究杀O控我國主要平原區、盆地、巖溶山區350萬 km2，在北方重點地區進行了加密布設，南方空白地區進行了適當布設，兩部布設密度達到5.8站/103km2；地下水信息采集、傳輸自動化水平大幅度提高，地下水監測頻次和時效性明顯提升；基本建成集地下水監測數據接收、處理、存儲、交換共享和應用服務等功能的信息服務系統，基本實現兩部信息共享。較好的解決了以前專用監測井少、人工監測頻次低時效性差、數據處理和信息服務能力弱等突出問題，使我國地下水監測技術與信息服務能力明顯提高。

目前國家地下水監測工程所監測的數據和分析評價成果，已為華北地下水超采綜合治理、生態補水、黃河流域生態保護與高質量發展、南水北調工程生態效益評價、全國地下水超采區水位變化通報等工作提供了有力支撐，發揮了重要作用。

隨著生態文明建設對地下水超采治理與管理要求的提高，以及最嚴格水資源管理制度考核對地下水管理的不斷強化，對地下水監測與服務能力要求明顯提高，已建的國家地下水監測工程還不能完全滿足“水利工程補短板、水利行業強監管”總基調要求，還存在一定差距。主要表現在以下幾個方面：

2.1 監測站網體系不完善

已建的國家地下水監測工程布站主要以水文地質單元為基礎，主要集中在地下水水資源開發利用程度較高地區進行布設，對一般地區布設密度較低或未布設，未以縣級行政區為單元進行統籌布設。隨著加強縣級行政單元水資源管理需要，以及對超采區、生態補水區、生態脆弱區等區域加強水利行業強監管需要，已建的監測站網已不能完全滿足新的需求，需要在監測空白區、監測站網密度不足地區補充建設。

2.2 監測儀器設備穩定性和可靠性需進一步提高

在國家地下水監測工程推廣應用的一體化水位監測儀器設備，具有體積小、占地少、功耗低、易維護、不易被破壞等優點，較以前應用的分體式監測儀器設備應該說有明顯進步，為我國地下水監測儀器設備技術進步做出了貢獻。然而，在實際應用中也暴露出部分型號設備穩定性、可靠性較差，溫漂與時漂較大；在公網信號較弱地區和2G信號維護不及時地區，出現通信不暢，數據到報率較低；在高寒、高溫高濕地區，電池使用壽命較短等問題。

2.3 面向應用主題的產品比較缺乏

已建的地下水應用系統，主要根據地下水一般的業務流程和生產需要，開發了相應的軟件，形成了一定的數據產品。但是隨著強監管加強，面向應用主題的業務需求不斷增多，如超采區地下水通報、超采區指標管控及預警、超采區動態評價、地下水水資源實時評價、地下水水質影響因素綜合分析等，都急需有相關的業務系統支撐，形成面向應用主題的產品，而目前這些面向應用主題的軟件產品基本屬于空白，還急需加強。

3 有關問題分析與思考

3.1 關于站網補充完善

在已建設的國家地下水監測工程基礎上，以超采區監管、生態補水、水生態修復、水環境保護等新的需求為導向，以縣級行政區為最小規劃單元，按有關技術要求進行規劃建設，站網補充完善主要應考慮以下幾個方面：

3.1.1 滿足應用需求，繼承發展的原則

監測站網、信息采集傳輸、數據處理和應用服務能力滿足最嚴格水資源管理、抗旱減災、生態文明建設、國家重大發展戰略和經濟社會發展的需要。繼承現有兩部國家級自動監測站網，補充新建地下水自動監測站，充分共享利用省級自動監測站，改建一部分封存井、生產井為專用井，全面取代人工觀測；充分利用各級監測中心已有信息系統資源。

3.1.2 縣級行政區劃與水文地質單元相結合的原則

以縣級行政單元為基礎，結合水文地質單元劃分和地下水開發利用狀況及造成的影響程度，按技術規范要求，對縣級行政區應全面布設。對水事敏感區域的跨省級的水文地質單元，在省級行政邊界區應全面布設。

