地下水监测

地下水监测基本原则

发布于 2024-06-02 14:50:53

监测是管理的工具和手段。监测设计的基础是水文地质概念模型和监测机构及其他利益相关者的目标。为了实现监测数据的潜力，必须对它们进行验证，然后在地图和地质剖面上富有想象力地显示出来，并辅以图形和明智地使用地理信息系统、建模和统计软件。这些内容将在今后介绍。

目的

地下水水质监测的好处包括：

a. 资源核算，即了解不同水质水体的数量、现状和趋势以及如何加以利用和保护；

b. 跟踪污染羽，以评估污染威胁并提供饮用水源污染侵蚀的早期预警；

c. 成为当地气候变化和人类活动的档案，例如运河渗漏的长期影响、农业对地下水补给的影响以及农用化学品的归宿。

一个良好的地下水质量监测系统包括一个由监测点、实践和熟练人员组成的网络，必须与地下水水位、抽提和排泄的监测相结合。不同的机构为不同的目的进行监测，但目标应该是建立一个总的监测网络，即所有机构网络的混合体。单个监测网络的目标包括：

水资源监测：了解含水层地下水质量的定量和定性状况和趋势，规划范围为数年至数十年。
运营管理：证明一个机构在向消费者提供特定数量和质量的水方面履行了义务，可能包括定点监测。规划范围是几天到几年。
供水监测：类似于运营监测，但以消费者为中心，不定期且随机。地下水的监测是偶然的，并偏向于城市地区。

监测网络设计的补充方法考虑了从初级到三级的层次结构，从表征区域水质到控制个别污染事件的具体案例（表1）。

**表1. 地下水监测系统按照功能的分类
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国家层面监测还应能够履行监测可持续发展目标和联合国全球环境监测系统的承诺。

监测系统设计

地下水水质监测系统的设计包括以下要素：

监测网络和场地特定目标
将各机构监测网络统一为虚拟总网
验证网络区域已划分为与概念模型一致的地下水体(或管理单元)
由现有井、专用监测井和天然排泄点(如泉水)组成的网络
采集代表性地下水样本的一套采样方法和协议
原位监测方法，如井下探头或测井工具
一套可在现场或实验室测量的参数，包括标准成分和基于集水区已知风险的针对性分析
采样和测量频率
人员和预算的后勤资源

设定目标

如果没有明确的目标，就不可能知道井的适当数量和类型、参数的选择或测量频率。这些目标应符合概念模式，并在具体制度和预算限制的情况下切合实际。

这需要通过多方利益相关者平台召集监管机构、水务公司、私有抽水者、地表水监测机构、地方当局以及受地下水影响或依赖地下水的其他团体进行协商。然而，在形成该平台之前，监测机构必须明确监测的空间边界，并将含水层或盆地划分为地下水体。

对于每个地下水体，监测机构应分三个阶段商定目标：(a)每个利益相关者群体的关切和目标；(b)水体的协商一致目标；(c)一套可验证的测量数据，包括位置、深度或地质目标、参数和初始浓度以及测量频率。该列项触发了后续描述的监测网络的迭代审查，并创建一个报告框架。

地下水和井水

从井中抽取的水的质量代表含水层中地下水的质量的看法不一定是正确的。这种差异有两个方面，可以称为变化问题和采样问题。

变化问题。通过井和泵的水受到温度或压力变化的影响，导致脱气和可能的矿物沉淀。如果进水区很长，不同的水质会在井内混合，并与其他水质或井内物质发生反应。生锈的钢管可能吸附微量金属，管道和泵的内部可能成为细菌生长的场所。同样重要的是，避免通过过快地提取水来扰动颗粒和颗粒涂层(人造胶体材料)。如果这些颗粒未经过滤而酸化，它们就会溶解，加入不属于地下水的化学物质。

