張 艷,徐 斌

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與國土資源學(xué)院,陜西西安 710054;2.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054)

信息技術(shù)支持下的灌區(qū)地下水水質(zhì)調(diào)查評價

張 艷1,徐 斌2

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與國土資源學(xué)院,陜西西安 710054;2.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054)

運用系統(tǒng)工程和軟件工程的方法,將智能終端和3S集成技術(shù)引入地下水水質(zhì)調(diào)查研究中,構(gòu)建了基于3S的地下水水質(zhì)調(diào)查評價模型,并進行了系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)。該方法運用在陜西省涇惠渠灌區(qū)地下水水質(zhì)調(diào)查與評價工作中,較傳統(tǒng)方法工作量小,調(diào)查精度高,評價結(jié)果可靠,數(shù)據(jù)管理可持續(xù)性強,提高了地下水水質(zhì)調(diào)查與質(zhì)量評價的工作效率。

地下水;水質(zhì)調(diào)查與評價;智能終端;GIS;涇惠渠灌區(qū)

地下水是水資源的一個重要組成部分,受原生地球化學(xué)環(huán)境和人類活動的共同影響,地下水水質(zhì)表現(xiàn)出區(qū)域分布和演化的特點。特別是隨著人類活動范圍和強度的增大,在大規(guī)模開發(fā)利用地下水資源的同時使地下水受到不同程度的污染,并引發(fā)了一系列不良后果[1]。為了掌握地下水水資源質(zhì)量狀況,開展水質(zhì)調(diào)查工作。嵌入式GIS和智能終端技術(shù)的發(fā)展為水質(zhì)調(diào)查工作提供了新的思路和更強的技術(shù)支持。本文就IT/RS/GIS/GPS等信息集成技術(shù)在地下水調(diào)查評價中的應(yīng)用技術(shù)流程和集成系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)問題進行研究。

1 IT/RS/GIS/GPS集成技術(shù)原理

IT/GIS/RS/GPS集成技術(shù)是遙感(remote sensing,RS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)、全球定位系統(tǒng)(global positional system,GPS)、智能終端(intelligent terminal,IT)幾門學(xué)科在平行發(fā)展的進程中,逐漸綜合應(yīng)用的技術(shù)[2]。

GPS是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量導(dǎo)航的技術(shù)。RS是指遠(yuǎn)距離不直接接觸物體而取得其信息的現(xiàn)代化探測技術(shù)。GIS是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計算機系統(tǒng),是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。

嵌入式GIS(embeddedGIS)是集成GIS功能的嵌入式系統(tǒng)。智能終端是集中了計算、電話、傳真和網(wǎng)絡(luò)等多種功能為一體的一種嵌入式設(shè)備,體積小、重量輕、便于攜帶、功能強大。智能終端具有良好的軟硬件可擴充能力,還具備移動性,給GIS實時數(shù)據(jù)采集與更新帶來極大的方便性,通過串口線與GPS連接,智能終端不僅能存儲GPS數(shù)據(jù),而且能實現(xiàn)野外實時成圖,實現(xiàn)調(diào)查的直觀性和便攜性。

2 IT/RS/GIS/GPS集成技術(shù)在地下水水質(zhì)調(diào)查評價中的主要技術(shù)流程

地下水水質(zhì)調(diào)查是地下水水質(zhì)評價、地下水環(huán)境質(zhì)量評價、水資源保護的基礎(chǔ)工作。

工作程序如下:準(zhǔn)備工作(收集研究區(qū)自然地理、水文地質(zhì)、地貌等概況)——外業(yè)水樣采集——內(nèi)業(yè)水樣分析——分析地下水水化學(xué)成分的區(qū)域分布變化特征——水質(zhì)評價——提出防污對策。

