魏曉燕，張保祥，李旺林

(1.濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東濟(jì)南250022;2.山東省水利科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250013)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。近些年，我國(guó)在保護(hù)地表水方面做了很多工作，但對(duì)地下水的保護(hù)關(guān)注不夠，局部地區(qū)地下水超采嚴(yán)重，并導(dǎo)致地下水水位持續(xù)下降，引起地面沉降、生態(tài)退化、地下水污染等問(wèn)題［1－2］。為了防止地下水過(guò)度開(kāi)采和污染，及時(shí)掌握和了解地下水動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及趨勢(shì)，建立統(tǒng)一、完整的地下水監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。

我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了20世紀(jì)50至60年代的起步階段、70年代初至80年代的快速發(fā)展階段、90年代的積極探索階段及進(jìn)入21世紀(jì)的穩(wěn)步提高階段［3］，積累至今已獲得大量的水物理及水化學(xué)基礎(chǔ)資料。地下水監(jiān)測(cè)只是了解掌握地下水動(dòng)態(tài)的第一步，面對(duì)豐富的地下水?dāng)?shù)據(jù)，地下水信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［4－5］是必不可少的。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，地下水信息管理系統(tǒng)主要經(jīng)歷了文件管理階段(19世紀(jì)60年代之前)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理階段(19世紀(jì)60年代末期至21世紀(jì))以及21世紀(jì)的網(wǎng)絡(luò)管理階段。為了使信息管理技術(shù)取得長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外一些水文機(jī)構(gòu)改進(jìn)了以往基于GIS的地下水信息管理系統(tǒng)方法。山西?。?］(2010年)、山東省(2012年)等地將德國(guó)GW－Base地下水信息管理系統(tǒng)軟件運(yùn)用在當(dāng)?shù)氐叵滤當(dāng)?shù)據(jù)管理中。借助該軟件及地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠提高區(qū)域地下水信息采集、傳輸?shù)臅r(shí)效性和自動(dòng)化水平［7］，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與信息管理一體化。

1 GW－Base簡(jiǎn)介

1.1 GW－Base的開(kāi)發(fā)歷史

GW－Base地下水管理系統(tǒng)軟件是德國(guó)Ribeka公司研制出的一個(gè)專門設(shè)計(jì)用來(lái)幫助監(jiān)測(cè)人員管理分析地下水?dāng)?shù)據(jù)的工具，該軟件能夠完成地下水?dāng)?shù)據(jù)的收集、傳輸、整理、入庫(kù)、查詢、提取以及通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)的水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和分析的有效結(jié)合。Ribeka公司自1995年成立以來(lái)主要開(kāi)發(fā)研制地表水和地下水管理軟件，2007年GW－Base 7.0引進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)，2011年已將GW－Base軟件升級(jí)至GW－Base 8.0版本，該版本有英文、德文、中文三種界面，并且包含了多個(gè)擴(kuò)展模塊，使地下水資料的分析展示更加靈活化、多樣化。

1.2 GW －Base的特點(diǎn)

基于MIS(管理信息系統(tǒng))+GIS的地下水管理系統(tǒng)只是做到對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的匯總、統(tǒng)計(jì)和呈現(xiàn)，并不能對(duì)數(shù)據(jù)中的有效信息進(jìn)行充分的挖掘和利用。GW－Base軟件在形式上也采用了MIS+GIS的結(jié)構(gòu)，但是經(jīng)多年研究形成了處理地下水?dāng)?shù)據(jù)的一系列數(shù)學(xué)模型，借助這些數(shù)學(xué)模型，所獲得的地下水的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)才能發(fā)揮其最大價(jià)值。另外，GW－Base軟件不僅可以管理地下水水物理和水化學(xué)信息，同時(shí)還可以管理研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)信息以及監(jiān)測(cè)井信息等，提供了地下水資源管理的新形式，提高了水資源信息管理的完整性。

2 GW－Base在地下水?dāng)?shù)據(jù)管理中的應(yīng)用

GW－Base具有專業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)模型，可以安全、有效地監(jiān)控地下水;GW－Base具有清晰的結(jié)構(gòu)布局，監(jiān)測(cè)人員能夠較快的掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行分析。本文以肥城盆地地下水?dāng)?shù)據(jù)管理為例，詳細(xì)介紹GW－Base軟件的功能、用途和實(shí)際應(yīng)用等。

肥城盆地位于魯中南山區(qū)、泰山西麓，是獨(dú)立地質(zhì)構(gòu)造單元，具有獨(dú)立的補(bǔ)給與排泄系統(tǒng)。目前，深層地下水已成為肥城盆地范圍內(nèi)最主要的供水水源，為了及時(shí)掌握和了解該區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及趨勢(shì)，建立統(tǒng)一、完整的地下水管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。

