CN114357678A - 一种新型区域地下水位监测网优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地下水位监测网优化设计技术领域，且公开了一种新型区域地下水位监测网优化设计方法，包括以下步骤：步骤一，建立区域地下水位监测网插值精度评价模型；步骤二，编制所研究区域地下水位监测网插值精度分区图；步骤三，基于插值精度综合分区图对监测网进行优化设计；步骤四，采用克里金插值法对优化的监测网进行评价。本发明考虑了近年来关注度较高的人类活动因素对地下水位的影响，并且对各评价因子赋予了不同的权重，更切合实际；插值精度分区图的综合分区数量少，不用人为对分区进行归并，编制过程与地下水动态综合分区图法相比较，更加简便。
Description
技术领域
本发明涉及地下水位监测网优化设计技术领域，具体为一种新型区域地 下水位监测网优化设计方法。
背景技术
目前我国对区域地下水位监测网的设计已发布了行业标准《区域地下水 位监测网设计规范DZ/T 0271-2014》(下文简称《规范》)，该标准由中国地 质调查局地质环境监测院的李文鹏及其他省市的一些专业技术人员共同起 草。该标准中提出的监测网优化设计方法与专著《地下水监测信息系统与模 型应用》(周仰效、李文鹏，2011)及论文″周仰效，李文鹏.区域地下水位 监测网优化设计方法[J].水文地质工程地质，2007，34(1)：9.″里的技术方法相 同，都以″地下水动态综合分区图(或称地下水动态类型分区图)″为监测网 优化设计工作的核心和首要步骤，《规范》中将此方法名为″地下水动态综合 分区图法″，现有不同地区的相关研究成果中也大多以此方法为准。
《规范》中对“地下水动态综合分区图”的定义为“在编制地下水动态单因素分区图的基础上，利用地理信息系统（GIS）技术，通过矢量叠加形成多因素综合分区图。”，其中“地下水动态单因素分区图”的定义为“根据影响地下水动态的水文地质单元、非饱和带、地下水补给、局部影响因素等单要素的类型、影响程度进行分区所形成的图件。”，编制地下水动态综合分区图所需要的单要素和流程大致可见图17。
图17圈划地下水动态类型区的流程[引自周仰效，李文鹏.区域地下水位 监测网优化设计方法[J].水文地质工程地质，2007，34(1)：9.]
根据申请人以往的工作经验，该方法在实际应用过程中主要存在下列问 题：
①编图单要素的选择主要从影响地下水位动态的基础水文地质条件出 发，低估了人类活动对地下水位的影响。在我国水资源调控能力大幅提升的 当下，跨流域调水、农业节水改造、海绵城市建设、河湖生态补水等工程的 实施对一些地区的地下水水位造成了极大影响，表明人类活动已经成为地下 水水位至关重要的影响因素，而这在地下水动态类型区的编图中欠考虑。
②选择的编图单要素中包含较多基础地质、水文地质要素和参数，如地 下水系统划分、含水层组结构特征分区、非饱和带岩性、入渗系数和灌溉回 渗系数等[引自DZ/T0271-2014，区域地下水位监测网设计规范[S].]，对基 础地质、水文地质调查程度较低地区的监测网优化设计工作适用性不高。
③将所有单要素进行矢量叠加所得的地下水动态类型分区图默认为各单 要素对地下水水位动态的影响程度相同。在地下水资源与环境相关研究中， 地下水动态类型没有明确、统一的划分标准，一般根据水位动态特征和影响 水位的主控因素将其分为开采型、水文型、径流型和蒸发型，而该方法平均 化所有因素对地下水位的作用，与实际情况是有矛盾的。
④在应用过程中，单要素图矢量叠加以后形成的综合分区图分区(即地 下水动态类型区)数量较多，因研究区范围的大小而有所差异，一般在几十 至上百个区，该方法认为每个分区可能存在不同的地下水动态类型，具有不 同的地下水位时空变化规律。但实际工作中几乎不可能也没有必要划分出几 十至上百种动态类型，而且由长期观测井得到的很多地下水动态类型区的水 位动态特征并没有十分显著的差别，因此这个对地下水动态类型区的定义并 不准确，反而容易造成误解。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了规避上述问题，发明人构建了另一种监测网优化设计的思路，提出 以区域地下水位监测网插值精度分区图作为监测井布设的依据，区域地下水 位监测网插值精度分区图可定义为：利用层次分析法通过构建监测网插值精 度评价模型而制作的指示不同地区地下水位插值精度的综合性分区图件。该 图件的制作以利用层次分析法建立的监测网插值精度评价模型为重点，评价 模型准则层和属性层的构建主要考虑对水位有潜在重要影响的、社会经济发 展重点关注的大型工程活动、地下水超采引起的重要地质环境问题、基础土 地利用条件和反映地下水数量、质量、补给状况、对生态补水的响应等水文 地质条件等，经过专家打分和构建判定矩阵得出各评价因子的权重；根据属 性层各评价因子对监测网插值精度的需求高低，对各因子的不同分类或分级 赋予一定的定额，定额设定为1-10的整数，定额越大，表示评价因子的某一 分区对插值精度的需求越高、监测点的密度越大，以实现更加切合实际的技 术目的。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型区域地下水位监测网优化设计方法，包括以下步骤：
