至少， 地下水监测点的数量必须足以能够达到监测的目标。根据水文地质环境、用水分布和气候条件的不同，达到目标所需的监测井的实际数量可能会有很大差异。国家层面会与各地合作，确定达到与每个主要含水层有关的国家目标所需的监测点数量，地方层面所需的监测井数量主要将由各地决定。
每个含水层的水位和水质监测网的最终设计可能因若干因素而有所不同。这些因素可能包括：与水质测量相比，获得水位测量的成本相对较低；与水质测量相比，地下水水位的空间变异性差异(即，可能需要不同的空间采集密度，包括水平和垂直方向)；与纳入水质监测网络相比，现有监测井是否适合纳入水位监测网络(例如，选择标准可能使一个监测井有资格列入水位监测，但不包括水质监测)。最终的监测网设计也可能因含水层而异。可能导致不同含水层设计差异的因素包括含水层导水率、含水层受压程度、含水层开发程度(即抽水)以及含水层水质、气候和其他水文因素的可变性。
相对于地下水位和含水层中地下水质量的空间变异性，监测的空间分布可能是稀疏的。因此，国家监测网的一个总体目标将是在一个含水层内尽可能多的地点提供水位测量和水质样本结果。由于可能的资金限制，必须考虑，在包括较多监测点但较少测量的设计，与较少监测点但在这些点进行较多测量的设计之间进行权衡。
空间监测的各种概率设计包括：(1)简单随机采样，(2)分层随机采样，(3)系统网格采样，(4)区块内随机采样。四种设计方法如图1所示。
图1. 空间中二维概率采样设计的例子
一般来说，分层随机采样比简单随机采样对总样本统计数据的估计更精确。基于网格的方法有助于确保监测点位置在感兴趣的单元中平面分布。这有助于避免采样设计中可能出现的偏差，因为现有的聚类测量点的面积分布不均匀。因此，在区块内的随机采样有助于在整个感兴趣的区域内产生更均匀的监测站点分布，并倾向于降低监测井之间的空间相关性。在这个概率设计中，重要的是要注意到含水层的三维性质，特别是在主要含水层的尺度上。监测点的分布必须考虑到某些含水层的三维性质，还必须考虑到一些已知的水文特征，如含水层补给和排泄区。
国家层面监测点的总体分布设计为区块内的分层随机采样。分层将按含水层、含水层的一部分或其他确定的单元进行。本设计结合了分层随机采样的统计强度和基于网格方法的分布强度。应用这一总体设计的监测项目包括，伊利诺斯州农村和私人水井的农业化学品全州调查和美国地质调查局国家水质评估项目。在构建监测网时，可能会出现这种通常设计的例外情况。比如，如果一口井有长期的水位和(或)水质历史记录，并且计划进行持续的长期测量，那么无论它是否符合整体设计方法，它都可能足够重要，可以纳入网络。
很难确定在全国范围的监测网中需要多少口监测井，而且很有可能，如果不是所有的监测网都需要通过国家和地方层面的数据提供商的自愿努力来填充。本节描述了监测网在评估水位和水质所需的监测点(井/泉)数量方面的目标。为充分监测水位和水质所需的站点数量会各不相同。
水位方面
在对地下水系统进行某种程度的评估之前，通常不能确定地下水位网所需的观测井或泉水的数量。国家监测的特定目标，需要地下水位监测的一个宽泛的总体设计。根据含水层的复杂程度，在一个旨在评估地下水储存状况的监测网中，井的密度应为每1000平方英里2至100口。通常，对现有的监测网进行统计分析，比较水文曲线，并在此统计分析的基础上对网络进行优化。
理想情况下，地下水模拟和监测应同时进行评估，以确定监测活动的充分性。在地下水模拟中，根据水文系统中可能发生的相对缓慢变化的监测数据来确定当前条件。许多含水层系统经历了几十年的发展，可能远未达到平衡。例如，当前条件下的数据可能无法表明，未来的水流枯竭将如何从已经发生的抽水演变而来，但这可以通过使用模型来估计。监测和计算机建模是互补的活动，但往往被分开对待，忽视了其重要的联系和反馈。图2展示了地下水评价中监测与建模一体化的理想框架。监测数据是校正计算机模型的主要信息。相反，模型校准和使用的过程提供了对监测数据的充分性和缺口的见解。如图2所示，箭头表示长期监测作为建模的输入，以及在建模基础上评估长期监测网络的反馈回路。区域州际地下水流动模型适用于美国的几个主要含水层，但覆盖范围并不全面，直到这些工具可用。地下水水位监测将根据网络的目的和含水层系统的概念模型进行分布，包括水井在流动系统中的位置(补给区、排放区)、含水层的受压程度(受压、无受压或泄漏)、地形和气候特征以及水力特征。在国家和地区州际范围内，这些不同环境下的广泛监测井和春季覆盖范围应该足够。
