在线SEO网站排名提升工具探秘：桂林地区网站优化步骤详解

桂林网站优化步骤详解

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桂林市区岩溶地下水水位监测网优化设计

3.4.1桂林市区岩溶地下水水位监测网分布特点及存在的问题

3.4.1.1桂林市区岩溶地下水水位监测网分布特点

图3.11桂林市区岩溶地下水水位监测网分布示意图

（根据1990年9月水位资料）

至1990年，在区内不同地下水类型、环境地质亚区和环境地质问题突出段先后布置了60个水位监测孔，其中钻孔35个，天然水点14个，大口井11个；孔隙水11处，岩溶地下水49处；桂林市区岩溶地下水水位监测网分布状况详见图3.11。从分布图上可看出，监测孔主要集中分布在市区中心，研究区周边区域很少或没有分布监测孔。

3.4.1.2桂林市区岩溶地下水水位监测网存在的主要问题

桂林市区岩溶地下水水位监测网始建于1981年，当时很多监测孔来源于地质勘察孔或其他目的的施工钻孔，存在一些不合理、不完善的地方。其存在的主要问题如下：

1）监测网提供的信息数据具有重复性。根据水位资料信息和分布图分析可知，一些相邻的监测孔的水位及水位动态变化情况基本相同。如监测孔GⅢ46、GⅢ47（图3.12）。

图3.12 1990年监测孔GⅢ46、GⅢ47地下水水位动态曲线图

2）监测点分布不合理。在排泄区布置的监测孔太多，而在一些径流区布置的监测孔过少。如在朝阳北侧、研究区西南部为地下水径流区，水位变化较大，水力坡度变化也大，布置的监测孔都太少。

3）地下水监测中水位监测与水质监测不同步，长期以来重水位而轻水质，不能满足全面评价地下水资源质量的要求。

3.4.2桂林市区岩溶地下水水位监测网优化研究

3.4.2.1研究对象与目标

桂林市区岩溶地下水水分布范围广，水质好，是目前主要的开采层。但在强岩溶发育地区，岩溶地下水的过度开采往往会造成地面沉降、塌陷等地质灾害。因此，必须建立合理的地下水监测网，对岩溶地下水位进行实时监测，才能真正做到地下水的合理开采，防止漏斗面积的扩散及保护地下水水质。以岩溶地下水水位为研究对象，对桂林市区岩溶地下水水位监测网进行优化设计。

选用地下水位估计误差标准差为评价目标函数，用整个观测网平均估计误差标准差作为评价观测网整体精度的标准，优化的目标是在节省一定费用情况下，使优化后平均估计误差标准差与原观测网的平均估计误差标准差相差不大。

3.4.2.2地下水监测网点布设原则

监测孔总的布置原则是：对于面积较大的监测区域，以顺沿地下水流向为主与垂直地下水流向为辅相结合布设监测网；对于面积较小的监测区域，根据地下水的补给、径流、排泄条件来布置控制性监测点。

