地下水位

如果问你监测水质意味着什么时，您会想到哪些参数？温度、电导率、pH值、溶解氧和浊度这“五大”参数吗？追踪有害藻华的叶绿素和藻蓝蛋白？以我作为水质仪器经理的经验来看，每当我问这个问题时，“水位”很少是我得到的第一个答案。实际上，在一些圈子中，水位根本不被认为是水质的衡量，而是水量的衡量，被当作一个完全独立的话题来对待。无论你是否相信水位是一个水质参数，水位可能是最重要的，当然也是最广泛的。今天测量的参数，准确的水位测量对于地下水监测、河流和河流测量、湖泊/池塘水位分析、洪水水位记录、灌溉渠道、波浪和潮汐分析都非常重要...不胜枚举。我最近写了气候变化教育的重要性，而水位也与之息息相关。伴随气候变化引发极端天气事件，各地区应对暴雨和洪水、干旱和缺水、海平面上升以及其他与气候相关的问题。此系列文章将重点介绍凭借 Xylem的水位测量实现重要应用的以下三个项目： 地下水监测暴雨监测洪水监测01地下水监测第一个例子来自于我的同事James Chen。James作为YSI的资深水质监测专家，提供从现场应用到销售和业务开发的全方位服务，并曾在世界上最迷人的地方开展工作。例如，James在西藏的拉萨开展过一个项目，监测地下水。出于多种原因，监测地下水水位非常重要，其中包括了解在静态条件和抽水条件下的蓄水层水位、确定水位与当地地表水源的相互作用以及了解地表开发对蓄水层的影响。拉萨被称为“亚洲水塔”，在这样的情况下，James将协助客户监测拉萨的自然资源- 尤其是水质。James用一台EXO1透气式水位主机来完成这项任务。这种仪器的选择至少说明了关于地下水监测的两个非常重要的原则。在传统意义上，水质监测也是一个优先事项。为什么客户要求测量诸如比电导、温度、pH/ ORP和浊度等水质参数，而不仅仅是测量地下水水位？主要原因就是，水量丰富并不代表水源适合饮用。雨水或地表水在渗入地下时会接触受污染的土壤，从那一刻起，雨水或地表水就可能会被污染，并将污染从土壤带到地下水蓄水层。而当液态有害物质通过土壤或岩石渗入地下水时，地下水也可能受到污染。还存在许多其他类型的地下水点源和非点源污染，而在这个项目中，客户需要监测这些威胁。连续监测标准水质参数的变化是一种很好的方法，同时也证明了相比于水位记录仪，使用窄小直径 EXO1进行地下水监测的关键优势。第二个原则，该项目揭示了在某些情况下使用透气式水位深度传感器的重要性。拉萨是世界上海拔最高的城市之一。海拔超过3650米，拉萨的气压比海平面的气压低约35%。正如以下James提供的数据所示，这对水位的测量产生了巨大影响，尤其是在不使用透气式水位传感器的情况下。所以...什么是透气式水位测量，它和深度传感器有哪些区别？02深度vs.透气式水位YSI EXO配备的传感器分为深度和透气式水位两种。深度由一个非透气式的应变传感器进行测量的，这里我们将其称为压力传感器（也称之为“深度传感器”）。压力传感器与电阻相连接，当传感器隔膜片上的压力变化时就会发出电信号。隔膜的一侧暴露在水中，另一侧暴露于真空中。在真空侧，压力恒定不变。在水侧，压力随水压(Pw)的变化而变化，水压与水深成正比。因此，水量越多意味着压力越大，信号被转换成工程单位（磅/平方英寸-PSI 或深度，单位为m、ft或bar）。据此，您就可以知道压力传感器上方的水深。有时，这些测量值被称为绝对深度。我不是特别喜欢“绝对”这个词。因为我始终认为有可能存在极低的测量误差。我认为“绝对”代表的含义是：所有对传感器隔膜施加的压力都会被转换成电信号，然后这些信号由仪器的固件转换成深度，但如果是这样，情况就变得复杂了...如您所见，Pw则不再仅代表水施加的压力。它也代表大气施加在水面的压力，甚至水的密度，受诸如盐等溶质以及诸如温等环境条件的影响。对于许多应用，这些其他因素可以忽略不计。但是在浅水应用中，有两个因素可能会产生严重影响：盐度（也可解释为水的比重ρ）和大气压。在室温1个大气压（即海平面）下，纯水的比重为1。海水的比重则要高 50%，甚至还取决于温度。