2.1 基于智能終端和嵌入式GIS的水質(zhì)調(diào)查野外采集系統(tǒng)的設(shè)計

野外調(diào)查和采集水樣是水質(zhì)評價的首要條件和基礎(chǔ),它包括空間位置的采集和屬性信息采集兩部分。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中,水樣采集人員在采樣點借助紙制地圖和羅盤定位,記錄采樣點的經(jīng)緯度坐標(biāo)和其他相關(guān)的水位等數(shù)據(jù)信息,回到室內(nèi)將記錄信息錄入電腦,結(jié)合其他信息進行匯總。傳統(tǒng)方法定位精度不高,而且可能會因為人為原因造成錄入錯誤,嚴(yán)重的甚至需要重新進行取樣采集。因此,很有必要利用先進的信息采集手段和工具作為野外調(diào)查和水樣采集的基礎(chǔ)支持,實現(xiàn)野外調(diào)查和水樣采集過程的數(shù)字化、科學(xué)化、規(guī)范化。

水質(zhì)調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集工作包括兩部分工作:①資料準(zhǔn)備,在地下水水質(zhì)調(diào)查內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中,利用調(diào)查區(qū)遙感影像或已有大比例尺地形圖制作符合移動GIS格式的工作底圖;②野外采樣和調(diào)查工作,利用智能終端上集成的GPS,進行空間定位,測定采樣點(井、泉等)的位置信息,交互式記錄并顯示于工作底圖上,并將現(xiàn)場獲得的采樣點相關(guān)地質(zhì)信息、地貌信息、水文地質(zhì)信息等屬性信息現(xiàn)場錄入采集系統(tǒng),存儲于地下水水質(zhì)野外采集數(shù)據(jù)庫,空間與屬性信息建立鏈接,可進行實時查詢。同時,利用掌上電腦自帶的攝像頭記錄周圍環(huán)境信息,可為水質(zhì)評價分析等工作參考。野外數(shù)據(jù)采集工作流程如圖1所示。

圖1 野外數(shù)據(jù)采集流程

地下水水質(zhì)調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于嵌入式操作系統(tǒng)的PPC軟件,采用單機模式,通過輔助通訊工具與PC機通訊。整個系統(tǒng)基于組件式開發(fā),包括GPS、通訊組件、嵌入式GIS組件和數(shù)據(jù)庫訪問組件;數(shù)據(jù)存儲是基于文件的,包括空間數(shù)據(jù)文件,屬性存儲文件(SDB格式);用戶操作是交互式的;可通過同步軟件或無線通訊的方式與服務(wù)器直接通訊[3]。整個系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 基于桌面GIS的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計

基于桌面的GIS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),通過串口或數(shù)據(jù)線方式接收外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)所獲取的外業(yè)數(shù)據(jù)(包括空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)),進行組織管理。

該系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對調(diào)查及成果數(shù)據(jù)信息的管理,包括對基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫進行管理的功能,以及對分析處理的綜合性專題圖件進行管理,并建立與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián),形成以地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)管理和地下水水質(zhì)統(tǒng)計分析為目的的系統(tǒng)。水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析主要包括常規(guī)統(tǒng)計分析、空間統(tǒng)計分析及水化學(xué)分析功能。

另外,系統(tǒng)設(shè)置了空間信息管理目錄窗口,它是系統(tǒng)的圖層管理入口,負(fù)責(zé)圖層的創(chuàng)建、刪除、添加、修改、調(diào)整等。

2.3 地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫的建立

依據(jù)《西北地下水資源勘察評價空間數(shù)據(jù)庫工作指南》[4],把地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫分為圖形數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。各類信息以圖層的形式組織與管理。屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫之間通過唯一的地物標(biāo)識進行關(guān)聯(lián)。屬性數(shù)據(jù)庫采用E-R圖等方式進行設(shè)計,以數(shù)據(jù)表格的形式存放,主要包括內(nèi)容見地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)圖,如圖3所示。

2.4 地下水質(zhì)量評價系統(tǒng)的設(shè)計

地下水質(zhì)量評價的方法主要包括一般統(tǒng)計評價、綜合指數(shù)法評價、F值法評價、模糊綜合評判法、層次分析法評價及灰色關(guān)聯(lián)法評價等。地下水質(zhì)量評價系統(tǒng)將GIS的多項組件和專業(yè)水質(zhì)評價模型進行耦合,對地下水環(huán)境質(zhì)量進行評價。