步骤一，建立区域地下水位监测网插值精度评价模型；
建立的评价模型以区域地下水监测网插值的控制精度为评判指标，并结 合所研究区域的实际情况从社会经济发展重点关注的工程活动、地下水超采 引发的主要地质环境问题、研究区土地利用条件以及水文地质条件四个方面 选取适宜的评价单因子，采用0-9标度的专家评分法构建评价因子的判定矩 阵，确定各单因子的权重值；
步骤二，编制所研究区域地下水位监测网插值精度分区图；
编制所研究区域各评价因子分类或分级图，并赋予一定的定额；利用 ARCGIS将各矢量图层进行叠加，对叠加后形成的各个分区依据因子权重和定 额计算其总得分，按照总得分的大小对所有分区进行分级，得到区域地下水 位监测网插值精度分区图；
步骤三，基于插值精度综合分区图对监测网进行优化设计；
根据上述编制的区域地下水位监测网插值精度分区图，参考《区域地下 水位监测网设计规范》DZ/T 0271-2014附表D.1提出的监测点布设密度， 结合研究区监测网实际建设情况，对监测网进行优化设计，在监测点密度不 足的地区适当增加监测点；
步骤四，采用克里金插值法对优化的监测网进行评价。
优选的，所述步骤一中评价因子权重值的具体确定步骤如下：
步骤S1，建立区域地下水位监测网插值精度评价模型的评价等级标准与 评价因子，具体包括：
设置评价等级的级别个数为N＝3，其评价等级j(j＝1，2，3)对应的量值范 围的下限为dj、上限为uj；
步骤S2，采用0-9标度的专家评分法对上述评价因子进行打分，并且构 建评价因子的判定矩阵；
评价因子的评分为mi，其中i＝1，2，…，n；
步骤S3，建立上述评价因子的评分与评价等级之间关联程度的关联度函 数F(mi)，具体为：
当mi≤(dj+uj)/2时，f(mi)＝2(mi-dj)/(uj-dj)；
当mi＞(dj+uj)/2时，f(mi)＝2(uj-mi)/(uj-dj)；
F(mi)＝max(f(mi))且F(mi)≥0；
步骤S4，计算上述评价因子的权重，具体公式如下：
评价因子权重Q(mi)＝(N-j+1)*(1+F(mi))；
评价因子归一化权重W(mi)＝Q(mi)/∑Q(mi)。
优选的，所述浅层地下水监测网插值精度评价模型的评价因子包括：重 大线性工程、重大调水工程、地下水降落漏斗、土地利用类型、地下水可开 采资源模数、生态补水影响、微咸水分布、地下水水力梯度。
优选的，所述步骤四：依据研究区的地下水位统测成果，利用GS+构建 地下水位理论变差函数模型，绘制监测点插值误差平均标准差与监测点数的 关系图，确定监测网的插值误差标准差临界值，参考该临界值、结合研究区 地下水位监测网插值精度分区图对监测网进行优化，利用ARCGIS绘制研究 区优化前后的监测网插值误差标准差分布图，并对优化后的监测网进行调整 和评价。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
与地下水动态综合分区图法相比，本发明提出的区域地下水位监测网插 值精度分区图定义更加明晰，其编制过程借鉴了成熟的层次分析法，更多地 考虑了近年来关注度较高的人类活动因素对地下水位的影响，并且对各评价 因子赋予了不同的权重，更切合实际；插值精度分区图的综合分区数量少， 不用人为对分区进行归并，编制过程与地下水动态综合分区图法相比较，更 加简便。
附图说明
图1为利用监测网插值精度评价模型进行监测网优化设计的总体技术路 线流程图；
图2为重大线性工程分布图；
图3为重大调水工程分布图；
图4为浅层地下水降落漏斗分布图；
图5为土地利用类型分区图；
图6为浅层地下水可开采资源模数分区图；
图7为生态补水影响区分布图；
图8为浅层地下水TDS分区图；
图9为浅层地下水水力梯度分区图；
图10为浅层地下水监测网插值精度分区图；
图11为浅层地下水水位样本数据的频率分布直方图；
图12为浅层地下水水位样本的实验变差函数
图13为浅层地下水监测点数与Kriging插值误差平均标准差关系图；
图14为研究区浅层地下水监测网优化结果；
图15为研究区浅层地下水现有监测网Kriging插值误差标准差；