因此，考虑温度的盐度测量可用于补偿水位测量。其中一个重要的例子是与海平面上升相关的气候变化研究，如在佛罗里达州Clam Bayou案例的经典文章关于海平面上升的YSI应用指南所描述的。Clam Bayou案例研究也描述了第二个关键变量–大气压。特别是在水深较浅的应用中（YSI认为透气式水位主机中的压力传感器通过透气管与大气联通。当使用压差传感器时，这确保了整个测量中自动补偿了大气压力(Pair) 。有时气压会发生剧烈波动，例如在暴风雨期间。在生活中，您甚至可能认识一些可以感知这些变化的人，——也许他们会患上气压性头痛。海拔变化也会影响气压，这也是拉萨气压如此低的一个重要原因。因此，让我们从Clam Bayou向上爬升3,650米，看看大气压补偿有多重要。03高海拔水位的气压补偿 我的同事James在西藏拉萨的客户现场安装了一台 EXO1透气式水位主机。之后他的一位合作伙伴也访问了该地点，并在同一口井中安装了一台配有非透气式压力传感器的EXO2主机，他们也想在那里观察水质。这台非透气式主机的深度传感器只是在出厂前进行了校准。工厂校准可能仍然非常好(深度传感器相当稳定)。但是，俄亥俄州的金泉市海拔为260米，实际的传感器本身是在压力控制室中校准的。这也就是在部署之前深度传感器通常应该在室外现场进行校准的原因。在深水应用中，Pw远大于Pair，这可能无关紧要。但如果是在地表水应用，且使用我们的垂直剖面仪进行深度测量的情况下，则一定要进行现场校准。然而，James的合作伙伴起初并不想测量深度，因此他没有校准深度传感器。尽管如此，深度传感器仍在部署过程中进行了记录。10周后，James查看和分析数据时他注意到了一些显著的差异，如下图所示。James比较了他的EXO1主机和合作伙伴的EXO2主机的测量值。在下图中，左侧Y轴表示EXO1水位值，右侧Y轴表示EXO2深度值，两者均以米为单位：从另一个角度来看数据，James绘制了两条线之间的差值，且还是使用米作为Y轴上的度量单位。该图显示了两台主机所测得的水位值之间相差约6.5-6.85米，此外更重要的是它还显示了值在6.67至6.84 米之间的波动。这一点很有趣引起我们的注意，并还会在我们的最终分析中再次出现。我们已经暗示过，拉萨的低气压可能是引起两个探头测得的数据之间的波动和差值的一个原因，但是这一假设是否得到有力证据的支持？James在右侧Y轴上绘制了以百帕斯卡 (hPa) 为单位的气压测量值，并在左侧Y轴上绘制了两个探头所测的深度差 (m)。作为参考，海平面上的1个标准气压为1013.25hPa。除了这两条线看起来相互跟踪程度外，该图的右轴数据还显示出了气压非常之低，与拉萨的高海拔相对应。James继续评估了两个主机所测的深度差值（X轴、ΔDepth，以m为单位）与Y轴的气压之间的相关性。通过线性回归分析，大多数环境科学家认定它们之间存在非常强的相关性：这为在高海拔地区使用透气式水位测量进行地下水监测这一假设提供了有力的依据。04准确度规格当我看到这些数据时，我想到，如果想知道水是什么时候抽出或流入的，主要的深度测量可能不是最重要的，而是检测变化的能力。换句话说，假设EXO2主机测得的起点为9m实际上是错误的，但我仍然能够检测到几厘米的变化，就像我使用透气式水位主机一样。那么如果我有一台EXO2，又不想再买另一台主机，这样够用了吗？以下为来自EXO用户手册的规格信息：这项研究中使用的EXO2是中等深度 (100m) 主机，其准确度规格约为满量程的±0.04% ，即±4cm。相比之下，EXO1浅水透气式主机 (10m) 的准确度规格为满量程的±0.03% ，即±0.3cm。准确度足足提高了10倍以上！然而... 如果James的同事部署的并不是100m量程的主机，而是浅水不透气的EXO2主机，由于浅水非透气式主机（EXO1或EXO2）在10m量程范围内的准确度为±0.4cm，所以所得测量结果可能会与EXO1透气式水位主机的测量值更接近。当然，前提是已经在现场正确校准了EXO2。