1）国家级区域地下水动态监测点，应在水文地质单元和含水层层序划分的基础上，依据地质环境背景和水文地质条件进行布置。主要布置在：

a.岩溶水具有供水意义的地区，以及已经产生或可能产生岩溶塌陷的地区。

b.已经或将要形成区域环境地质问题的地区。

2）省级地市区地下水动态监测点，要在国家级城市区地下水动态监测网的基础上布置。布置时应考虑以下几个方面：

a.在城市供水水源地的补给、径流、排泄区，污染源附近和水源地保护区，均应布设监测点。

b.在水源地应在平行和垂直于地下水流向布设两条监测线，以监测地下水位下降漏斗的形成和发展趋势。

b. 在水源地应沿平行及垂直于地下水流向设置两条监测带，以观测地下水位下降漏斗的形成及发展趋势。

c. 在调查水源地间的相互影响或邻近矿区排水对水源地的影响时，应在连接两个开采区的区域设置监测点。

d. 为构建城市地下水平衡计算模型或地下水管理模型，可在边界及计算区域内设置控制性监测点。

3.4.2.3 桂林市区岩溶地下水位观测网优化设计研究

（1）岩溶水文地质半定量分析

鉴于克立格法在人为调整观测孔时的不精确性，从影响观测网优化设计布局的主要因素（岩溶地下水保护条件、岩溶地下水丰度、岩溶发育特点以及岩溶地下水开采条件等）的角度分析，提出了岩溶水文地质半定量分析法。根据其生成的半定量分区图与水位估计误差等值线图合并成一个综合图形，通过综合图形对观测孔进行增减，不仅能更精确地布置观测孔的位置，而且能提高优化效率。其方法介绍如下。

1）赋值。根据各因素对桂林市区岩溶地下水位观测网布局的影响效果，分为大、较大、中、小四个等级标准。根据桂林市区实际情况，选取的主要影响因素及其赋值标准如表3.3所示。

表3.3各影响因素赋值标准

2）权重的确定。权重反映各影响因素的相对重要程度，它既是决策者的主观评价，又是指标本质的物理属性的客观反映，是主客观综合度量的结果。权重主要取决于两个方面：第一，指标本身在决策中的作用和指标价值的可靠性；第二，决策者对该指标的重视程度。目前，对指标的权重的确定存在着不少主观随意性，严重影响着评价结果的客观性。建立了最优化模型，对主客观赋权进行线性加权法求取权重，其表达式为

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

求解上述模型，即得综合集成权系数：

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

式中：

为专家所评各因素的权重；hk为各专家所评结果的重要程度，

hk=1，q为专家人数；α，β分别表示主、客观赋权方法的相对重要程度，α+β=1；m为评价方案的个数；αij为第i个评价方案的第j个因素值；

为各评价方案中第j个因素值的最优值，即α中最优值，一般取其平均值；ij

为综合集成后的权重向量。

根据多名深入了解研究区水文地质条件的水利专家所建议各影响因素的初始权重，求得各影响因素综合权重值如表3.4所示。

表3.4各影响因素权重赋值表

3）综合评价。基于MapGIS软件具有任意图形边界的多图层矢量数据叠加的功能，对岩溶地下水保护条件分区图、岩溶发育强度分区图等影响桂林市区岩溶地下水水位观测网优化设计的各因素的分区图进行图层叠加，在叠加后所形成的小分区内采用加权平均模型计算各小分区的综合评价值，其数学模型表达式为

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

式中：R为各区的综合评价值；

为各区因素的权重；Yj为各区内因素的赋值；n为各区内所有因素的数量。

根据计算的结果综合评价值基于MapGIS软件生成岩溶水文地质半定量分析图。其形成过程如下：

a.各影响因素综合权重值的确定。根据多名水利专家所建议各影响因素的权重值，求得各影响因素综合权重值，在岩溶地下水丰度、岩溶地下水保护条件、岩溶发育强度等各主要影响因素的分区图中给各分区赋予因素值及综合权重值。

b.基于MapGIS图层叠加功能，把各分区图叠加成一个综合图层。

c.导出综合图的属性值（各分区图的因素值及权重），利用综合评价模型，计算出综合图中的各小分区的综合评价值（R），再导入到叠加图层中。计算结果在0～7之间，将其分成7个区间，每个区间赋予一个颜色并在综合图中表示出来，从而得到岩溶水文地质半定量分析图，如图3.13所示。

图3.13岩溶水文地质半定量分析示意图

4）评价结果及分析。从岩溶水文地质半定量分析图上可看出，原观测网大多数观测孔分布在评价值高的区域，评价值在3以上的区域就分布有41个观测孔（表3.5），评价值越高，布孔率也就越大。