3.1.3 淺層與深層統籌布設的原則

對淺層和深層地下水應統籌考慮，按規范要求全面布設；在山前和代表性丘陵地區應進行布設。

3.1.4 突出重點的原則

在超采區、生態補水區、生態脆弱區、海水入侵區等特殊類型區應加密布設，原則上達到站網密度上限要求。

3.2 關于地下水水位監測精度

一般講，現有生產應用的各種儀器儀表的測量準確度都和測量范圍有關系。即一定的測量準確度指標只在一定的測量范圍內起作用。水位計誤差要求應該結合測量范圍和置信水平提出，用測量不確定度表達。適用于地表水水位測量的《水位觀測標準》中規定的“自記水位計允許測量誤差”就考慮了這些方面，自記水位計允許測量誤差表見表2。

表2 自記水位計允許測量誤差表

對應于地表水水位三種測量范圍，提出了相應的水位測量綜合誤差要求。相對應的是水位量程愈大，其允許綜合誤差也愈大。表2中所列室內測定保證率則提出了不確定度、置信水平的概念。

水位計用于地下水水位測量時，其水位測量準確度要求也應該和水位測量范圍有聯系，而不宜只規定一個單一的絕對誤差要求。并似乎要求無論地下水水位變化5 m，還是10 m、20 m或更大，都能達到某一絕對誤差要求(如±2 cm)。地下水水位測量有別于地表水水位測量的另一個重要問題是具有相應的埋深。地下水埋深還可能很大，大到數十米，甚至幾百米。測量地下水埋深時，其測量誤差也和埋深數值有關，埋深愈大，測量誤差愈大。在此基礎上還有水位的變化范圍影響，更不能用一個絕對誤差來要求。如用絕對誤差(±0.02 m)要求地下水水位的測量準確性，埋深很大時，絕對誤差也較大，很可能達不到要求。在國際標準中，就明確了這些誤差影響的存在。

同時，要考慮自動監測儀器安裝基準水位一般是用人工測量方法測量地下水埋深而得到的，水位計產品標志的誤差是儀器測得的水位變化誤差。所以，最后的水位測量誤差實際上是人工測量地下水埋深和儀器自動測量地下水水位變化量的測量誤差的綜合影響?；诖?，在有關規范編寫時，要充分考慮上述因素，給出自動水位測量儀器精度的科學規定。

3.3 關于地下水水質采樣與檢測

《水環境監測規范》(SL219—2013)規定了地下水水質監測項目，一般為20項、39項，《地下水質量標準》(GB/T14848—2017)規定了常規指標39項和非常規指標54項，規范與標準也簡單規定了地下水采樣器的類型和方法要求，但沒有規定對地下水水質自動監測的要求，對地下水采樣器也沒有提出明確的性能技術要求。國內水文部門以前很少使用專用的地下水采樣器、采樣泵，也基本不進行地下水水質自動監測，缺乏這方面的技術標準規定。國際標準也還沒有對地下水水質監測的專門規定，一些主要國家如美國等有地下水水質采樣的行業標準。

在具體工作中還需探索與研究以下幾方面問題：(1)現行標準對地下水水質采樣規定采用抽水方式進行，但由于有部分井埋深較深，需要較大功率水泵才能抽取，再加之大多數野外沒有市電，需要配置一定功率的汽、柴油發電機拉到現場，才能完成有關采樣工作，其工作難度大、成本高。能否研究其他的采樣方式，如貝勒管替代抽水方式，在研究成果基礎上加以應用。(2)目前絕大多數省級水環境監測中心不具備地下水93項檢測能力，據調查統計一般僅為30～50項，需要加強省級水環境中心檢測儀器設備配置和檢測人員上崗培訓，不斷提高檢測能力和水平。(3)要加強研究單站水質代表性問題。由于地下水水流運移慢，對地下水水質污染物擴散、運移實際上沒有監測，目前采用單站(井)水質評價，其能代表多大范圍水質狀況認識不清，還缺乏實際的監測數據作為佐證，需要加強一定的野外試驗研究，探索研究在不同介質含水層污染擴散運移規律。(4)要加強地下水水質自動監測儀器設備穩定性、可靠性研究。從目前國家地下水監測工程已安裝應用的100套電極法水質自動儀器實際運行來看，效果并不理想，表現出儀器設備穩定性、可靠性較差，時常出現異常數據，在以后應用中，要加強有關儀器設備質量檢測和對比試驗。