首先設(shè)置評價指標(biāo),從地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫中提取采樣點的分析數(shù)據(jù),根據(jù)實際情況選用合適的水質(zhì)評價模型進行評價,評價結(jié)果生成匯總表,錄入水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫,并通過一定標(biāo)識與空間數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。評價結(jié)果以圖表等形式可以進行統(tǒng)計、制圖、報表打印和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。系統(tǒng)流程圖見圖4。

3 實例研究

3.1 研究區(qū)概況

涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部,灌區(qū)西、南、東分別有涇河、渭河、石川河,北接渭北黃土臺垣,清峪河呈東西向穿越灌區(qū)北部。灌區(qū)東西長約70km,南北最寬20km,總面積約為1233km2。

圖3 地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)流程

灌區(qū)開發(fā)利用地下水資源至今已有50多年的歷史?，F(xiàn)有農(nóng)用機井1.39萬眼(其中配套機井1.32萬眼),渠井雙灌面積7.33萬hm2。1997年實際供水量2.39億m3,提水能力接近3億m3。近年來,由于灌區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及農(nóng)村生活廢水大量排放,加之污水治理設(shè)施建設(shè)滯后,使淺層地下水遭到不同程度的污染。特別是長期過量開采地下水,使地下水位下降,改變了原來地下水流場水流方向,造成劣質(zhì)地下水匯流區(qū)內(nèi)。

3.2 外業(yè)水樣采集

本次研究外業(yè)采樣運用了外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為輔助設(shè)備,直接通過掌上電腦自帶的GPS定位采樣點的位置信息,并標(biāo)注到工作底圖,一些相關(guān)井位屬性信息直接錄入基于PDA的地下水水質(zhì)調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。相比較以往傳統(tǒng)方法,節(jié)省了工作量,提高了外業(yè)調(diào)查精度。

本次研究所涉及的地下水水樣取樣時間是2007年11月,采樣地點位于陜西省涇惠渠灌區(qū),本次采樣遵循有效覆蓋原則選取了灌區(qū)內(nèi)的25個水井。所取水樣均為潛水。對水樣中“六大離子”,以及一些微量組分的濃度進行了測試。它們的測試結(jié)果可以反映出灌區(qū)內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)水化學(xué)的特征,以及水質(zhì)污染程度,是灌區(qū)地下水水化學(xué)成分區(qū)域變化特征研究的基本條件,取樣位置見圖5。

圖5 2007年涇惠渠灌區(qū)取樣位置

3.3 地下水水化學(xué)分析和水質(zhì)變化特征

3.3.1 水化學(xué)區(qū)域特征分析

本次水樣的室內(nèi)分析主要分析了水質(zhì)樣品中的一些常規(guī)離子,測定項目包括:pH值、Cl-、SO2-4、重碳酸根、NO-3、Na+、Ca2+、Mg2+及微量組分中的 Fe、Cu、Cr6+。在地下水水質(zhì)調(diào)查內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)下,進行了水化學(xué)區(qū)域特征分析。生成結(jié)果圖件如圖6,表示的是 ρ(SO2-4)區(qū)域變化圖。