表3.5原观测网各区间的分布面积及布孔率

（2）桂林市区岩溶地下水位观测网优化设计定量分析

1）岩溶水文地质条件分析。在岩溶地区，地下水含水介质的强非均质性给地下水观测网的布局和优化方法的选择上带来一定的困难。经过前面对研究区水文地质条件分析总结，克立格法适用于桂林市区岩溶地下水观测网的优化设计，其依据如下：

a.观测孔集中分布在峰林平原或漓江两岸，其孔深都在100m以内，而在其深度范围内岩溶发育强烈，溶洞之间通过裂隙、微裂隙相互连通，从而使岩溶地下水保持密切的水力联系，构成了一个统一的岩溶含水层。

b.研究区地下水系统含水介质以岩溶裂隙、溶洞为主，局部发育管道，具非均质性，但不强；地下水运动方式以散流为主，水的流态以层流为主，呈各向异性，但也不强。在研究区东区，广泛发育的溶洞、裂隙构成“地下溶洞-裂隙网络”，使岩溶含水层表现出类似于多孔含水介质的特征，可近似简化为相对均质各向异性含水层。

综上所述，研究区地下水系统具有非均质性及各向异性，但均不强，在局部范围内甚至表现出均质性，因此，克立格法适用于桂林市区岩溶地下水观测网优化设计的研究。

2）克立格法在桂林市区岩溶地下水观测网优化设计的应用。

A.桂林市区各岩溶地下水水位观测孔坐标及水位值。桂林市区岩溶地下水水位观测网各观测孔1990年9月水位均值如表3.6所示。

A. 桂林市区各岩溶地下水水位监测点坐标及水位数值。桂林市区岩溶地下水水位监测网各监测点1990年9月水位平均数如表3.6所示。

表3.6 1990年9月桂林市区岩溶水位监测网各监测点水位平均数

B. 实验变异函数的计算。运用实验变异函数公式计算各方向实验变异函数数值。经过分析，沿N—S、S—W、NE—SW、NW—SE4个方向分别计算的实验变异函数数值相差不大，这也说明在监测点分布范围内地下水系统含水介质非均质性不强。

由于监测点分布的不规则性，可采用平均距离法计算实验变异函数。首先计算出每个监测点与其他监测点的距离hij，把它们分为8类，基于Matlab编程计算，算出的每类hij的个数、平均值，然后计算的平均实验变异函数（h）如表3.7所示。

表3.7原监测网每类hij的平均值及平均实验变异函数值

根据每一类的hij平均值及对应的平均实验变异函数值（h），绘制实验变异函数曲线，即图3.14中的折线。

图3.14变异函数曲线拟合图

C. 实验变异函数的拟合。运用加权线性规划法对变异函数进行自动拟合，选用的球状模型为

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

将球状模型变异函数的拟合问题转化为多元线性回归问题。

根据加权线性规划法，运用Matlab编程计算得到b0=1.86、b1=0.61、b2=0.02；然后计算得到：C0=1.86，a=3.17，C=1.29，验前标准差C（0）=C0+C=3.15。

表3.8加权线性规划法X1j、X1j、ωj值

续表

注：A为放大系数，在拟合时可根据人机互动方式设定。

根据表3.8计算结果，可得最佳拟合的理论变异函数为

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

D. 估计误差标准差及水位估值的计算。变异函数模型确定后，即可运用克里格方程组计算各监测点估计误差标准差数值和水位估值。

首先应用普通克里格方程组计算估计误差标准差数值及水位估值。在计算中，由于计算时克里格系数出现了负数值，因此运用改进的克里格模型进行计算。从图3.13可知，当各监测点两点间距离大于变程3.17km时，变异函数γ（h）几乎不变。这说明当两点间距离大于变程时，监测网内其他监测点对估计点的估值有影响，但影响不大，可忽略不计。为了计算简单且符合精度要求，取距离小于变程范围内的所有监测点参加克里格权系数和估计误差方差的计算。下面详细介绍监测点GⅢ1、GⅢ63的克里格权系数和估计误差方差计算过程。

a.GⅢ1。经过计算可知，有GⅢ3、GⅢ32、GⅢ35与GⅢ38监测点与GⅢ1距离小于3.17km，因此只有它们4个监测点参与计算，它们之间变异函数值及它们与GⅢ1监测点间的变异函数值如表3.9所示。

