对地下水监测有关问题分析与思考

章雨乾，章树安

(1.中国水权交易所，北京 100053；2.水利部国家地下水监测中心，北京 100053)

地下水是水资源的重要组成部分，是北方地区重要的供水水源，是维护生态环境系统的重要影响因子，其作用无可替代。受我国自然地理、气候特征和人类活动影响，目前我国还存在着水资源短缺、水环境污染、水生态受损等主要水问题，特别是在我国北方地区由于地下水不合理开发，也引发了区域地下水位持续下降、地面沉降、海水入侵、泉流量锐减、植被退化等一系列生态环境问题。

地下水监测是掌握地下水水位(埋深)、水温、水质、水量等动态要素，研究其变化规律的一项长期性、基础性工作，是分析评价地下水资源、制定合理开发利用与有效保护措施、减轻和防治地下水污染及其相关生态环境等问题的重要基础。

加强地下水监测是贯彻落实新时代党中央重要治水思路，实施最严格的水资源管理，加强水生态文明建设等必然要求，所以探讨与研究目前地下水监测有关问题是非常必要和重要的，旨在进一步开拓思路、加强有关技术研究，切实做好有关工作，为水利行业强监管提供更好的支撑与服务。

1 我国地下水监测发展概述

1.1 地下水监测发展历程

(1)在2015年以前，据统计水利系统共有地下水基本监测站点约16 000处，主要集中在我国北方地区，南方地区基本空白；大部分监测站点主要利用生产井、民井，通过委托观测人员进行人工观测，采用的测量工具主要是测钟，监测要素主要为埋深；监测频次以五日为主，部分站也有每日和十日观测；信息报送以信件、电话等方式。这种监测方式表现出监测频次低、时效性差，利用生产井监测由于受动水位影响，精度也较差。总的来说，地下水监测工作基础差、专业技术人员少、机构不完善。

(2)在这期间，随着水资源管理需求提高，以前人工监测方式也难以满足管理应用需要，北京、天津、山西、河南、辽宁等地开始尝试建设部分地下水自动监测站，新建了部分监测专用井，采用分体式自动测报方式建设地下水监测系统，解决了上述部分问题，但监测要素主要为埋深/水位，要素较单一。受当时技术条件限制，其自动测报系统稳定性较差，监测仪器设备故障率较高。

(3)随着2015年国家地下水监测工程开工建设，以及国家水资源监控能力项目一、二期工程建设，目前可实现地下水水位/埋深、水温、水量自动监测，部分站实现了水质自动监测。

1.2 地下水监测主要技术要求

《地下水监测工程技术规范》(GB/T 51040—2014)，对水位/埋深、水质、水量、水温等要素监测基本要求见表1。

表1 地下水监测要素与主要技术要求

1.3 主要监测技术方法

1.3.1 水位(埋深)

人工监测主要包括测绳、测钟(盅)、悬锤式水位计、钢尺等；半自动监测主要是指可模拟或数值记录，但不能自动传输的仪器设备，如传统浮子水位计，可模拟记录，但无RTU；自动监测主要是指可实现数值记录和自动传输仪器设备，如浮子水位计、压力式水位计和RTU。

1.3.2 水质

主要依靠人工采样，送水质实验室检测，其采样方法可采用抽水、贝勒管等方式采样；部分水质指标可采用水质分析仪在现场获取，也可采用电极法等方法实现部分参数自动监测。

1.3.3 水量

泉流量一般采用堰槽法、流速仪法、水位—流量关系曲线等方法监测；开采量一般采用调查统计法，如用水定额、普通水表等；自动测量，如采用水工建筑物、超声流量计、电磁流量计等；间接测量，如采用电量转换法、油量转换法等。

