楊志巖， 李元杰， 武永濤， 牛艷東， 許蕊

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，呼和浩特 010020)

0 引言

地下水監(jiān)測是認(rèn)識(shí)和掌握地下水動(dòng)態(tài)變化特征，分析評(píng)價(jià)地下水資源，合理開發(fā)利用、減輕和防治地下水污染及其相關(guān)生態(tài)環(huán)境等問題的重要基礎(chǔ)。通過監(jiān)測地下水水位、水質(zhì)、水量、水溫等動(dòng)態(tài)信息，不僅可以為水循環(huán)規(guī)律研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且能夠?yàn)檎峁┬畔⒑图夹g(shù)支撐，對(duì)我國地下水資源優(yōu)化配置、地下水環(huán)境改善、城市發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、工業(yè)發(fā)展布局等具有戰(zhàn)略性的指導(dǎo)意義[1-2]。國際上對(duì)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)的研究開始于1981年，我國在相關(guān)方面的研究開始于20世紀(jì)90年代末期[3-5]。

西遼河地區(qū)是東北地區(qū)最干旱少雨的區(qū)域[6]。缺水是引起該區(qū)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的主要原因之一，是制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”[7-8]。近年來，流域水資源需求進(jìn)一步加大，降水與上游來水有所減少，地下水在西遼河平原區(qū)的重要性更加突出，合理開發(fā)和利用水資源是實(shí)現(xiàn)這一地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

國家地下水監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目是由自然資源部和水利部共同實(shí)施的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全國地下水動(dòng)態(tài)的有效監(jiān)測。西遼河平原國家地下水監(jiān)測工程作為國家地下水監(jiān)測工程(自然資源部分)的一部分，其任務(wù)就是進(jìn)一步補(bǔ)充完善本區(qū)地下水監(jiān)測井點(diǎn)的數(shù)量和布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)本區(qū)主要水文地質(zhì)單元、主要開采區(qū)、主要城市的地下水動(dòng)態(tài)和變化趨勢以及由此引起的環(huán)境地質(zhì)問題的監(jiān)測[9]，為西遼河平原地下水資源的管理和保護(hù)提供技術(shù)支持，為從事地質(zhì)環(huán)境管理的政府相關(guān)職能部門提供決策依據(jù)。

1 監(jiān)測區(qū)概況

西遼河平原位于大興安嶺的東部和南部，北起科爾沁右翼中旗的嫩江支流古里河，南至奈曼旗的燕山北麓山地并與遼寧毗連，西起翁牛特旗，東至科爾沁左翼中旗，與吉林省為鄰。屬東北松遼平原的西緣，包括通遼市、赤峰市及興安盟的絕大部分地區(qū)，東西長約360 km，寬約240 km，整體呈三角形(圖1(a))。監(jiān)測區(qū)地勢西高東低，地面波浪起伏，地貌結(jié)構(gòu)差異較小。地表被新生界松散巖類廣為覆蓋，地表沉積物由較厚的第四系沖積、洪積、湖積細(xì)砂及黏性土組成。在西遼河平原西部及南部地區(qū)，經(jīng)風(fēng)吹揚(yáng)搬運(yùn)形成了大面積沙地，稱為科爾沁沙地。

圖1 西遼河平原監(jiān)測區(qū)地理位置(a)及監(jiān)測井點(diǎn)分布(b)

西遼河平原主要含水層為第四系和新近系，含水層厚度大，巖性顆粒粗，補(bǔ)給、徑流條件好，地下水循環(huán)快，水質(zhì)好，礦化度低，一般小于1.0 g/L，水化學(xué)類型以HCO3-Ca型和HCO3-Ca·Mg型為主。