圖6 ρ(SO2-4)的區(qū)域分布

由圖6可以明顯看出涇惠渠灌區(qū)內(nèi)ρ(SO2-4)變化范圍為149.41～868.33mg/L,ρ(SO2-4)由灌區(qū)北部、中部向外圍有逐漸減小的趨勢,灌區(qū)的中部及偏北部ρ(SO2-4)普遍高于450mg/L,而以此為中心的外圍區(qū)域 ρ(SO2-4)都在150～450mg/L之間。灌區(qū)北部和中部即三原縣、高陵縣東北以及臨潼區(qū)西北部形成了一個斜三角區(qū)域,該區(qū)的 ρ(SO2-4)普遍高于灌區(qū)的其他地區(qū),在三原縣西張管理站附近以及坡西管理站附近出現(xiàn)了ρ(SO2-4)高于700mg/L的橢圓形區(qū)域,是整個灌區(qū)內(nèi) ρ(SO2-4)最高的區(qū)域;灌區(qū)西部及東部的外圍地區(qū)ρ(SO2-4)較低,其中分別形成了4個 ρ(SO2-4)低于 250mg/L的環(huán)狀區(qū)域,即涇陽縣楊府站附近、高陵縣彭里站附近、臨潼區(qū)櫟陽站附近和閻良區(qū)的閻良分站附近,是整個灌區(qū)內(nèi)ρ(SO2-4)最低的4個地區(qū)。由地質(zhì)條件分析,涇惠渠灌區(qū)中部及偏北部地區(qū)地層中的砂巖、沙礫巖大多為硫酸鹽沉積物,它們是地下水中硫酸根離子的主要來源,造成該區(qū)域硫酸根離子大量富集。

3.3.2 評價因子濃度現(xiàn)狀

根據(jù)具體分析評價中篩選評價因子的需求,可通過分析各因子的現(xiàn)狀濃度以合理選取評價因子。2007年地下水評價因子舉例如下,圖7(a)為不同井號總硬度,圖 7(b)為不同井號 ρ(SO2-4),其他各因子濃度不一一列舉。

圖7 不同井點評價因子質(zhì)量濃度分布

圖件資料顯示以飲用水標(biāo)準(zhǔn)分析各因子濃度超標(biāo)情況,Fe、Cu、Zn沒有超標(biāo),其水質(zhì)因子實測值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值?？傆捕戎挥?、2、5、23號4個井的水質(zhì)監(jiān)測值在飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下,沒有超標(biāo);14號井的總硬度最高,超標(biāo)嚴(yán)重,超標(biāo)水樣占總水樣數(shù)的84%。氯化物超標(biāo)率為 52%,硫酸根超標(biāo)率為88%,硝酸根超標(biāo)率為80%,TDS超標(biāo)率為88%,Se超標(biāo)率為56%,Cr6+超標(biāo)率為36%,氟化物超標(biāo)率為64%。從空間上看,灌區(qū)中下游地區(qū)井各離子超標(biāo)情況嚴(yán)重,超標(biāo)井占多數(shù),1、2、5、23號等幾口深水井水質(zhì)相對較好。本次研究區(qū)選取的評價因子有 :總硬度、Cl-、Fe、Cu、Zn、SO2-4、NO3-、TDS 、F-、Se、Cr6+,其中有7個因子超標(biāo)的井?dāng)?shù)在50%以上,可以看出灌區(qū)大部分地區(qū)水質(zhì)較差。

3.4 涇惠渠灌區(qū)地下水質(zhì)量評價

利用以上分析得到的數(shù)據(jù)資料,在涇惠渠灌區(qū)地下水質(zhì)量評價信息系統(tǒng)下,選用合適的地下水質(zhì)量評價模型,對灌區(qū)地下水質(zhì)量進行評價。本次研究選用了F值評分法模型進行評價,評價結(jié)果錄入地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫中,并將評價結(jié)果以圖和表的形式輸出。

采用F值評分法對地下水進行評價,選取了11個評價指標(biāo) :總硬度 、Cl-、SO2-4、NO-3、TDS 、Fe、Cu、Zn、Se、Cr6+、F-等作為評價因子[5-6]。

依據(jù)我國地下水質(zhì)量現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護目標(biāo),參照GB/T 14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》將地下水質(zhì)量劃分為5類:

Ⅰ類:主要反映地下水化學(xué)組分的天然低背景濃度。適用于各種用途。

Ⅱ類:主要反映地下水化學(xué)組分的天然背景濃度。適用于各種用途。

Ⅲ類:以人體健康基準(zhǔn)值為依據(jù)。主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水。

Ⅳ類:以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)。除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外,適當(dāng)處理后可作生活飲用水。