采样问题。这更深刻。由于地下水质量通常是分层的，监测水井通常只取样含水层剖面的一小部分，而长筛井混合了来自不同水层的不同质量的水。这种混合样品是有问题的，因为它们可能表明含水层中某个地方存在污染物，但不知道在哪里或浓度是多少。因此，长筛井一般不适合进行水质监测。在大多数情况下，全面确定地下水组成的三维分布所需的井的数量超过了大多数机构愿意花的钱。因此，除了非常薄的含水层外，监测网络管理人员必须决定使用短筛井监测含水层的哪些部分。认识到这种不确定性对于理解含水层系统和理解水质的误解是如何产生的至关重要。

**井类型及其对地下水质量的影响
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不同类型井的设计和运行影响抽取水的质量，从而影响我们对地下水质量特征的理解。

监测井的系统错误

监测点不具代表性的深度分布造成系统错误非常普遍。恒河和雅鲁藏布江冲积平原沿线的砷监测就是一个例子，在这些地区，官方监测主要是在非常浅的挖井中进行的，而抽取水主要是在略深的管井和甚至更深的机动水井中进行的。事实上，众所周知，挖井是一种避免砷的手段，因此官方监测大大低估了饮用水井中砷的流行程度。这个例子说明了更新概念模型以反映用水变化的重要性。

挖井的水质往往与钻井不同。挖出的井较浅，可以让大气中的氧气与地下水混合。此外，在硬岩和冲积层中挖井也各不相同。在硬岩中，挖井在风化带，这是含水层中多孔性和渗透性最强的部分，而冲积式挖井则是在主含水层上方的细粒沉积物中完成的。两者都倾向于遇到上层滞水位。因为挖井是断断续续地抽干储水，然后再让水位恢复，这就提出了一些尴尬的问题：

(a)挖井的代表性样本是什么?(b)挖井样本代表什么?第一个问题不能有一个单一的答案，必须通过定义一个标准来解决，比如在大约一半的抽提周期中收集样本。第二个问题需要定义监测的目的。如果是评估水使用的可接受性，那么它是可接受的。然而，如果目的是监测含水层水质，那么它是不可接受的，应该用一个或多个水压计代替。

无论采取何种策略，井水都更容易受到粪便的病原体、铵或硝酸盐以及氯化物的污染。由于它与空气发生反应，水中的铁、砷和锰含量往往较低，即使这些参数在几米以下高度富集。

钻孔井是裂隙岩石中的井眼，除了表面套管外，没有套管支撑，因此作为监测井使用起来比较复杂。如果在钻孔或测试抽提过程中证实了出水裂隙的位置，钻孔是在不超过3到6米长的开放段顶部用水泥胶结的实心套管完成的，那么它应该是可以接受的。不幸的是，在实践中，许多采用现有监测网络的钻孔井的表面套管无法达到静态水位，或者其开放部分延伸至数十米甚至数百米的深度。这可能导致以下两种情况：(a)渗流补给级联进入钻孔；和/或(b)饱和段成为孔内流动的管道，交叉污染含水层并产生不具代表性的水样。当这种情况发生时，应将井眼转换成一个压力计，方法是将一个小直径套管连接到短长度的筛管上，并将筛管放置在感兴趣的裂隙层上，并仔细密封环空。

管井和压力计都是用套管、筛管和水压密封完成的。一个好的压力计，长度短(最好是≤3米)，直径小(≤50毫米)的筛管，在适当采样时应该产生有代表性的样品。筛管较长的管井可能会受到内部垂直流动的影响。那些直径较大的可能提供有效的样品，但在采集样品之前需要清除更大的体积。

在监测网络中，特别是在丘陵和山区，泉水是一个被大大低估的组成部分。由于泉水是流动系统的终点，因此在监测大量含水层的状态方面具有很大的优势。补给的任何变化都会导致流量的变化，任何对水质的影响都会传递给泉水。泉水的优点是不需要洗井和采样设备。与水井不同，该混合样品是一个真实的含水层过程，因此样品具有代表性，是一个很好的监测目标。然而，一个泉水样本可能会掩盖在泉流(即泉水的集水区)内多种水质的存在。