1.1 西遼河平原地下水環(huán)境問題

1.1.1 區(qū)域性水位下降及降落漏斗

西遼河平原淺層地下水的平均地下水埋深值由1980年的2.39 m，增加至2015年的6.23 m[10]。至2017年末，地下水埋深超過12 m的區(qū)域主要位于通遼市城區(qū)、開魯縣和奈曼旗[11]。通遼市城區(qū)地下水水位從1979年到2015年已平均下降了9.15 m，平均每年下降0.25 m，而最近10 a其下降幅度明顯加大，下降幅度為4.57 m，平均每年下降0.457 m。經(jīng)過多年開采，通遼市城區(qū)地下水已形成2個(gè)較穩(wěn)定的地下水水位降落漏斗，分別為城區(qū)東郊工業(yè)區(qū)降落漏斗和第二水廠水源地降落漏斗(圖2)。東郊工業(yè)區(qū)地下水水位降落漏斗出現(xiàn)在二十世紀(jì)七八十年代，水位與1979年同期相比，漏斗中心水位下降了10.31 m，地下水水位降落漏斗區(qū)總體呈增大趨勢； 第二水廠水源地地下水水位降落漏斗為2005年新增，呈圓形分布，2015年與2006年同期相比，面積增大了1.67 km2，中心水位下降了4.81 m，地下水水位降落漏斗區(qū)總體呈增大趨勢。

圖2 通遼市城區(qū)地下水水位降落漏斗變化

1.1.2 地下水水質(zhì)污染

在通遼市科爾沁區(qū)以東的西遼河平原區(qū)，地下水污染嚴(yán)重[12]。由于地下水埋藏較淺，污染物易隨降水、灌溉水、城市污水等不斷進(jìn)入表層地下水中。在城鎮(zhèn)周圍，地下水污染主要是由生活、工業(yè)等廢污水未達(dá)標(biāo)排放及垃圾亂堆放產(chǎn)生的淋濾液進(jìn)入地下水中造成的； 農(nóng)區(qū)的地下水污染主要是居民及牲畜活動(dòng)、生活污水和農(nóng)家肥與化肥使用造成的。部分地區(qū)淺層地下水已不適宜直接作為生活飲用水，部分區(qū)域鐵和錳本底值超標(biāo)嚴(yán)重。

1.2 原始地下水監(jiān)測存在問題

原始地下水監(jiān)測存在以下問題： ①監(jiān)測范圍局限,監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量太少； ②專業(yè)監(jiān)測孔數(shù)量少，大部分為機(jī)民井，監(jiān)測數(shù)據(jù)受外界條件影響大； ③監(jiān)測孔保護(hù)設(shè)施不完善,可利用的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量逐年下降； ④監(jiān)測技術(shù)手段落后，設(shè)備、儀器比較陳舊，信息采集及傳輸手段落后,大部分地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作仍由人工方式實(shí)施； ⑤數(shù)據(jù)分析全部人工完成，工作量大。

隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展，城鎮(zhèn)化加速，原有監(jiān)測井已經(jīng)不能滿足地下水監(jiān)測要求，因此，建設(shè)更加專業(yè)、覆蓋更全面的地下水監(jiān)測網(wǎng)尤為重要。

2 國家地下水監(jiān)測網(wǎng)西遼河平原監(jiān)測區(qū)建設(shè)情況

2.1 目標(biāo)任務(wù)

國家地下水監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)工程的目標(biāo)任務(wù)是建立比較完整的國家級(jí)地下水監(jiān)測站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)西遼河平原地下水動(dòng)態(tài)的有效監(jiān)測，為政府各部門和社會(huì)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的地下水動(dòng)態(tài)信息，滿足科學(xué)研究和社會(huì)公眾對(duì)地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置和科學(xué)管理地下水資源、防治地質(zhì)災(zāi)害、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，為水資源可持續(xù)開發(fā)利用和國家重大戰(zhàn)略決策提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 地下水監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)原則和工程實(shí)施過程

2.2.1 監(jiān)測井點(diǎn)布設(shè)原則

監(jiān)測井點(diǎn)的布設(shè)重點(diǎn)關(guān)注地下水超采區(qū)、城市、水源地等地區(qū)以及地質(zhì)環(huán)境問題突出的地區(qū)，同時(shí)兼顧一般開采區(qū)。在監(jiān)測孔的布設(shè)和施工等方面，要求所選擇的孔位交通便利，便于管理維護(hù)，節(jié)約資源[13]。