Ⅴ類:不宜飲用,其他用水可根據(jù)使用目的選用。

表1中數(shù)值反映出研究區(qū)地下水評價結(jié)果。

表1 地下水質(zhì)量F值評分法評價結(jié)果

評價結(jié)果分析:F值評分法的評價結(jié)果中只有2號井的水質(zhì)級別為Ⅳ類,其余為Ⅴ類。由此可以看出,涇惠渠灌區(qū)地下水質(zhì)量普遍較差。

4 結(jié)論與建議

PDA與3S集成技術(shù)被引入到傳統(tǒng)的地下水水質(zhì)調(diào)查工作中,經(jīng)實際工作驗證,具有優(yōu)越性和可行性。野外調(diào)查系統(tǒng)大大節(jié)省了工作量,提高了定位精度,提高了工作效率;內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)的管理提供了很好的平臺;與地下水質(zhì)量評價模型相結(jié)合的評價系統(tǒng)能方便、快捷、高效地進行評價,提高了評價的可靠度,并且可以把評價結(jié)果用圖、表形式直觀地表達出來。

建議采用以集成多種現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐的地下水水質(zhì)調(diào)查評價模型,取代傳統(tǒng)的以手工為主的分散式的工作方法,為地下水水化學(xué)分析、地下水水質(zhì)評價、地下水承載力研究、地下水污染研究等工作提供基礎(chǔ)保障。如何把時態(tài)數(shù)據(jù)模型引入這一工作領(lǐng)域,建立時間序列數(shù)據(jù),建立基于GIS的地下水水化學(xué)組分預(yù)測和地下水水質(zhì)預(yù)測模型,是進行研究的下一個目標(biāo)。筆者相信信息技術(shù)在地下水水資源評價與保護中將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

[1]蘇耀明,蘇小四.地下水水質(zhì)評價的現(xiàn)狀與展望[J].水資源保護,2007,23(2):4-9.

[2]韓杰.土地資源調(diào)查中3S集成應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[J].測繪通報,2006(5):47-49.

[3]湯仁鋒,孟志軍.基于移動GIS的土樣采樣系統(tǒng)的研究[J].微計算機信息,2007,23(4):248-249.

[4]中國地質(zhì)調(diào)查局.西北地下水資源勘察評價空間數(shù)據(jù)庫工作指南[R].北京:中國地質(zhì)調(diào)查局,2003.

[5]馬細(xì)霞,郭慧芳,陳鑫.基于ANFIS的水質(zhì)評價模型及其應(yīng)用[J].水資源保護,2007,23(6):12-14.

[6]杜金龍,靳孟貴,羅育池,等.淺層地下水功能評價指標(biāo)體系:以河南省平原崗區(qū)為例[J].水資源保護,2007,23(6):89-92.

Survey and evaluation of groundwater quality in irrigation area supported by information technology

ZHANG Yan1,XU Bin2
(1.College of Earth Science and Resources,Chang'anUniversity,Xi'an710054,China;2.School of Environmental Science and Engineering,Chang'an University,Xi'an710054,China)

Applying the systems engineering and software engineering methods,and combining them with the intelligent terminal and 3S integration technique,a survey and evaluation model of groundwater quality was constructed after system design and system implementation.The model was applied to the investigation and evaluation of the groundwater quality in the Jinghui Canal irrigation area of Shanxi Province.Compared with traditional methods,this model has a lesser workload,higher precision,higher credibility,and better sustainability in data management.The efficiency of investigation and evaluation the groundwater quality has been enhanced.

groundwater;water quality investigation and evaluation;intelligent terminal;GIS;Jinghui Canal irrigation area

P641.74

A

1004-6933(2010)04-0030-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.009

教育部、國家外國專家局“111”項目(B08039)

張艷(1978—),女,河北滄州市,講師,博士研究生,主要從事GIS及水資源管理方面的科研與教學(xué)工作。E-mail:zyzhangy@chd.edu.cn

2009-03-17 編輯:高渭文)