假设您打算进行校准，您可能会想，为什么还要这么费心使用透气呢？0.4cm我听着挺好的！请记住这些准确度规格是在受控的海平面条件下测得的。气压仍然是必须考虑的干扰因素。使用透气式水位主机，气压补偿将自动完成。但对于非透气式标准主机，必须从外部完成气压补偿，现在有另一个测量误差被引入总误差预估。这就意味着，在这个高度偏远的地区，气压的一些单独测量必须与探测器的水位测量同时进行，气压测量是可靠的，以最终进行大气压补偿，从而完成最终的水位测量。如果这听起来有点混乱，那是因为确实如此。当在拉萨James现场的百帕的变化相差2-4% (16hPa) 时，要做到这一点颇为困难：最后，相对于含水层的总体积，水位变化所代表的估计体积对于选择仪器时的理解也很要，这将提高应用所需的整体准确度。最终分析：这些有关系吗？所以在这个故事中，我们遇到了不同的状况。有两种不同类型的测量值：深度和透气水位。另一个现实是，EXO2主机没有进行现场校准，这进一步增加了深度测量的误差。但是，总体来说，如果James的客户选择信任这台EXO2主机的深度测量结果，而不是EXO1的透气水位测量结果，会发生什么？再看上图，气压变化在 648-632hPa之间波动，EXO1报告的水位变化约为6cm(3.045-2.985m)。但是EXO2报告的水“位”变化为20cm (9.98-9.68)。我们可以估计出，EXO2报告的约17cm的差异是由缺乏气压补偿导致（6.84-6.670m，来自上面的差异图）。如果未进行此补偿，操作人员怎么知道地表水流入、流出或其他因素正在发生呢？如需更多讨论和信息，请联系James.Chen@xylem.com 。05 Case Study此案例研究说明了为什么YSI建议您使用经过适当校准的透气式水位主机进行地下水水位测量。针对地下水监测的YSI标准建议如下：大多数地下水应用，需要使用高准确度的透气式水位传感器。无论是自动（通过透气）还是手动补偿，都建议在高海拔或气压易于出现明显波动的地方实施大气补偿。如果优先考虑其他水质参数，尤其是在可能需要盐度或比重补偿也是必要的，那么透气式水位的主机（而不是压力传感器）是最正确的解决方案。

p 　　据央视新闻联播报道，经过两年多时间的努力，国家地下水监测工程取得重大进展，90%以上的地下水监测站点建设已经完成。 /p p 　　目前，天津、河南、山东等10多个省(区、市)站点建设已经全部完成，监测站点实现了地下水位、水温监测的自动采集、自动传输，在地下水监测点建设的同时，地下水监测信息应用服务系统已完成总体设计，该系统将开发地下水监测数据管理、综合分析、地下水数值模拟评价与预测等多个子系统。 /p p 　　中国地质调查局地质环境监测院国家地下水监测项目管理办公室副主任李长青介绍说：“比如：在华北平原地区，我们通过地下水的数值模拟，可以获取地下水的动态变化情况，包括水位水量等方面。” /p p 　　据悉，国家地下水监测工程将全国划分为16个重点监测区，包括1个国家级地下水监测中心、7个流域监测中心、63个省级监测中心，共建设地下水监测站点20401个。今年是该项工程的收官之年。全面建成后，该工程将结合现有监测站网建成较为完整的国家级地下水监测网，形成一个集地下水信息采集、传输、处理分析及信息服务为一体的国家地下水信息中心。届时，国家地下水监测站点监测控制范围将扩大到350万平方公里，站网密度提高到每千平方公里5.8孔(站)，将进一步提高地下水监测的自动化和信息化水平，实现对全国地下水的动态有效监控，为地下水资源合理开发、地面沉降防控等提供科学依据和决策支持。 /p