國家地下水監(jiān)測網(wǎng)西遼河平原監(jiān)測區(qū)地下水監(jiān)測井點(diǎn)布設(shè)充分考慮了西遼河地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源管理和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的要求，建成的監(jiān)測網(wǎng)能夠及時(shí)掌握超采區(qū)、集中式地下水水源地、污染嚴(yán)重區(qū)、土地荒漠化區(qū)、地方病高發(fā)區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)和演變規(guī)律，并能及時(shí)預(yù)測和預(yù)報(bào)地下水資源狀況和地質(zhì)災(zāi)害。在原有監(jiān)測井的基礎(chǔ)上，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)監(jiān)測點(diǎn)密度較低或缺乏的地區(qū)，新建專用監(jiān)測網(wǎng)，達(dá)到全面監(jiān)測的目的。

2.2.2 工程實(shí)施過程

(1)施工準(zhǔn)備。編制施工設(shè)計(jì)及施工細(xì)則，按照國家級(jí)地下水監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)要求編制施工方案和工序。

(2)監(jiān)測井施工。本項(xiàng)目共完成新建監(jiān)測井93眼，改建機(jī)民井24眼，共建設(shè)監(jiān)測井117眼。監(jiān)測井建設(shè)工作流程為： 野外踏勘確定井位→鉆探成井→抽水試驗(yàn)→取水樣送檢→井口保護(hù)裝置安裝。

(3)自動(dòng)監(jiān)測儀的安裝。西遼河平原地下水監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)共安裝完成自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備117套。

2.3 國家地下水監(jiān)測網(wǎng)西遼河平原監(jiān)測區(qū)建設(shè)概況

西遼河平原是我區(qū)重要的糧食生產(chǎn)基地，監(jiān)測區(qū)控制面積57 000 km2，區(qū)內(nèi)地下水主要開采層位為潛水。共布設(shè)國家地下水監(jiān)測井117眼，全部為潛水監(jiān)測井，其中新建監(jiān)測井93眼，改建機(jī)民井24眼(圖1(b))，監(jiān)測井點(diǎn)布設(shè)密度為 2.1點(diǎn)/1 000 km2，主要監(jiān)測層位為第四系松散沉積物孔隙水含水層，監(jiān)測層位最大深度為206 m。監(jiān)測井的分布基本滿足水位及水質(zhì)監(jiān)測的要求，尤其是通遼市科爾沁區(qū)附近，其監(jiān)測井較為密集，監(jiān)測精度較高，能夠較為準(zhǔn)確地監(jiān)測地下水水位和水溫狀況，較好地反映地下水水質(zhì)狀況，準(zhǔn)確揭露該區(qū)地下水降落漏斗范圍。

3 國家級(jí)地下水監(jiān)測工程的成果

3.1 監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)更加全面、合理

本項(xiàng)目共建設(shè)117眼監(jiān)測井，覆蓋整個(gè)西遼河平原地區(qū)，對(duì)城市人口密集區(qū)進(jìn)行加密布設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該地區(qū)地下水水位的有效監(jiān)測，完善了國家地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。另外，這117眼地下水監(jiān)測井全部為專用監(jiān)測井點(diǎn)，解決了目前絕大多數(shù)監(jiān)測井為生產(chǎn)井和民用井的問題，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的持續(xù)性和可靠性。

3.2 信息采集傳輸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，信息的時(shí)效性大幅度提高

本項(xiàng)目通過壓力式傳感器對(duì)地下水水位、水溫進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，經(jīng)信號(hào)發(fā)射裝置通過短消息(Standard Modular System,SMS)、通用無線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service,GPRS)模式以虛擬撥號(hào)專用網(wǎng)(Virtual Private Dial-up Networks,VPDN)傳輸方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至國家地下水監(jiān)測中心。同時(shí)采用接入點(diǎn)(Access Point Name,APN)虛擬通道作為數(shù)據(jù)傳輸備選方案，為數(shù)據(jù)傳輸安全提供技術(shù)保障。在地下水水位、水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸工作中，每個(gè)監(jiān)測井采集頻率為每天采集數(shù)據(jù)24次，發(fā)送1次。由于水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取具有一定的局限性，目前仍采用人工采樣(表1)。