代表性地下水样

监测的主要目标之一是采集有代表性的地下水样本，其工作定义是准确代表含水层中某一特定点或水位的地下水质量的水样。这很容易指定，但不太容易采集。地下水质量和井水质量之间的非直观区别已在前面描述过。采集有代表性的地下水样本包括以下内容：

确定含水层中的目标层位。
要有一口能隔离目标层位且不与水发生反应的井。
清除(清洗)采集点和目标含水层之间的任何积水。以最小的物理化学干扰或扰动细颗粒来采集水。
将提取的水放置到合适的样品瓶中，不暴露于空气中，过滤，并根据需要添加保护剂。
在瓶子上贴上标签，放在冷藏箱中，以便尽早送到实验室。

完全具有代表性的水样不可能送到实验室，因此为了代表地下水质量，必须在原位或现场测量不稳定的参数。

地下水监测出错和如何避免

**地下水水质监测出错的原因和任何形式的监测一样，包括人为错误、机器错误、不适当的检测限值、记录错误等等。但地下水监测具有特殊的属性，可能导致错误解释和轻微或严重的误解。如果了解了这些出错的风险，就很有可能避免这些风险。

地下水水质监测在实践中出错

1. 不知道目标是什么

这是地下水监测的爱丽丝梦游仙境般的问题，也许是监测失败的主要潜在原因：如果你不知道你在监测什么，那么任何井都可以。如果没有一个可靠的概念模型，就可能无法精确地说明正在表征的是哪个含水层或层位，以及所涉及的化学物质是什么。只有确定了这一点，才能判断采样井设计和采样程序的充分性。这种不精确可能导致错误，例如错误地识别含水层，不适当地定位修复措施，未能识别趋势或保护敏感受体，以及浪费时间和金钱。

2. 井设计不当

地下水质量通常是分层的。许多所谓的监测井是为了其他目的而安装的，如长筛井或裸眼井，后来用于监测而没有将其转换为特定的目标水层，导致不同层的水混合在一起。由此产生的监测信息具有一定的价值，但很难解释在哪些地方发生了哪些变化。

3. 垂直流过井或环空

地下水水头(压力)几乎总是随深度而变化，因此总是有地下水垂直流动。在自然状态下，由于存在低渗透层，这些流动非常缓慢。然而，建一口井可以把这些层的两边连接起来，让水几乎在瞬间从含水层的一部分流到另一部分。如果管道和井壁之间的环形空间没有得到适当的密封，也可能发生这种情况。这种含水层交叉污染严重，可使监测功能完全失效。这个问题不能通过额外的洗井来解决。

4. 不合适的井和泵材料

根据化学物质的不同，地下水会与井管或泵发生反应。对于主要离子，影响通常很小，但对于微量金属和合成有机化合物，影响可能很大。在两次取样之间，涂有生锈涂层的钢管会吸附重金属和砷。塑料管道对无机化学物质几乎没有影响，但它们会影响有机化合物，这些化合物可能添加到地下水中，也可能从地下水中去除，特别是如果污染物包括有机溶剂的话。

5. 不完全或不充分的洗井

糟糕的采样技术导致不具代表性的水样和不正确的测量。例如，如果位于井筛部分或响应区域上方的积水没有被清除，则所采的水样将不能代表目标含水层。常规的洗井需要清除井筛和砾石充填周围的水。同样重要的是，采样泵速不能造成过大的水位下降，这可能会扰乱水和局部流动状态。

6. 分析物选择错误

在没有完善和更新的概念模型的情况下建立的监测网络中，可能无法测试重要参数。这种情况在城市工业地区尤其可能发生，但也有其他例子表明，在已知受影响的地区，砷和锰没有得到检测，从而给人一种错误的印象，认为它们不是问题。

7. 密度和混相效应

如果监测井的筛管穿过了一个密度可变的区域(例如盐度)，或者一个轻的或重非水相液体区域，那么井中的测量结果很可能完全错误地反映了含水层的情况。

**下表2总结了监测特定污染物或污染物组可能导致错误的特定方式，并指导了应该优先采取哪些行动来防止这种情况的发生。
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**表2. 监测地下水特定污染物和指标中的常见问题
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