3.4 關于地下水水量監測

地下水以人工抽出(開采量)和以泉水、暗河、坎兒井方式自動流出地面，分別以管道或明渠流量測驗方式進行水量測量。使用較正規的管道流量計時，管道出水量測量誤差可控制在2%～5%之間，明渠流量測量誤差稍大些。目前沒有明確的地下水出水量測量規范要求，水文地質勘察規范中有一些簡單的要求，如“出水量測量，采用堰箱或孔板流量計時，水位測量應讀數到毫米。采用水表時，應讀數到0.1 m3。明渠流量測驗誤差可以按河流流量測驗規范的有關規定執行。灌注地下水水量的測量，也可按此規范要求進行監測。抽水試驗時，對抽水流量監測的要求要高一些，一般用堰箱、孔板流量計測量流量。其流量測量不確定度可以達到2%。高精度的堰箱可以達到1%的流量測量不確定度。應該注意，對明渠流量測量，不管是人工還是自動測量，測得的都是流量，還需加上時間因素才能得到地下水出水量。而河流流量測驗規范中的誤差要求都是流量誤差。對于管道流量測量，盡管一些管道流量計的準確度較高，但用于地下水時，可能有各方面的問題。

在農業上，抽取地下水的機井很多，實際難以都裝上流量計，一般采用調查和估算方法獲取，其出水量測量誤差就難以控制。而農業開采量目前占我國地下水開采量的60%～70%，如果農業開采量監測或估算誤差很大，其對地下水開采總量會影響很大。而農業開采量監測一直是一個難點，目前還沒有一個公認的方法解決。筆者認為可從以下兩個方面進行研究探討。(1)加強重力衛星法應用研究。針對目前農業地下水開采量，大部分還是采用調查統計方法獲取數據，存在著代表性不足和統計誤差。有關研究單位，通過GRACE衛星觀測地球重力場變化，反演開采量值，可為大尺度地下水開采量估算和復核提供了新的技術手段，在以后水利系統應加強應用研究。(2)加強電量轉換法應用研究。電量轉換法提出已有較長時間，但在實際應用中受電量獲取、水泵效率確定等因素制約，而實際應用不廣泛。所以要加強與電力部門信息共享，獲取較準確的農村用電量；同時要加強野外試驗研究，獲取不同埋深條件下抽水效率值，從而通過間接方法獲取較為準確的農業開采量數據。

3.5 關于產品開發與應用

3.5.1 加強有關監測技術研究與應用

充分應用5G/NB-Iot、北斗衛星等通信技術，升級一體化監測設備通信模塊；研發與推廣適應高原、高寒、高濕等惡劣環境條件下的地下水一體化監測設備；研發推廣水質采樣整套技術裝備，建立水質自動儀器設備檢測實驗室。結合運維需要，更新有關監測儀器產品，加強與推廣應用運維手機APP。

3.5.2 構建全國水文產品體系

構建全國水文水資源精細化、智能化網格信息產品體系，并廣泛應用于地下水月報、年報、專報編制，地表水和地下水、水量和水質聯合分析評價。

3.5.3 建設超采區水位管控預警系統

建設全國地下水超采區水位管控預警系統，支撐水資源管理和強監管需要；建設重點區域的地下水資源實時分析和超采區動態分析系統，挺高服務時效性；建設全國水質綜合應用分析系統，支撐水環境與水生態保護和修復需要；依托水利大數據中心(國家水文數據庫)、全國水利綜合監管平臺、國控水資源等重點項目實施，構建水文水資源綜合應用服務系統。

4 結語

經過多年努力，我國地下水監測工作取得明顯進步，特別是我國國家地下水監測工程順利竣工驗收，使我國地下水監測技術水平和信息服務能力邁上了一個新臺階，進入一個新時代。隨著我國生態文明建設、超采區綜合治理等應用需求不斷增多，已建的國家地下水監測系統還不能完全滿足生態文明建設和“水利行業強監管”需要，應在國家地下水監測工程建設基礎上，融合共享其他信息資源，加強新一代監測儀器設備研發和應用，利用數據挖掘、大數據等技術，著力提升“監測、動態評價、預測預警、成果服務”能力，基本滿足水利行業強監管需要，為領導決策和社會公眾提供較為豐富的地下水數據產品，基本實現面向主要業務需求的產品化服務，使信息服務支撐能力得到大幅度提升。