图2. 监测与建模集成的框架
水质方面
确定国家监测网所需监测点数量的两种可能方法是：(1)按含水层或其他单元规定最低监测点数量的方法，以及(2)在给定规定采样密度的情况下确定含水层或其他单元所需监测点数量的方法。
应该指出的是，这两种方法都没有试图在垂直维度上描述空间密度。空间密度在垂直维度上的相对重要性在不同的含水层之间存在差异，因此应在国家监测网的不同含水层之间单独处理空间密度。对于许多总体样本来说，“大约30的样本量被认为足够大，样本均值的采样分布可以近似为正态分布”，还有，“采样调查受到批评并不罕见，因为它们只采样了很小比例的总体样本，但是样本的大小，而不是它所包含的总体的比例，通常决定了估计的精度[样本均值的标准误差]。第一种方法是在一个已定义的单元中指定最小数量的测量点，而不考虑单元的面积，这是一些监测程序使用的方法。佛罗里达州地下水监测项目是一个例子。美国地质调查局国家水质评估项目也要求为地下水质量采样指定最少数量的测量点，以提供地下水质量的总体概况。国家水质评估项目要求在每个含水层“亚单元”中至少取样20-30口井。在“预计地下水质量变化最大”的亚单元中规定了30口井。
第二种方法是指定规定的采样密度，也被一些监测程序所使用。例如，美国地质调查局国家水质评估项目也有一个总体目标，当采样目标是提供地下水质量的广泛情况时，使用每100平方公里含水层一口井的空间密度。
应用上述两种设计方法来确定井数的示例包括，美国67个主要含水层或其他含水层以及这67个含水层的总和。该示例显示了在规定的最小监测井数(每个含水层30口井)下得到的监测井空间密度，以及在规定的采样密度(每100平方公里1口井)下所需的监测井数。两种方法的结果可以根据含水层和所有67个含水层的监测井数和(或)采样密度进行比较。
在全国范围内，在主要含水层尺度上，国家监测网总共需要2,010口监测井，以实现67个主要含水层或其他含水层中每一个至少需要30个监测井。监测井的空间密度范围从在Kingshill含水层(维尔京群岛)的1口井/3平方公里，到冰川含水层系统的1口井/82,288平方公里。所有67个含水层的平均空间密度结果是1口井/ 5755平方公里。如果67个主要或其他含水层中的每一个都采用空间密度为每100平方公里1口井的设计方法，全国网络将需要大约115,670口监测井。每个含水层的井数范围从Kingshill含水层(维尔京群岛)的1口井到冰川含水层系统的24,687口井(注意，Kingshill含水层中的1口井无法为Kingshill含水层本身的统计分析提供足够的测量数据)。
除了平面分布的测量之外，上述井的数量没有考虑在不同深度进行测量的需要。如果一口井/100平方公里的空间密度是设计目标，但在三个一般深度（靠近每个含水层的顶部、中部和底部），国家网络中需要大约347,000口监测井。每个含水层或含水层系统的最终网络设计可能是上述两种设计方法的结合。该网络的早期版本是在含水层或其他单元中确定监测场地的最低目标数目。随着时间的推移，在资金允许的情况下，将增加更多的井，以满足每个含水层或其他单元的目标空间和垂直采样密度。理想情况下，每个含水层或其他单元的监测网设计需要单独开发，以考虑和适应每个含水层的独特特征。
以往的资料表明，无论是对地下水位还是地下水质量来说，都不存在一个理想的井密度。国家监测网需要设计灵活，允许监测网设计本质上是迭代的。五个试点研究根据含水层的面积范围、国家含水层和地方含水层的三维分层、井的可用性、系统的压力、可用井以及与网络相关的成本，都有不同的井密度，这是一些更重要的限制因素。随着更多的组织参与国家监测网并使用数据，未来将评估适当的密度。
（编译于《美国国家地下水监测框架》部分章节）