嘉宾简介：　　郑春苗，现任宁波东方理工大学(暂名)讲席教授、创校副校长，南方科技大学讲席教授、深圳可持续发展研究院院长。曾任南方科技大学环境学院创院院长、校长办公会成员 (国际事务)，北京大学讲席教授、水科学研究中心首任主任，美国阿拉巴马大学地质科学系乔治林达尔冠名讲席教授，国际水文科协(IAHS)国际地下水委员会主席。研究涉及地下水污染机理与修复技术、流域生态水文过程、以及新污染物生态环境健康风险等。　　划重点：　　1.地下水是人类未来的生存之本，人类可以利用的液态淡水99%来自地下水。　　2.地下水资源枯竭将会带来生存危机、粮食危机、生态退化、海水倒灌、生物多样性减少等严重后果。　　3.总体来说我国水资源使用量已接近最大值了，如果水资源需求持续扩大，到2030-2040年，中国可能真的没有更多的水可用了。　　4.地下水过量开采之后要很长时间才能恢复，数年到几十年不等，甚至需要万年以上。　　5.地下水储存量消耗超出降雨补给、不合理的开采方式、以及环境破坏等原因都会导致水资源枯竭。　　出品|搜狐科技　　作者|周锦童　　地下水是人类未来的生存之本，因为人类可以利用的水是液态淡水，而99%的液态淡水就是地下水。　　近日，美国加州大学领导的一项研究表明，在全球范围内，地下水正在快速枯竭，最近几十年速度加快，在某些地方，地下水甚至以每年超半米的速度下降，其中包括中美印等地。　　地下水枯竭会带来哪些严重后果?什么原因会导致地下水枯竭?按照这个速度，我国地下水究竟何时会枯竭?带着这些问题，本文对话了宁波东方理工大学(暂名)/南方科技大学讲席教授郑春苗。　　对此，他表示：“研究表明我国每年最大可利用水资源量仅为8000-9000亿m³，但2022年我国用水总量大约为6000亿m³。据预测，到2030-2040年，我国用水总量将接近极限，那时我们可能就真的没有额外的水可用了。”　　而地下水资源枯竭将会带来非常多的严重后果。“比如生存危机和冲突、粮食危机、生态退化、海水倒灌、生物多样性减少等问题都会接踵而至。”郑春苗如是说。　　虽然地下水可再生，但含水层枯竭想要恢复需要非常久的时间，郑春苗表示，由于地下水补给速度较慢，恢复时间可能要数年到几十年不等，甚至像缺水的华北平原，抽空的深部含水层要上万年甚至更久才能恢复。　　谈及目前我国地下水面临的问题时，郑春苗表示：“我国地下水目前面临着许多危机和挑战，比如地下水的超采、地下水水质污染、生态破坏、城市和农村缺水等。”　　因此，我们要建立完善的监测网对地下水进行监测，加强地下水资源的管理，实施喷灌、滴灌等农业灌溉节水措施，通过雨水收集、洪水资源化利用等方式增加地下水的补给量，加强水污染治理，并针对可能出现的水资源危机，制定应急预案等。　　以下为对话实录(经整理编辑)　　搜狐科技：您觉得地下水枯竭会给人类带来哪些比较严重的后果呢?　　郑春苗：首先会给人类生存造成危机和冲突，我们要知道全球有50%的人口饮用地下水，干旱半干旱地区比例更大，像中国华北很多地方达到70%或更多。地下水一旦枯竭，会对这部分人的生存造成直接威胁，并可能导致对有限水资源的竞争和对水资源获取的潜在冲突。　　其次会造成粮食危机，全球70%的粮食生产需要依赖地下水作为灌溉水源，地下水一旦枯竭，将影响农业生产力，导致食物短缺。此外，全球淡水用水量1/3来自地下水，地下水资源量减少，可能引发水资源短缺，人们不得不抽取更深层的地下水，导致地下水资源进一步枯竭。　　此外，还可能引发一系列生态环境问题，比如地面沉降，破坏建筑物、道路和管道等基础设施，北京就存在这个问题，虽然毫米、厘米级别我们感受不到，但根据中国地调局数据，华北平原最严重的地面沉降累计3-4米之多。中国西安等一些地方还有地裂缝等现象。当然还可能导致沿海地区海水入侵，湿地和生态系统退化，生物多样性减少等问题。　　搜狐科技：按照目前枯竭速度来说，您觉得这个地下水哪一年会彻底枯竭?　　郑春苗：据最新的调查显示，中国地下水总储量大概有52万亿立方米，但由于埋藏深度和地理位置等原因许多地下水资源都很难开采，而且空间分布极其不均匀。根据中国2022年水资源公报显示，当年地下水开采量大约为830亿立方米。这表明近几年国家为避免地下水枯竭而严格控制地下水超采，使得地下水开采量占全国用水总量的比例在逐年下降。　　如果包括地表水和地下水，研究表明我国最大可利用水资源量大约8000-9000亿m³，但截至2022年我国用水总量大约6000亿m³。