表3.9变异函数γi19、γij和权系数λi及拉格朗日乘子μ

利用表中数据，计算GⅢ1估计误差方差方程：

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

GⅢ1的水位估计值为

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

水位估计值与实际水位值相差0.03m。

b.GⅢ63。依据变异函数计算公式，计算得到与GⅢ63距离小于变程所有监测点之间的变异函数值和这些监测点及GⅢ63的变异函数值的结果如表3.10所示。

表3.10变异函数γi63、γij和权系数λi及拉格朗日乘子μ

根据表中变异函数值，计算GⅢ63水位估计误差方差为4.8852，把权系数代入水位估计公式求的其水位估计值为144.95m，与实际值相差0.90m。

原岩溶地下水水位监测网其他各监测点计算过程与GⅢ19、GⅢ63监测点相同，各监测点水位估计误差标准差数值及水位估值如表3.11所示。

从表3.11中可看出，研究区地下水监测网平均估计误差标准差为3.9820。因此，给定估计误差标准差的临界值为3.9820。根据估计误差标准差等值线图，在水位估计误差标准差较大的区域，适当增加监测点；反之，在水位估计误差标准差较小的区域则减少监测点。然后再拟定几个优化方案，并计算各方案下平均估计误差标准差数值和水位估值，经过精度比较和费用分析，选择其中最佳方案。

表3.11原监测网各监测井估计误差标准差数值

注：Δh为估计水位值与实际偏差表中，由于监测点GⅢ21、GⅢ71周围3.17km内没监测点，不能参加统计计算。

此外，由计算得到的各监测点水位估值可知，在监测网布设密集区，水位估值较为准确，而在一些周边或水位变化较大的区域，由于分布监测点较少，使得估计值不准确，甚至偏差很大。如监测点GⅢ41，其变程范围内只分布有监测点GⅢ45，故估计值即为GⅢ45的水位值，与实际相差11.15m。在监测点GⅢ13变程范围内分布的GⅢ11、GⅢ14、GⅢ23、GⅢ25等16个监测点观测水位都比监测点GⅢ13要大，其中监测点GⅢ57水位值最小，仍比监测点GⅢ13大0.72m，由于采用的克里格空间插值估计法是一种线性加权法，其算得的估值自然不会比参与计算的监测点中的最小水位值小，即其估计水位值与真实观测水位值之间的偏差应在0.72m以上。因此，应在岩溶地下水位变化较大的监测点周围布设监测点以更全面地提取研究区水文地质信息量。

根据计算得到的原监测网岩溶地下水水位估计误差标准差数值及水位估值，运用克里格空间插值技术，基于MapGIS软件生成估计误差标准差等值线图等值线图，如图3.15、图3.16所示。结果显示，在MapGIS中运用克里格空间插值法生成的估计误差标准差等值线能真实的反映实际情况。奇峰镇、研究区东北角处监测点与周围监测点距离太远，不能计算出估计误差标准差数值，故缺少等值线的分布，需要增加监测点以更全面反映整个桂林市区岩溶地下水水位动态；在岩溶所、湘桂铁路附近，监测点分布较多，估计误差标准差数值也小，可以减少一定量的监测点。

根据计算所得的原观测网岩溶地下水水位估算误差标准差及水位估值，运用克里格空间插值技术，依托MapGIS软件生成估算误差标准差等值线图等，如图3.15、图3.16所示。结果显示，在MapGIS中运用克里格空间插值法生成的估算误差标准差等值线能真实地反映实际情况。奇峰镇、研究区东北角处观测孔与周围观测孔距离过远，无法计算出估算误差标准差值，故缺少等值线的分布，需增加观测孔以更全面地反映整个桂林市区岩溶地下水水位动态；在岩溶所、湘桂铁路附近，观测孔分布较多，估算误差标准差值也小，可以适当减少一定量的观测孔。

