3.1.1 地下水觀測網的定義

地下水作為一種寶貴的自然資源，被大量開采。過量開采地下水，會造成地下水水位持續下降，引起一系列環境、生態及社會問題。例如，城市地面沉降造成建筑物、道路的破壞；沿海城市過量開采地下水，引起海水入侵；干旱區過量開采地下水，引起土地沙化；巖溶區過量開采地下水，引起地面塌陷；不合理地大量引進地表水，如農田灌溉，地下水位上升近地表，使土壤次生鹽漬化、沼澤化；修筑大壩工程，庫區附近地下水位抬升，一方面使土壤次生鹽漬化；另一方面也會引起斜坡不穩定。由于人類的活動，加劇了地下水水量、水質的變化。對地下水變化進行時、空觀測，是地下水開發、管理、預測與控制的一項重要任務。為了研究地下水資源量與質的時、空變化規律，及時提供地下水治理方案，在地下水系統中設置一系列具有某種共同目的的觀測井，這些井的有機組合，形成了地下水觀測網。

從地下水系統的觀點看，地下水觀測網可定義為[1]：“由具有特定的觀測目的及有效地搜集地下水信息的觀測井集所構成的系統”。該系統的基本元素是觀測點的幾何位置、密度和觀測頻率。該系統具有目的性，即為了某種目的而設置。例如在水源地內設置水位、水質觀測井，按照一定采樣頻率采集地下水質樣品及測定地下水位，以研究水源地運行后，地下水位和地下水質動態特點，為水源地決策管理提供動態資料。該系統具有時、空性，即分布上的空間性，通過有組織地收集而形成時間性。地下水觀測網的時、空性特點，為研究地下水系統及其外界輸入的時、空特點提供資料。該系統具有有效性，即該系統可最佳運行。從結構上看，該系統分布合理（觀測點密度、幾何位置及觀測頻率組合最佳）；從效益上看，該系統能以最少的投入，獲取足夠的水文地質信息量。地下水觀測網的這個特性，規定地下水觀測網設計要定量化，且觀測點密度、幾何位置和觀測頻率最優化。

3.1.2 地下水觀測網分類

按照地下水觀測變量的不同，可將地下水觀測網分為地下水位觀測網、地下水質觀測網和地下水溫觀測網。各監測網類型的監測內容和研究內容見表3.1。

表3.1 地下水觀測網分類表

（1）地下水位觀測網

地下水系統中地下水位觀測網是為研究地下水資源量在時、空上變化導致地下水位的時、空變化，以及地下巖體應力變化導致地下水位的時、空變化特征。

（2）地下水質觀測網

地下水質觀測網是為研究地下水的物理、化學和生物特性以及時空變化規律，提供地下水遭受污染的信息，及時采取管理行動。在該觀測網中主要測量地下水中的化學成分濃度，地下水質觀測網提供地下水溶質運移信息，用以分析、預測與控制地下水的污染。

（3）地下水溫觀測網

地下水溫觀測網主要是針對地熱能利用區的監測。地下水觀測網還可根據研究區規模的大小及研究精度要求分為區域性地下水觀測網和專門性地下水觀測網。區域性地下水位觀測網主要為區域地下水資源評價提供資料；區域地下水質觀測網主要進行環境監測，了解區域地下水質的時、空變化特性。專門性地下水位觀測網主要針對局部研究區，為了某些專門問題而進行地下水位研究；專門性地下水質觀測網一般在污染源（城市污水地、垃圾堆、農業灌區等）附近設置觀測網，以監測地下水質的時、空變化特性。

3.1.3 地下水觀測網優化設計的定義

地下水觀測網優化設計研究的對象，就是利用地下水系統含水介質的已有勘探、試驗與測量資料，采用定量化方法，對地下水觀測網的密度與觀測頻率進行最佳設計。地下水觀測網優化設計可定義[1]為“為確定地下水水頭、流量、地下水中化學成分的濃度、生物特性等，對地下水觀測井的密度、幾何位置及觀測頻率進行有效的選擇”。有效的選擇就是以最少的經費與人力投入，獲取足夠量的水文地質信息。地下水觀測網優化設計的概念要求考慮以下幾個問題：