2.1 數(shù)據(jù)管理

(1)數(shù)據(jù)管理

GW－Base軟件能夠管理的數(shù)據(jù)包括:水位數(shù)據(jù)、地形及地質(zhì)數(shù)據(jù)、取樣和分析數(shù)據(jù)、地圖和文件等，每一項(xiàng)又包括多個(gè)子項(xiàng)目，詳見(jiàn)表1。還可以按需求查看、刪減數(shù)據(jù)。

表1 GW－Base軟件管理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

(2)數(shù)據(jù)輸入

將匯總得到的肥城盆地地下水水位數(shù)據(jù)、地形及地質(zhì)數(shù)據(jù)、取樣和分析數(shù)據(jù)等制成Excel、TXT或ASCII文件(csv文件)，導(dǎo)入GW－Base軟件，也可以手動(dòng)輸入。

(3)數(shù)據(jù)查詢

通過(guò)GW－Base軟件提供的復(fù)雜數(shù)據(jù)的查詢功能，可以查詢地下水水位、埋深、取樣和分析結(jié)果等。另外，方便監(jiān)測(cè)人員查詢到地下水水位低于某一定數(shù)的值，或某一時(shí)刻所有的監(jiān)測(cè)值，或利用閾值工具進(jìn)行在單一參數(shù)以及組合參數(shù)之間查詢，例如，查詢肥城盆地所有采集到的樣品中的硝酸鹽濃度在5.0 mg/L之下并且硫酸鹽濃度在150 mg/L之下時(shí)監(jiān)測(cè)井編號(hào)及監(jiān)測(cè)時(shí)間。除此之外，所有查詢結(jié)果能夠以Excel文件或報(bào)告形式輸出。

(4)數(shù)據(jù)輸出與報(bào)告生成

GW－Base軟件具有輸出功能，以Excel文件形式輸出之前輸入的水位及取樣分析等數(shù)據(jù)，或者直接輸出到GW－web中，也可以輸出GW－Bas軟件識(shí)別的mdb格式文件。另外，為了方便定期提交報(bào)告，可以創(chuàng)建、修改和管理GW－Base報(bào)告模板，完成報(bào)告并打印輸出。

2.2 采樣管理

通過(guò)使用取樣日歷，可以對(duì)未來(lái)肥城盆地地下水采樣的任務(wù)和日期有著明確規(guī)劃，簡(jiǎn)化了大量數(shù)據(jù)分析、取樣、實(shí)驗(yàn)、研究項(xiàng)目及日期的管理的工作，用Excel表格將需要分析的數(shù)據(jù)發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室返回的數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入到GW－Base數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3 GW－Base生成圖像解釋

GW－Base可以提供多種圖形評(píng)估和展示地下水?dāng)?shù)據(jù)的工具，這些工具可以根據(jù)客戶需要對(duì)圖層進(jìn)行定制，并自動(dòng)生成時(shí)間序列圖、等值線圖、柱形圖、餅狀圖、堆疊圖、水化學(xué)圖、水文地質(zhì)剖面圖等。監(jiān)測(cè)人員可以直接將結(jié)果以圖形(BMP、EMF、WMF)或者PDF文件的形式輸出，并增加成圖相關(guān)信息如編號(hào)、制圖、標(biāo)題等。

(1)時(shí)間序列圖

利用GW－Base系統(tǒng)軟件可以繪制肥城盆地地下水水位及各水化學(xué)某元素濃度的時(shí)間序列圖表，并且自動(dòng)計(jì)算和匯總參數(shù)并設(shè)定監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值。如圖1所示，即表示肥城盆地內(nèi)省級(jí)監(jiān)測(cè)井S－33A從1980年到2012年的地下水埋深變化情況。

圖1 時(shí)間序列圖

(2)等值線圖

GW－Base系統(tǒng)也可以根據(jù)水位、埋深、降雨、水溫和各種水化學(xué)指標(biāo)等創(chuàng)建肥城盆地

地下水等值線圖，可選擇的插值方法有克里格插值法、反距離加權(quán)插值法和線性插值法。能夠直接生成被ArcGIS等軟件識(shí)別的SHAPE格式圖元件，便于后期的圖形處理加工。圖2表示1995年3月1號(hào)選用克里格插值法做出的肥城盆地地下水位等值線圖。