图3.15原岩溶地下水观测网水位估算误差标准差等值线示意图

从应用估算水位所绘制的地下水流场图与原地下水流场图可看出，在朝阳处流场发生了很大的变化，由于布置的观测孔较少，GⅢ41与GⅢ45观测孔只有两者之间相互估算对方的水位，造成水位估算误差过大，从而使得估算的地下水流场不能真实反映实际情况，这也说明了原观测网布置得不合理。

E.制定被选方案。由于桂林市区岩溶地下水位观测网布置还相对较稀疏，因此在适当减少少量观测孔的条件下，以调整为主。将原观测网水位估算误差标准差等值线图和岩溶水文地质半定量分析图合成一个综合图，在水位估算误差标准差较大的区域，经过水文地质条件分析，在其区域内评价值较大的分区里增加观测孔；估算误差标准差较小的区域内，则在该区域内评价值较小的分区里减少观测孔，根据这个原则，制定出两个优化方案；然后运用改进克里格法计算各方案的估算误差标准差值和水位估值；最后根据费用分析及精度比较，选取其中较优者。

图3.16原岩溶地下水观测网水位估算等值线示意图

（根据1990年9月水位资料）

方案1：

a.分布在湘桂铁路处各观测孔估算误差标准差值都较小，其中最大的估算误差标准差为3.7941，因此根据岩溶水文地质评价分区图在该处评价值1～2减少观测孔GⅢ47、GⅢ48，保留与GⅢ47提供相同水位信息的观测孔GⅢ46；在2～3区间内减少观测孔GⅢ42，由于该处地下水位等值线分布较密集，水力坡度大，是地下水径流区，故还保留GⅢ24、GⅢ42两个观测孔。长海机械厂及其附近仅分布观测孔GⅢ6，其估算误差标准差较大为5.5694，在评价值为6～7的区间内增加观测孔Z1；在岩溶研究所及市区中心漓江两岸虽为地下水排泄区，但布置的观测孔较多，估算误差标准差值很小，故可按一定的距离间隔减少分布在评价值大的区域内的观测孔GⅢ53、GⅢ54、GⅢ55、GⅢ59、GⅢ60、GⅢ68。

b.拓木镇为地下水径流区，在评价值高的区域内增设观测孔Z2；瓦窑为人口密集区，发生的岩溶塌陷灾害的密度较大，而且估算误差标准差值也大，因此在评价值为5～6的区域新增观测孔Z3；朝阳北侧为地下水排泄区，该区域估算的水位流场已不能真实地反映实际情况，估算误差标准差值也大，故在评价值为5～6的区间内增加观测孔Z4。

c.观测孔GⅢ20、GⅢ21布置的距离周围观测孔距离较远，因此将其稍作挪动，使其能参与估算误差标准差值和水位估值的计算；GⅢ29、GⅢ71观测水位与其他观测孔相差较大，为了更全面地反映水文地质信息，在两者中间塘家湾处增加观测孔Z5。

此外由于观测孔GⅢ17与GⅢ65之间、GⅢ31与GⅢ64之间距离很近，水位值及水位动态变化情况也大致相同，因此减少分布在评价值较低的观测孔GⅢ17、GⅢ31。本方案在原观测网基础上减少观测孔11个，挪移位置2个，新增观测孔5个，优化后共43个观测孔，方案1中桂林市区岩溶地下水水位观测网分布情况见图3.17。

图3.17方案1岩溶地下水观测网水位估算方差标准差等值线示意图

调整优化后，对各观测孔进行估算方差标准差及水位估算的计算。由于球状模型描述的是区域化变量结构的变化，而是在原观测网基础上进行的局部调整，整个观测网空间结构变化不大，因此调整优化后的观测网仍用原观测网拟合的球状模型。根据调整后的观测网各观测孔的坐标及水位值，运用Matlab编制的改进克里格程序模型计算的估算误差标准差值及水位估值如表3.13所示，并基于MapGIS软件生成的估算误差标准差等值线、估算水位等值线图如图3.17和图3.18所示。