1.3.4 水温

人工监测一般采用玻璃温度计、数字式温度计等；自动监测可采用独立传感器和RTU，也可用集成传感器：水位-水温-或pH、电导率等水质参数和RTU实现水温自动监测。

2 国家地下水监测工程取得主要成就与问题

由水利部和自然资源部联合申报、分别实施建设的国家地下水监测工程，共建设20 469个地下水自动监测站。水利部建设的国家地下水监测工程已于2020年1月通过了水利部竣工验收，共建成10 298个地下水自动监测站，国家、流域、省级和地市级四级监测中心。基本可监控我国主要平原区、盆地、岩溶山区350万 km2，在北方重点地区进行了加密布设，南方空白地区进行了适当布设，两部布设密度达到5.8站/103km2；地下水信息采集、传输自动化水平大幅度提高，地下水监测频次和时效性明显提升；基本建成集地下水监测数据接收、处理、存储、交换共享和应用服务等功能的信息服务系统，基本实现两部信息共享。较好的解决了以前专用监测井少、人工监测频次低时效性差、数据处理和信息服务能力弱等突出问题，使我国地下水监测技术与信息服务能力明显提高。

目前国家地下水监测工程所监测的数据和分析评价成果，已为华北地下水超采综合治理、生态补水、黄河流域生态保护与高质量发展、南水北调工程生态效益评价、全国地下水超采区水位变化通报等工作提供了有力支撑，发挥了重要作用。

随着生态文明建设对地下水超采治理与管理要求的提高，以及最严格水资源管理制度考核对地下水管理的不断强化，对地下水监测与服务能力要求明显提高，已建的国家地下水监测工程还不能完全满足“水利工程补短板、水利行业强监管”总基调要求，还存在一定差距。主要表现在以下几个方面：

2.1 监测站网体系不完善

已建的国家地下水监测工程布站主要以水文地质单元为基础，主要集中在地下水水资源开发利用程度较高地区进行布设，对一般地区布设密度较低或未布设，未以县级行政区为单元进行统筹布设。随着加强县级行政单元水资源管理需要，以及对超采区、生态补水区、生态脆弱区等区域加强水利行业强监管需要，已建的监测站网已不能完全满足新的需求，需要在监测空白区、监测站网密度不足地区补充建设。

2.2 监测仪器设备稳定性和可靠性需进一步提高

在国家地下水监测工程推广应用的一体化水位监测仪器设备，具有体积小、占地少、功耗低、易维护、不易被破坏等优点，较以前应用的分体式监测仪器设备应该说有明显进步，为我国地下水监测仪器设备技术进步做出了贡献。然而，在实际应用中也暴露出部分型号设备稳定性、可靠性较差，温漂与时漂较大；在公网信号较弱地区和2G信号维护不及时地区，出现通信不畅，数据到报率较低；在高寒、高温高湿地区，电池使用寿命较短等问题。

2.3 面向应用主题的产品比较缺乏

已建的地下水应用系统，主要根据地下水一般的业务流程和生产需要，开发了相应的软件，形成了一定的数据产品。但是随着强监管加强，面向应用主题的业务需求不断增多，如超采区地下水通报、超采区指标管控及预警、超采区动态评价、地下水水资源实时评价、地下水水质影响因素综合分析等，都急需有相关的业务系统支撑，形成面向应用主题的产品，而目前这些面向应用主题的软件产品基本属于空白，还急需加强。

3 有关问题分析与思考

3.1 关于站网补充完善

在已建设的国家地下水监测工程基础上，以超采区监管、生态补水、水生态修复、水环境保护等新的需求为导向，以县级行政区为最小规划单元，按有关技术要求进行规划建设，站网补充完善主要应考虑以下几个方面：

3.1.1 满足应用需求，继承发展的原则

监测站网、信息采集传输、数据处理和应用服务能力满足最严格水资源管理、抗旱减灾、生态文明建设、国家重大发展战略和经济社会发展的需要。继承现有两部国家级自动监测站网，补充新建地下水自动监测站，充分共享利用省级自动监测站，改建一部分封存井、生产井为专用井，全面取代人工观测；充分利用各级监测中心已有信息系统资源。

3.1.2 县级行政区划与水文地质单元相结合的原则

以县级行政单元为基础，结合水文地质单元划分和地下水开发利用状况及造成的影响程度，按技术规范要求，对县级行政区应全面布设。对水事敏感区域的跨省级的水文地质单元，在省级行政边界区应全面布设。