图16为研究区浅层地下水优化后监测网Kriging插值误差标准差；
图17为圈划地下水动态类型区的流程图。
具体实施方式
一种新型区域地下水位监测网优化设计方法，如图1所示，具体包括以 下步骤：
步骤一，建立区域地下水位监测网插值精度评价模型；
建立的评价模型以区域地下水监测网插值的控制精度为评判指标，模型 的建立采用层次分析法，结合所研究区实际情况从社会经济发展重点关注的 工程活动、地下水超采引发的主要地质环境问题、研究区土地利用条件以及 水文地质条件等四方面选取适宜的评价单因子，采用0-9标度的专家评分法 构建评价因子的判定矩阵，确定各单因子的权重值，该评价因子权重值的具 体确定步骤如下：
步骤S1，建立区域地下水位监测网插值精度评价模型的评价等级标准与 评价因子，具体包括：
设置评价等级的级别个数为N＝3，其评价等级j(j＝1，2，3)对应的量值范 围的下限为dj、上限为uj；
重大影响，其量值范围为(d1，u1]；
一般影响，其量值范围为[d2，u2]；
微弱影响，其量值范围为[d3，u3)；
可以使d3＝0，u3＝3＝d2，u2＝6＝d1，u1＝10；
其中，浅层地下水监测网插值精度评价模型的评价因子包括：重大线性 工程、重大调水工程、地下水降落漏斗、土地利用类型、地下水可开采资源 模数、生态补水影响、微咸水分布、地下水水力梯度；
深层地下水监测网插值精度评价模型的评价因子包括：重大线性工程、 重大调水工程、地面沉降、地下水降落漏斗、土地利用类型、地下水可开采 资源模数、地下水水力梯度；
步骤S2，采用0-9标度的专家评分法对上述评价因子进行打分，并且构 建评价因子的判定矩阵；
评价因子的评分为mi，其中i＝1，2，...，n；
步骤S3，建立上述评价因子的评分与评价等级之间关联程度的关联度函 数F(mi)，具体为：
当mi≤(dj+uj)/2时，f(mi)＝2(mi-dj)/(uj-dj)；
当mi>(dj+uj)/2时，f(mi)＝2(uj-mi)/(uj-dj)；
F(mi)＝max(f(mi))且F(mi)≥0；
步骤S4，计算上述评价因子的权重，具体公式如下：
评价因子权重Q(mi)＝(N-j+1)*(1+F(mi))；
评价因子归一化权重W(mi)＝Q(mi)/∑Q(mi)；
步骤二，编制所研究区域地下水位监测网插值精度分区图；
在资料收集或现场调查的基础上，编制所研究区各评价因子分类或分级 图，并赋予一定的定额(1-10)；利用ARCGIS将各矢量图层进行叠加，对叠 加后形成的各个分区依据因子权重和定额计算其总得分，总得分的大小表示 该分区对监测网插值精度需求的高低，总得分大的分区对监测网的插值精度 需求高；按照总得分的大小对所有分区进行分级，共分为中精度、较高精度、 高精度三级，从而得到区域地下水位监测网插值精度分区图；
步骤三，基于插值精度综合分区图对监测网进行优化设计；
根据上述编制的所研究区地下水位监测网插值精度分区图，参考《区域 地下水位监测网设计规范》DZ/T 0271-2014附表D.1提出的监测点布设密 度，结合研究区监测网实际建设情况，对监测网进行优化设计，在监测点密 度不足的地区适当增加监测点；
步骤四，采用克里金插值法对优化的监测网进行评价；
依据研究区的地下水位统测成果，利用GS+构建地下水位理论变差函数 模型，据此利用ARCGIS绘制研究区优化前后的监测网插值误差标准差分布 图，以及监测点插值误差平均标准差与监测点数的关系图，确定监测网的插 值误差标准差临界值，并对优化后的监测网进行调整和评价；
实施例一：浅层地下水监测网优化方案；
浅层地下水监测网插值精度评价模型构建：结合实际情况，共选择了8 个评价因子构建研究区浅层地下水监测网插值精度评价模型，经专家打分和 构建判定矩阵，各因子的权重见表1根据因子对监测网插值精度的需求高低， 对各因子的不同分类或分级赋予一定的定额，定额设定为1-10的整数，定额 越大，表示该地区对插值精度的需求越高、监测点的密度越大；各因子分类 或分级及定额见表2及图2-9；
表1研究区浅层地下水监测网插值精度评价模型结构及因子权重
表2各评价因子定额
上述评价因子经空间分析得到研究区浅层地下水监测网插值精度分区图 见图10；分区标准及监测点控制密度见表3；
表3研究区浅层地下水监测网插值精度分区标准
变差函数模型构建：变差函数反映了浅层地下水水位的空间结构性特征； 根据研究区的水位统测资料计算了浅层地下水水位的实验变差函数；为了更 好地对地下水位的空间变异进行分析，首先对选取的样本数据的统计学特征 进行描述；研究区浅层水水位样本数据的基本统计结果和频率分布直方图见 表4、图11；统计结果表明，所选取样本的偏度系数和峰度系数都接近于0， 并且样本的频率分布曲线近似呈钟形，这说明样本近似服从正态分布，满足 进行克里金法插值的基本条件；