图3.18方案1岩溶地下水观测网水位估算等值线示意图

（根据1990年9月水位资料）

方案2：

在方案1中，GⅢ41、GⅢ65、GⅢ71、GⅢ20估算误差标准差值仍较大，因此方案2在方案1的基础上，在这四个观测孔附近综合评价值较高区域内增加Z6、Z7、Z8、Z9观测孔。计算结果如表3.12所示，根据计算结果所生成的估算误差标准差及估算水位等值线图如图3.19，图3.20所示。

F.备选方案分析与确定。根据原观测网、方案1和方案2的计算结果和估算误差标准差、估算水位等值线图可知，虽然优化后减少的观测孔数目不多，但平均估算误差标准差有所增大，而估算水位值与实际水位值的平均偏差却有所减少。最主要原因是原观测网大多观测孔集中布设在市区中心地带，周边分布的观测孔很少，有些甚至不能进行统计计算，这就使得原观测网平均估算误差标准差值较小。而方案1和方案2是针对整个研究区进行优化调整的，在观测孔集中区减少观测孔，在周边及水位变动较大的地区增加观测孔以全面地反映岩溶地下水水位信息，使得优化后所有的观测孔都参与了统计计算，观测网的观测范围也变大了，而观测孔数目又有所减少，所以估算误差标准差也相应地增加；由于在水位变动较大的区域增加了观测孔，使得这些观测孔估算水位与实际水位偏差变小，不会出现水位估算有较大的偏差情况，所以优化后观测网平均水位估算偏差值比原观测网有所减少。

G. 方案选析与确定。依据原始观测网、方案一与方案二的运算成效及预估误差的均方差、预估水位等值线图可见，尽管优化过程减少了观测井的数目，但平均预估误差的均方差有所上升，而预估水位与实际水位之间的平均偏差却有所下降。主要原因是原始观测网中的观测井大多集中在城市中心区域，周边的观测井较少，有些甚至无法进行统计计算，这导致原始观测网的平均预估误差的均方差值较低。而方案一和方案二是对整个研究区域进行了优化调整，在观测井集中区域减少观测井，在周边及水位变化较大的区域增加观测井，以全面反映岩溶地下水水位信息，使得优化后的所有观测井都参与了统计计算，观测网的覆盖范围也扩大了，观测井数目虽有所减少，但预估误差的均方差也相应地增加；由于在水位变化较大的区域增加了观测井，使得这些观测井的预估水位与实际水位偏差减小，不会出现水位预估存在较大偏差的情况，因此优化后的观测网平均水位预估偏差值比原始观测网有所减少。

图G.19 方案二岩溶地下水观测网水位预估误差均方差等值线示意

优化后的观测网在地下水流动的顺向和垂直方向上都布置了观测井，在地下水补给、径流、排泄区都设置了观测井，在漓江河谷排泄区减少了提供冗余信息的观测井，在水力坡度较大的区域增加了观测井，因此在空间布局上优化方案比原始观测网更为合理。从流场图上分析，原始观测网的预估水位流场已与原始观测网水位流场变化较大，而优化方案预估的水位流场更贴近实际。

图G.20 方案二岩溶地下水观测网水位预估误差均方差等值线示意图

（根据1990年9月水位资料）

表G.12 方案一和方案二计算结果

续表

原始观测网、方案一和方案二的精度及成本分析比较如表G.13所示。

表G.13 方案一与方案二的比较

注：新建一口井约需8万元，每口井的运行管理费及维修费每年按工程投资的5%计算，各方案的设计年限为10年。

由表可知，方案一虽然可以节省24万元，但平均预估误差的均方差相对较大，比原始观测网增加15.8%，说明优化后的整个观测网的布局较为稀疏，无法满足精度要求；方案二是在方案一的基础上增加了4个观测井，虽然费用仅节省8万元，但观测精度有了显著提升。根据桂林市区现有观测网布局相对稀疏的实际情况，为了保证观测精度，优先选择方案二。