3.1.3 浅层与深层统筹布设的原则

对浅层和深层地下水应统筹考虑，按规范要求全面布设；在山前和代表性丘陵地区应进行布设。

3.1.4 突出重点的原则

在超采区、生态补水区、生态脆弱区、海水入侵区等特殊类型区应加密布设，原则上达到站网密度上限要求。

3.2 关于地下水水位监测精度

一般讲，现有生产应用的各种仪器仪表的测量准确度都和测量范围有关系。即一定的测量准确度指标只在一定的测量范围内起作用。水位计误差要求应该结合测量范围和置信水平提出，用测量不确定度表达。适用于地表水水位测量的《水位观测标准》中规定的“自记水位计允许测量误差”就考虑了这些方面，自记水位计允许测量误差表见表2。

表2 自记水位计允许测量误差表

对应于地表水水位三种测量范围，提出了相应的水位测量综合误差要求。相对应的是水位量程愈大，其允许综合误差也愈大。表2中所列室内测定保证率则提出了不确定度、置信水平的概念。

水位计用于地下水水位测量时，其水位测量准确度要求也应该和水位测量范围有联系，而不宜只规定一个单一的绝对误差要求。并似乎要求无论地下水水位变化5 m，还是10 m、20 m或更大，都能达到某一绝对误差要求(如±2 cm)。地下水水位测量有别于地表水水位测量的另一个重要问题是具有相应的埋深。地下水埋深还可能很大，大到数十米，甚至几百米。测量地下水埋深时，其测量误差也和埋深数值有关，埋深愈大，测量误差愈大。在此基础上还有水位的变化范围影响，更不能用一个绝对误差来要求。如用绝对误差(±0.02 m)要求地下水水位的测量准确性，埋深很大时，绝对误差也较大，很可能达不到要求。在国际标准中，就明确了这些误差影响的存在。

同时，要考虑自动监测仪器安装基准水位一般是用人工测量方法测量地下水埋深而得到的，水位计产品标志的误差是仪器测得的水位变化误差。所以，最后的水位测量误差实际上是人工测量地下水埋深和仪器自动测量地下水水位变化量的测量误差的综合影响。基于此，在有关规范编写时，要充分考虑上述因素，给出自动水位测量仪器精度的科学规定。

3.3 关于地下水水质采样与检测

《水环境监测规范》(SL219—2013)规定了地下水水质监测项目，一般为20项、39项，《地下水质量标准》(GB/T14848—2017)规定了常规指标39项和非常规指标54项，规范与标准也简单规定了地下水采样器的类型和方法要求，但没有规定对地下水水质自动监测的要求，对地下水采样器也没有提出明确的性能技术要求。国内水文部门以前很少使用专用的地下水采样器、采样泵，也基本不进行地下水水质自动监测，缺乏这方面的技术标准规定。国际标准也还没有对地下水水质监测的专门规定，一些主要国家如美国等有地下水水质采样的行业标准。

在具体工作中还需探索与研究以下几方面问题：(1)现行标准对地下水水质采样规定采用抽水方式进行，但由于有部分井埋深较深，需要较大功率水泵才能抽取，再加之大多数野外没有市电，需要配置一定功率的汽、柴油发电机拉到现场，才能完成有关采样工作，其工作难度大、成本高。能否研究其他的采样方式，如贝勒管替代抽水方式，在研究成果基础上加以应用。(2)目前绝大多数省级水环境监测中心不具备地下水93项检测能力，据调查统计一般仅为30～50项，需要加强省级水环境中心检测仪器设备配置和检测人员上岗培训，不断提高检测能力和水平。(3)要加强研究单站水质代表性问题。由于地下水水流运移慢，对地下水水质污染物扩散、运移实际上没有监测，目前采用单站(井)水质评价，其能代表多大范围水质状况认识不清，还缺乏实际的监测数据作为佐证，需要加强一定的野外试验研究，探索研究在不同介质含水层污染扩散运移规律。(4)要加强地下水水质自动监测仪器设备稳定性、可靠性研究。从目前国家地下水监测工程已安装应用的100套电极法水质自动仪器实际运行来看，效果并不理想，表现出仪器设备稳定性、可靠性较差，时常出现异常数据，在以后应用中，要加强有关仪器设备质量检测和对比试验。