表4浅层地下水水位采样点的统计学特征
| 样本容量/点 | 776 |
| 最大值/m | 70 |
| 最小值/m | -75 |
| 均值/m | 0.94 |
| 标准差 | 31.00 |
| 方差 | 960.92 |
| 偏度系数 | 0.28 |
| 峰度系数 | -0.52 |
利用GS+软件对实验变差数据进行拟合，最优拟合的浅层水水位理论变 差函数模型为椭球模型，见图12；理论变差函数模型的拟合参数见表5，多 元回归的决定系数r2和残差平方和RSS在判断变差函数模型的拟合效果时， r2应尽可能大，RSS应尽可能小，但一般来说RSS要比r2敏感，模型选优 时应尽可能考虑该值；最优拟合的椭球模型决定系数r2为0.997，残差平方 和RSS为4977；
表5拟合的浅层地下水理论变差函数模型参数
| 模型种类 | 椭球模型 | 高斯模型 | 指数模型 | 线性模型 |
| 变程(A)/m | 83000 | 68935 | 125100 | 101574 |
| 块金值(C0) | 98 | 226 | 1 | 306.63 |
| 基台值(C+CO) | 1173 | 1173 | 1343 | 1367.88 |
| 块金值占基台值比例/％ | 8.4 | 19.3 | 0.1 | 22.4 |
| 残差平方和RSS | 4977 | 17331 | 21508 | 189184 |
| 决定系数r2 | 0.997 | 0.990 | 0.987 | 0.887 |
模型的块金值为正，说明存在着由采样误差、短距离的变异、随机和固 有变异引起的各种正块金效应；基台值通常表示系统内总的变异包括结构性 变异和随机性变异，因此，块金值与基台值之比即代表随机性变异占系统总 变异的比例，可作为研究因子空间相关性的依据；一般地，块金值/基台值小 于25％时，空间相关性强；在25％～75％之间时，空间相关性中等；大于75％ 时，空间相关性弱；如表5所示，浅层地下水水位变差函数椭球模型的块金 值与基台值比例为8.4％，说明研究区浅层地下水水位具有很强的空间相关 性；
监测网插值精度评价标准：利用ARCGIS在研究区生成均匀分布且密度 不等的监测点，依据拟合的理论变差函数模型，计算不同监测点数情况下的 Kriging插值误差平均标准差，并绘制两者之间的曲线图，见图13。
当总监测点数达到450-600个时，监测网插值误差平均标准差减小趋势 趋向平缓，监测点数继续增加也不会令平均标准差显著减小，此时，认为研 究区监测点数的设定基本满足精度评价需求；
研究区浅层地下水监测网的优化结果见表6和图14，优化前研究区范围 内共有包括省级、市级地下水监测点360个，高精度、较高精度和中精度区 的监测点密度分别为1.25、1.73和1.36个/100km2，高精度区的监测点密 度较低，而较高精度区的监测点密度偏高；优化后区内监测点共493个，拟 建133个，高精度、较高精度和中精度区的监测点密度分别为2.51、2.04和 1.57个/100km2，高精度区的点密度相比优化前明显增大，较高精度区和中 精度区的点密度相比优化前略增大；优化前监测网插值误差标准差在 4.83-13.8，优化后监测网插值误差标准差在3.33-12.71，见图15、16；优 化后研究区监测网kriging插值误差标准差相比优化前有所减小，在平原区中 西部地区尤为显著，说明优化后监测网的插值精度明显提高；在监测井建设 过程中，建议以精度评价分区为依据，高精度区的监测井优先建设；
表6研究区浅层地下水监测网优化结果
需要说明的是，由于空间异质性、含水层非均质性和人类活动的地区性 差异，地下水水位对外部环境变化的响应复杂多变，因此对不同地区地下水 位监测网插值精度评价模型的建立可能需要考虑不同的评价因子，各评价因 子的定额及权重也有必要结合实际情况进行调整。
Claims (4)
1.一种新型区域地下水位监测网优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，建立区域地下水位监测网插值精度评价模型；
建立的评价模型以区域地下水监测网插值的控制精度为评判指标，并结合所研究区域的实际情况从社会经济发展重点关注的工程活动、地下水超采引发的主要地质环境问题、研究区土地利用条件以及水文地质条件四个方面选取适宜的评价单因子，采用0-9标度的专家评分法构建评价因子的判定矩阵，确定各单因子的权重值；
步骤二，编制所研究区域地下水位监测网插值精度分区图；