表1 原始監(jiān)測手段數(shù)據(jù)采集與地下水自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集情況對(duì)比

另外，為確保自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用現(xiàn)場人工實(shí)測與自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校測。將人工實(shí)測數(shù)據(jù)與自動(dòng)監(jiān)測儀讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)水位誤差小于探頭深度(管口到探頭的距離)的1‰時(shí)，滿足誤差要求。自動(dòng)監(jiān)測儀將水位、水溫?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的正常情況確認(rèn)，對(duì)超過3 d尚未上報(bào)的監(jiān)測井進(jìn)行野外排查，然后提取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測井附近的其他相同監(jiān)測目的層井進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證。

3.3 建成了國家地下水監(jiān)測工程信息服務(wù)系統(tǒng)，提升了地下水監(jiān)測信息獲取、分析、共享和服務(wù)能力

地下水監(jiān)測網(wǎng)信息采集與傳輸建設(shè)內(nèi)容包括國家級(jí)地下水監(jiān)測井信息采集設(shè)備及監(jiān)測井至各級(jí)地下水信息站或監(jiān)測中心的通信設(shè)備。國家地下水監(jiān)測中心對(duì)國家級(jí)地下水監(jiān)測井的信息采集與傳輸施行統(tǒng)一管理，地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸流程如圖3所示。水位、流量、水溫等自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)同步工具同步到信息服務(wù)系統(tǒng)，水質(zhì)數(shù)據(jù)采用野外取樣化驗(yàn)室分析方式，將水質(zhì)分析數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)錄入工具錄入信息服務(wù)系統(tǒng)。

圖3 地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸流程示意圖

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地下水水位、水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程獲取與數(shù)據(jù)入庫，實(shí)現(xiàn)了地下水水位野外監(jiān)測、地下水水質(zhì)監(jiān)測等相關(guān)數(shù)據(jù)的快速入庫，為地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供了信息技術(shù)支撐。利用地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)軟件，可進(jìn)行地下水水位動(dòng)態(tài)變化曲線與地下水水溫動(dòng)態(tài)變化曲線的繪制以及地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等，為實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)監(jiān)測井的地下水環(huán)境變化提供支撐。另外，地下水等水位線圖、地下水埋深分區(qū)圖、地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)和水化學(xué)分析等快速制圖工具，也為地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上報(bào)和地下水環(huán)境狀況分析提供了有力支撐。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)國家地下水監(jiān)測工程(自然資源部分)在西遼河平原監(jiān)測區(qū)共布設(shè)了地下水自動(dòng)監(jiān)測井117眼，其中新建監(jiān)測井93眼，改建機(jī)民井24眼，安裝自動(dòng)監(jiān)測儀117套。監(jiān)測區(qū)控制面積57 000 km2，主要監(jiān)測層位為第四系松散沉積物孔隙水含水層，監(jiān)測層位最大深度為206 m。

(2)該項(xiàng)目使地下水動(dòng)態(tài)信息采集傳輸實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，信息的時(shí)效性大幅度提高； 建成了國家地下水監(jiān)測工程信息服務(wù)系統(tǒng)，提升了地下水監(jiān)測信息獲取、分析、共享和服務(wù)能力。

4.2 建議

(1)監(jiān)測井密度較低，另外監(jiān)測井主要部署于平原區(qū)，主要監(jiān)測地下水類型為松散巖類孔隙水及碎屑巖類孔隙裂隙水，對(duì)基巖裂隙水基本沒有監(jiān)測，山區(qū)、丘陵區(qū)監(jiān)測點(diǎn)甚至是空白。建議開展國家地下水監(jiān)測井二期建設(shè)時(shí)，對(duì)監(jiān)測密度較低的地區(qū)增加監(jiān)測井點(diǎn)，尤其要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)污染嚴(yán)重區(qū)及重大工程沿線的監(jiān)測。

(2)此外，地下水水質(zhì)監(jiān)測頻率較低，突發(fā)水質(zhì)問題不能及時(shí)監(jiān)測，建議增加水質(zhì)監(jiān)測的頻次。