3.4 关于地下水水量监测

地下水以人工抽出(开采量)和以泉水、暗河、坎儿井方式自动流出地面，分别以管道或明渠流量测验方式进行水量测量。使用较正规的管道流量计时，管道出水量测量误差可控制在2%～5%之间，明渠流量测量误差稍大些。目前没有明确的地下水出水量测量规范要求，水文地质勘察规范中有一些简单的要求，如“出水量测量，采用堰箱或孔板流量计时，水位测量应读数到毫米。采用水表时，应读数到0.1 m3。明渠流量测验误差可以按河流流量测验规范的有关规定执行。灌注地下水水量的测量，也可按此规范要求进行监测。抽水试验时，对抽水流量监测的要求要高一些，一般用堰箱、孔板流量计测量流量。其流量测量不确定度可以达到2%。高精度的堰箱可以达到1%的流量测量不确定度。应该注意，对明渠流量测量，不管是人工还是自动测量，测得的都是流量，还需加上时间因素才能得到地下水出水量。而河流流量测验规范中的误差要求都是流量误差。对于管道流量测量，尽管一些管道流量计的准确度较高，但用于地下水时，可能有各方面的问题。

在农业上，抽取地下水的机井很多，实际难以都装上流量计，一般采用调查和估算方法获取，其出水量测量误差就难以控制。而农业开采量目前占我国地下水开采量的60%～70%，如果农业开采量监测或估算误差很大，其对地下水开采总量会影响很大。而农业开采量监测一直是一个难点，目前还没有一个公认的方法解决。笔者认为可从以下两个方面进行研究探讨。(1)加强重力卫星法应用研究。针对目前农业地下水开采量，大部分还是采用调查统计方法获取数据，存在着代表性不足和统计误差。有关研究单位，通过GRACE卫星观测地球重力场变化，反演开采量值，可为大尺度地下水开采量估算和复核提供了新的技术手段，在以后水利系统应加强应用研究。(2)加强电量转换法应用研究。电量转换法提出已有较长时间，但在实际应用中受电量获取、水泵效率确定等因素制约，而实际应用不广泛。所以要加强与电力部门信息共享，获取较准确的农村用电量；同时要加强野外试验研究，获取不同埋深条件下抽水效率值，从而通过间接方法获取较为准确的农业开采量数据。

3.5 关于产品开发与应用

3.5.1 加强有关监测技术研究与应用

充分应用5G/NB-Iot、北斗卫星等通信技术，升级一体化监测设备通信模块；研发与推广适应高原、高寒、高湿等恶劣环境条件下的地下水一体化监测设备；研发推广水质采样整套技术装备，建立水质自动仪器设备检测实验室。结合运维需要，更新有关监测仪器产品，加强与推广应用运维手机APP。

3.5.2 构建全国水文产品体系

构建全国水文水资源精细化、智能化网格信息产品体系，并广泛应用于地下水月报、年报、专报编制，地表水和地下水、水量和水质联合分析评价。

3.5.3 建设超采区水位管控预警系统

建设全国地下水超采区水位管控预警系统，支撑水资源管理和强监管需要；建设重点区域的地下水资源实时分析和超采区动态分析系统，挺高服务时效性；建设全国水质综合应用分析系统，支撑水环境与水生态保护和修复需要；依托水利大数据中心(国家水文数据库)、全国水利综合监管平台、国控水资源等重点项目实施，构建水文水资源综合应用服务系统。

4 结语

经过多年努力，我国地下水监测工作取得明显进步，特别是我国国家地下水监测工程顺利竣工验收，使我国地下水监测技术水平和信息服务能力迈上了一个新台阶，进入一个新时代。随着我国生态文明建设、超采区综合治理等应用需求不断增多，已建的国家地下水监测系统还不能完全满足生态文明建设和“水利行业强监管”需要，应在国家地下水监测工程建设基础上，融合共享其他信息资源，加强新一代监测仪器设备研发和应用，利用数据挖掘、大数据等技术，着力提升“监测、动态评价、预测预警、成果服务”能力，基本满足水利行业强监管需要，为领导决策和社会公众提供较为丰富的地下水数据产品，基本实现面向主要业务需求的产品化服务，使信息服务支撑能力得到大幅度提升。