据预测到2030-2040年，我国总用水量将接近最大可利用水资源量了。　　我们真的要小心，到2030-2040年，那时中国可能真的没有更多的水资源可用了，而且可利用总量里还要考虑水污染的问题，所以说中国的水问题还是非常严峻的，我们必须要考虑各种各样的措施和办法。　　搜狐科技：地下水是可再生的，含水层枯竭多久可以恢复?　　郑春苗：虽然地下水是一种可再生资源，但补给速度往往较慢，恢复时间可能需要数年到几十年不等，甚至可能需要更长时间，比如华北平原深部地下水年龄有达到几万年的。　　开采几万年的地下水其实就和采矿类似了，这些地下水开采之后需要很长时间恢复，具体的恢复时间因地区而异，主要取决于地质条件、地下水补给情况以及人类活动对地下水的影响程度。　　搜狐科技：您觉得有哪些原因会造成地下水枯竭呢?　　郑春苗：包括内在和外在两个因素。内在因素主要是地下水资源储存量的消耗，导致地下水位持续下降，形成区域性地下水位降落漏斗，引起一系列环境地质问题。　　比如华北平原，本身就处在我国降雨补给较少、水资源相对短缺的北方，同时该地区又大量开采地下水资源，长时间的地下水超采，引发了地下水资源的持续减少。　　外在因素包括不合理的开采方式、开采层位以及开采时间过分集中等。此外，生态环境破坏也是导致地下水枯竭的一个重要原因，比如山林植被减少、人类活动的干扰以及地下爆破钻凿工程等都可能造成地下水源的断流，导致地下水枯竭。　　搜狐科技：目前地下水快速枯竭，您觉得这一趋势是否有办法可逆呢?　　郑春苗：地下水枯竭是一个严重的问题，但是在采取适当的管理和保护措施的情况下，快速枯竭的趋势是可逆的。　　我们可以合理管理和规划地下水资源。例如，可以设定合理的开采限额、建立水权制度、制定地下水保护区，从用水总量上进行管理 可以提升用水效率，促进水资源节约，从用水需求侧进行管理 也可以发展和利用雨水、中水等多元化的水资源，增加水资源供应量，从用水供给侧进行管理。　　搜狐科技：您觉得目前我国地下水面临哪些危机和挑战?是否有防治手段?　　郑春苗：我国地下水目前面临着许多危机和挑战，比如地下水的超采、地下水质污染、生态破坏、城市和农村缺水等诸多问题。　　针对上述问题我们要建立完善的地下水监测网进行监测，加强地下水资源的管理，推广喷灌、滴灌等节水措施提升用水效率，加强污染治理，通过雨水收集、洪水资源化利用等方式增加地下水补给量，通过海水淡化、废水利用等手段扩大水源，并针对可能出现的危机，制定应急预案等。　　搜狐科技：生活中由于地下水看不见，往往会被我们忽视，从个人角度来讲，我们又能做些什么呢?　　郑春苗：我觉得作为个人，在日常生活中节约用水，养成节水习惯是最重要的，尤其是在我国北方，饮用水源就是广泛采用地下水，节约用水才能减小地下水开采量，使地下水资源维持在一个合理的平衡状态。　　其次也要尽量减少对地下水的污染，比如像废旧电池之类的废弃物会释放污染物会并渗入地下，污染地下水资源。日常生活中我们要多参与地下水保护的宣传活动和志愿服务工作，协助有关部门加强水污染监督、劝阻水资源浪费行为，共同保护地下水资源。　　我觉得人们应该对地下水引起足够的重视，因为地下水是人类未来的生存之本，地下水和地表水是一个统一的整体。 地下水的开发与保护要秉承可持续的理念，在污染修复方面要考虑我们国家的碳达峰与碳中和的“双碳”目标，达到减污降碳协同。　　搜狐科技：您觉得目前我国在地下水研究领域处于怎样的地位?　　郑春苗：这个问题不好定量回答。可以说，欧美发达国家在地下水研究方面应该比中国领先了几十年，他们在80、90年代以来就特别重视地下水研究，在地下水污染和修复等方面，投入了大量人力物力，设置各种政府专项基金，调查、监测和防治地下污染。　　但我现在可以很高兴地说中国发展很快，经过十几年的努力我们已经建立了全国地下水监测网，许多高校里有地下水相关的研究团队，我们在不断追赶，但总体来说还没有领先发达国家。在某些领域，比如环保材料、新污染物健康风险评估与管控等方面我们已经做得很不错了，虽然他们起跑比我们早很多，不过我相信不用太久我们就可以做的很好。