从管理角度浅析地下水监测资料时空代表性——以疏勒河昌马灌区为例

曲 炜 ，薛 洋 ，敖 菲 ，李亚林

（1.水利部水资源管理中心，100053，北京；2.北京中水江源地下水保护利用研究所，100053，北京；3.甘肃省疏勒河流域管理局，735211，玉门）

地下水水位状态是气象、水文、地质、人为等各类要素的综合反应，它不仅反应了地下水补给、径流、排泄条件的随机变化过程，同时也是衡量地下水资源开发利用合理与否的重要指标。而描述地下水水位状态是通过自动或人工监测手段，对监测井水位变化情况进行监测，它反映区域内地下水水位受自然、人为双重因素影响下的结果，它是地下水资源管理工作的信息来源和决策依据，也是正确分析地下水资源量、合理开发利用地下水、优化配置水资源必不可少的环节。因此，从时间和空间维度上对现有监测资料的分析，是为了在地下水管理经费不足、人员有限的条件下，合理利用现有监测工具，在满足地下水管理需求的前提下，尽量减少监测井的建设投入和监测频次，这样既满足了工作要求又减少了经济、人员投入，并能为水利部提出的地下水水位管理与总量控制“双控”管理工作做好基础支撑。

一、灌区概况及监测井选取

1.灌区概况

疏勒河昌马灌区位于甘肃省河西走廊西部疏勒河流域中游地区，远离海洋，深居内陆，是流域内重要的农业开发区。本区在气候上属于暖温带干旱区，气候的基本特点为：降水少，蒸发大，干燥度高；冬季寒冷，夏季炎热；昼夜温差大，光热资源丰富；多大风和沙尘暴。根据玉门镇气象站多年气象资料统计分析，多年平均气温6.9℃，降水量为63.4 mm/a，蒸发量为2 897.7 mm/a。

昌马灌区为一完整的盆地，四周群山环绕，南为祁连山，西有北截山，北有桥湾北山、饮马北山，东为干峡。盆地内地形平坦开阔，地势南高北低，南部为昌马洪积扇，中北部为细土平原。疏勒河是区内规模最大的河流，沿昌马洪积扇东部边缘呈南北向，进入细土平原后又呈东西向，向西流入双塔水库。昌马灌区控制面积3 330km2，可耕地 110万亩（1 hm2=15亩，下同），灌溉面积 68.9万亩,主要以地表水灌溉为主、地下水灌溉为辅，灌区内布设32眼地下水监测井，自2001年开始监测。

2.监测井选取

昌马灌区分布的32眼地下水监测井中，以数据一致性、连续性和完整性为原则，选择均匀分布于垂直于洪积扇的断面Ⅰ和断面Ⅱ上，且平行洪积扇轴部的8眼监测井。这8眼监测井在昌马灌区呈“井”字形分布，其中，断面Ⅰ和断面Ⅱ分别距冲洪积扇顶部距离为32.2km和41.8km。由此可见，这8眼监测井主要分布在细土平原区。

二、地下水监测资料空间代表性

在进行地下水水位变化趋势（年际或年内变化）研究中，通常有两种监测井的选取方法：一是在监测井数量较多且分布均匀的情况下，按照一定原则或规范(《地下水动态监测数据标准》等)，均匀选择分布于监测区域的监测井，再以所选监测井地下水水位数据的算数平均值（均值）作为区域地下水变化研究的指标；二是在监测井数量有限的情况下，选择具有代表性的单井数据作为区域地下水研究指标（单井）。本文按照这两种方法对疏勒河昌马灌区已选定的8眼监测井2002—2010年监测数据进行比较分析，了解监测井监测数据在空间分布上的代表性。

1.年际变化趋势

对所选取的8眼监测井2002—2010年各单井水位埋深监测数据进行算数平均，所得各年度算术平均值与各单井水位埋深进行比较分析，找寻算术平均值与单井水位埋深变化规律（如图1所示），并分析昌马灌区地下水水位年际变化情况。

由图1可以看出，以8眼监测井地下水水位年平均埋深（均值）作为指标来看，在研究时段内，昌马灌区地下水水位埋深自2002年至2007年逐渐增大，2007年后埋深逐年减小，2007年的地下水水位埋深值在该时段内达到最大。同时，从图1可发现，8眼监测井中，除了分布于断面Ⅱ的Ⅱ-3监测井外，其余7眼监测井的水位埋深（单井）年际变动趋势较为一致，与年平均埋深（均值）变化趋势也较为一致。Ⅱ-3监测井位于灌区中部，冲洪积扇边缘，其地下水赋存和补径排条件不能很好代表灌区整体情况。由此可见，以8眼监测井地下水水位年平均埋深和单井水位埋深来表征昌马灌区地下水水位多年变化情况，其年际变化趋势基本相同。这一研究结论，解决了监测井布设较为稀疏区域的地下水水位管理难题。在这类区域，可以用单井监测数据反映区域地下水水位变化趋势，只是以单井地下水水位变幅代表区域水位变幅，其精度很难满足研究的需要，但能满足地下水管理需求。