1）地下水觀測網設計的目的。例如為區域水資源規劃而建立的區域地下水位觀測網，該觀測網的目的是要了解地下水位在區域上的時、空變化，為區域地下水資源評價服務。

2）地下水觀測網的類型及觀測變量的選擇。例如地下水質觀測網，其觀測變量為某種化學成分的濃度；地下水位觀測網，其觀測變量是地下水位。

3）地下水觀測網控制區的選擇。根據研究的目的，結合區域水文地質條件分析，確定地下水觀測網控制區范圍（平面展布或垂向范圍）。

4）建立控制區地下水系統（確定性、隨機性以及確定-隨機性）數學模型。依據水文地質變量的實測資料，進行變量分析，確定地下水系統參數、模型類型即模型識別過程。

5）根據地下水觀測網優化設計的目的，選擇地下水觀測網的設計方法，并指出該方法的適用范圍。

6）選擇地下水觀測網優化設計的方法，并指出方法的適應范圍。

3.1.4 地下水觀測網優化設計的目標

3.1.4.1 地下水觀測網的目標

地下水觀測網的目標有：區域性觀測、開采性觀測、特殊性觀測及研究性觀測。區域性觀測指為了進行區域地下水資源評價、農業規劃、流域水資源綜合規劃和管理等而設計的控制全區的地下水觀測網。該類觀測可以了解區域地下水位的時、空特征，同時可為開采性觀測提供地下水位變化的背景值。開采性觀測指生活飲用水源、集中性農業開采、工業開采時的地下水動態觀測，提供人工開采后地下水位降深漏斗發展變化過程，為水資源評價提供精確資料，這類觀測網一般在水源地內。特殊性觀測網指針對一些特殊問題進行地下水位觀測，如礦區排水時的地下水位觀測；滑坡體中地下水位變化觀測；深部地下水位觀測（用于地震預報）；沿海地區為防止海水入侵進行的地下水位觀測；地面沉降與地下水位觀測等，這類觀測目的性強，觀測范圍比較集中。研究性觀測指用于地下水流系統研究而設立的觀測網。例如，研究含水層的參數（滲透系數、貯水系數等），研究地表水與地下水相互聯系情況，地下水的補、徑、排條件等。

地下水質觀測網的目標有：環境性監測、跟蹤性監測、符合性監測和研究性監測。環境性監測一般指對區域地下水質監測，了解區域地下水質時、空變化特征，這類監測一般通過區域上公共供水井、工業和民用井的水質監測，避免污水的使用。環境性監測一般通過環境保護機構履行，為環境影響評價工作提供資料。跟蹤性監測具有水質背景值，觀測結果與原函數比較，若檢測出水質超出原函數值時，認為地下水已受污染。這類監測點一般設在上游或下游，上游作為原始函數監測，下游監測污染物的運移趨勢。符合性觀測監測表示一系列嚴格的水質監測，當監測井一旦檢出污染物時，應及時清除與治理，以避免污染物擴展。研究性監測指針對已定的研究目的，詳細研究地下水質的時、空分布而設立的水質監測網。

3.1.4.2 地下水觀測網優化設計的目標函數

目標給定后，就可以選擇地下水觀測網優化設計方法。地下水觀測網優化設計方法用數學模型表達，求解該模型就可以得到觀測井的位置和頻率，這個解是否為最優解，取決于數學模型的目標函數的精確給出。在實際中，目標函數的精確給出是很難確定的。這是因為：①地下水觀測網的目標難于定量化。②地下水觀測網的目標隨時間變化，如地下水水質監測中，往往不是一個觀測目標，從跟蹤性監測到符合性監測，再返回到跟蹤性監測，在環境監測中，往往要考慮到幾個目標，即觀測費用、預測精度、經濟效益及風險判定等。③隨著人類地質作用的加劇，造成了巖溶地下水含水層空間結構和功能變化。

在地下水觀測網優化設計中，目標函數的選擇十分重要。一般可將目標函數分為基本目標函數和代用目標函數?；灸繕撕瘮党浞挚紤]了實際觀測目標，它可用達到觀測目的的水文地質信息來表示。一般說來，地下水觀測目的有：環境保護（水位控制、水質污染程度限定等）；治理費用最小（地面沉降控制、土壤鹽漬化治理、含水層污染物清除等），以及人類健康危害最小。代用目標函數是基本目標函數的代用品。由于地下水觀測網優化設計中許多情況下不能定量化基本目標，而用這些統計量的最小化代替基本目標函數。代用目標函數有：①參數或變量的統計量最小化，如地下水位估計誤差標準差。②實際與預測變量之間最大絕對方差最小化等。代用目標函數通常比基本目標函數更容易處理地下水觀測網優化設計問題。但是，代用目標僅僅是一種近似的基本目標，必須把得出的代用目標函數結果相應予以解釋。

地下水觀測網優化設計中，目標函數的選擇，可以用基本目標函數定量化作為目標函數，也可以用代用目標作為目標函數，或用二者的加權函數表示，這取決于研究問題的對象及數學描述的難易程度。選擇地下水位估計誤差標準差作為代用目標函數對桂林市區巖溶地下水水位觀測網進行優化設計分析，在估計誤差方差標準值較大的區域增加觀測孔；反之，則減少觀測孔。從而達到優化原巖溶地下水水位觀測網的目的。