编制所研究区域各评价因子分类或分级图，并赋予一定的定额；利用ARCGIS将各矢量图层进行叠加，对叠加后形成的各个分区依据因子权重和定额计算其总得分，按照总得分的大小对所有分区进行分级，得到区域地下水位监测网插值精度分区图；
步骤三，基于插值精度综合分区图对监测网进行优化设计；
根据上述编制的区域地下水位监测网插值精度分区图，参考《区域地下水位监测网设计规范》DZ/T 0271-2014附表D.1提出的监测点布设密度，结合研究区监测网实际建设情况，对监测网进行优化设计，在监测点密度不足的地区适当增加监测点；
步骤四，采用克里金插值法对优化的监测网进行评价。
2.根据权利要求1所述的新型区域地下水位监测网优化设计方法，其特征在于，所述步骤一中评价因子权重值的具体确定步骤如下：
步骤S1，建立区域地下水位监测网插值精度评价模型的评价等级标准与评价因子，具体包括：
设置评价等级的级别个数为N＝3，其评价等级j(j＝1，2，3)对应的量值范围的下限为dj、上限为uj；
步骤S2，采用0-9标度的专家评分法对上述评价因子进行打分，并且构建评价因子的判定矩阵；
评价因子的评分为mi，其中i＝1，2，...，n；
步骤S3，建立上述评价因子的评分与评价等级之间关联程度的关联度函数F(mi)，具体为：
当mi≤(dj+uj)/2时，f(mi)＝2(mi-dj)/(uj-dj)；
当mi>(dj+uj)/2时，f(mi)＝2(uj-mi)/(uj-dj)；
F(mi)＝max(f(mi))且F(mi)≥0；
步骤S4，计算上述评价因子的权重，具体公式如下：
评价因子权重Q(mi)＝(N-j+1)*(1+F(mi))；
评价因子归一化权重W(mi)＝Q(mi)/∑Q(mi)。
3.根据权利要求2所述的新型区域地下水位监测网优化设计方法，其特征在于，所述浅层地下水监测网插值精度评价模型的评价因子包括：重大线性工程、重大调水工程、地下水降落漏斗、土地利用类型、地下水可开采资源模数、生态补水影响、微咸水分布、地下水水力梯度。
4.根据权利要求1所述的新型区域地下水位监测网优化设计方法，其特征在于，所述步骤四：依据研究区的地下水位统测成果，利用GS+构建地下水位理论变差函数模型，绘制监测点插值误差平均标准差与监测点数的关系图，确定监测网的插值误差标准差临界值，参考该临界值、结合研究区地下水位监测网插值精度分区图对监测网进行优化，利用ARCGIS绘制研究区优化前后的监测网插值误差标准差分布图，并对优化后的监测网进行调整和评价。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115640491A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-01-24 | 河海大学 | 一种预估无资料地区潜水位的方法 |
| CN115687883A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-02-03 | 水利部信息中心 | 一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法 |
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2022
- 2022-01-06 CN CN202210008104.1A patent/CN114357678A/zh active Pending
Cited By (4)
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| CN115640491A (zh) * | 2022-11-14 | 2023-01-24 | 河海大学 | 一种预估无资料地区潜水位的方法 |
| CN115640491B (zh) * | 2022-11-14 | 2023-05-02 | 河海大学 | 一种预估无资料地区潜水位的方法 |
| CN115687883A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-02-03 | 水利部信息中心 | 一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法 |
| CN115687883B (zh) * | 2022-11-18 | 2024-04-30 | 水利部信息中心 | 一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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