2.年内变化特征

对8眼监测井2002—2010年地下水水位埋深每年逐月进行年平均（均值）和单井逐月年平均，如图2所示。8眼监测井地下水水位埋深平均值随月份变化趋势不明显，若要找寻规律的话，大致在5—10月，水位埋深呈下降趋势，11月—翌年4月，水位略有回升，埋深减小。以单眼监测井逐月水位变动趋势看，8眼监测井的多年年内地下水水位埋深变化各有不同，水位达到最低值及回升的时间不相一致，可知地下水水位埋深在年内的变化趋势，因监测井位置的不同而存在较大差异。

图1 昌马灌区地下水水位埋深多年变化趋势图

图2 昌马灌区地下水埋深多年月平均变化曲线

图3 昌马灌区3月份（2002—2010年）地下水水位埋深变化趋势

图4 昌马灌区2002—2010年地下水水位埋深年均值与时刻均值变化趋势对比图

由此可见，在分析灌区地下水水位埋深多年年内变化趋势时，多井平均埋深与单井平均埋深的变化趋势不同。

三、地下水监测资料时间代表性

在地下水水位年际变化研究中，一般有两种数据选择方法：一是以监测井年平均数据作为研究指标，二是在研究时段内，选取监测井每年某一特定时刻的水位数据作为研究指标。由于3月份受降水等气象因素影响大，地下水开采等人为因素影响较小，故常选取每年3月份的水位值作为年内特定时刻的水位指标。

在地下水水位年内变化研究中，一般有两种数据选择方法：一是以研究时段内多年月平均水位数据作为指标进行，二是选取典型年份逐月水位数据进行分析。

1.年际变化趋势

昌马灌区2002—2010年8眼地下水监测井每年3月份地下水水位埋深如图3所示。监测井3月份的水位埋深均值与各单井3月份水位埋深变化趋势较为一致。同时，对比8眼监测井地下水水位年平均埋深和各监测井每年3月份地下水水位埋深（见图4），两者地下水水位埋深变化也较为一致，同在2007年水位埋深出现拐点，且埋深数值较为接近。由此可以看出，以年平均地下水水位埋深数据和以时刻点地下水位埋深数据均可以表征研究区的地下水水位埋深的年际变化趋势。因此，对于监测井而言，若不是拟合监测井水位变化与自然或人为影响因素之间的关系，仅仅作为地下水管理的依据，其监测频次可以降低到每年一次，即在每年3月份的某一时段监测地下水水位值，以该水位值作为该区域当年地下水水位值，这样既减少了监测工作量又满足地下水管理需求。

2.年内变化特征

在对昌马灌区近十年地下水水位年内变化分析时，分别以8眼监测井地下水水位2002—2010年期间逐月平均值（见图2）和2002年与 2010年年内地下水水位埋深作为指标进行分析，如图5所示。从图5中可以看出，以8眼监测井地下水水位年平均埋深作为指标来看，在研究时段内，Ⅰ-1、Ⅰ-2和Ⅰ-3监测井的水位年内随季节变化幅度较大，而其余监测井地下水水位年内随季节变化幅度不显著。同时，可以看出，以2002年和2010年为典型年的年内变化研究中可以看出，除Ⅰ-1、Ⅱ-1和Ⅱ-2监测井外，在两个典型年内，其余监测井地下水水位埋深的年内变化基本相同，且与多年年内地下水水位变化趋势基本一致。

综上所述，在灌区年内变化研究中，多年年内变化趋势与典型年年内变化趋势基本相同。

四、结 论

①在区域地下水水位年际变化趋势分析中，采用区域多个监测井地下水水位平均埋深和具有代表性的单井水位埋深，其年际变化趋势基本相同，故选择具有代表性的监测井，以其水位变化情况代表监测区域地下水水位变化情况，可以有效减少监测井的数量和监测时间，减少经济和人力投入。采用区域年平均地下水水位埋深和固定时刻点地下水水位埋深的年际变化趋势基本相同，可以有效减少监测频率，节约大量的监测成本。总之，对非研究性的地下水水位管理而言，可以用单井地下水水位动态代表区域水位动态，可以用时刻点的水位值代表全年水位变化情况。

②在灌区地下水水位年内变化研究中，由于灌区地质条件、水文条件的不同，监测井的空间分布很大程度影响了其接受补给和涵养的速率，所以在分析区域地下水多年平均年内变化趋势时，在土壤质地均一、水文条件类似的区域，选择具有代表性的单井数据进行分析，选择典型年份进行年内分析，可以有效地减少地下水的监测成本。

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