(3)柱形圖、餅狀圖

GW－Base系統(tǒng)可以提取肥城盆地內(nèi)某一時(shí)刻的地下水中某一元素或某些元素的濃度，用柱形圖或餅狀圖表示。圖3(a)、(b)分別用柱形圖、餅狀圖表示2011年10月1號(hào)肥城盆地內(nèi)7個(gè)省級(jí)監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)得到的地下水中鈣(Ca)、氯(Cl)及硫酸鹽(SO4)濃度。

圖2 地下水位等值線圖

圖3 (a) 地下水水質(zhì)柱形圖

圖3 (b) 地下水水質(zhì)餅狀圖

(4)堆疊圖

堆疊圖是時(shí)間序列圖與柱形圖合并后的復(fù)合圖，表示某一眼井在某個(gè)時(shí)段內(nèi)某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)化學(xué)元素的濃度變化。圖4表示從1999年9月1號(hào)至2011年10月1號(hào)省級(jí)監(jiān)測(cè)井S－33A地下水中鈣、氯及硫酸鹽的濃度變化情況。圖中堆疊圖每一元素的高度代表該元素在這一時(shí)刻的濃度，堆疊圖的總高度是各元素濃度的總和，從圖中可以看出某一時(shí)刻樣品中鈣、氯及硫酸鹽的濃度總和與各自濃度，以及從1999年至2011年每一元素的濃度變化情況。

(5)水化學(xué)圖

GW－Base也有類似于AquaChem軟件的功能，可以利用Piper三線圖判斷地下水水質(zhì)變化，圖中可以表示地下水中陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)與陰離子(Cl－、HCO3－、SO42－、NO3－)的百分比含量。圖5表示肥城盆地2011年10月1號(hào)省級(jí)監(jiān)測(cè)井S－33A、S－61A和S－110A監(jiān)測(cè)所得的水化學(xué)圖。

(6)水文地質(zhì)剖面圖

水文地質(zhì)剖面圖是反映某一地段在一定垂直深度內(nèi)水文地質(zhì)條件的圖件。它主要反映含水層的埋藏與分布，地下水位及地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄情況，地下水化學(xué)類型及其垂向變化等。GW－Base軟件可以根據(jù)已錄入擴(kuò)展模塊GW－Bore數(shù)據(jù)庫(kù)中的地質(zhì)信息，自定義連接監(jiān)測(cè)井的剖面線，自動(dòng)繪制水文地質(zhì)剖面圖。

圖4 地下水水質(zhì)堆疊圖

圖5 地下水水化學(xué)圖

4 GW－Base擴(kuò)展模塊

GW－Base有多個(gè)擴(kuò)展模塊，其主要功能與用途詳見(jiàn)表2。借助這些擴(kuò)展模塊，能夠使得研究區(qū)地下水資料的分析展示更加靈活化、形象化。以GW－Bore模塊在肥城盆地中的應(yīng)用，介紹該軟件的主要功能。

表2 GW－Base地下水管理系統(tǒng)擴(kuò)展模塊一覽表

借助GW－Bore模塊將肥城盆地內(nèi)收集到的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，用來(lái)管理盆地內(nèi)的鉆孔和成井?dāng)?shù)據(jù)。肥城盆地內(nèi)收集到的69個(gè)生產(chǎn)井柱狀圖可以存儲(chǔ)在GWBore建立的一個(gè)項(xiàng)目中，由生產(chǎn)井的點(diǎn)坐標(biāo)確定各個(gè)生產(chǎn)井的位置分布并繪制肥城盆地剖面圖及生產(chǎn)井柱狀圖。繪制的生產(chǎn)井柱狀圖如圖6所示，圖中顯示生產(chǎn)井P－62A所在區(qū)域的水文地質(zhì)信息(水井地質(zhì)剖面、地質(zhì)年代、靜水位、含水層位置及取樣點(diǎn)位置等)及鉆孔信息(鉆孔深度、開(kāi)孔及終孔直徑、井壁管直徑、套管位置、回填情況等)。

圖6 GW－Bore鉆孔柱狀圖示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

肥城盆地地下水監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)是建立在地下水信息數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)之上的，利用GW－Base地下水管理系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)地下水信息的存儲(chǔ)、管理、查詢、分析和輸出等。GW－Base地下水管理系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，可以同時(shí)管理地下水水物理、水化學(xué)信息、地形地質(zhì)信息以及監(jiān)測(cè)井信息等，能夠提高水利部門的工作效率和水資源信息管理的完整性。GW－Base可以輸出多種格式的文件，與ArcGIS、Arcmap等軟件相結(jié)合，更加靈活地分析展示地下水信息。

GW－Base所具有的諸多功能和特點(diǎn)，決定了該軟件能夠廣泛應(yīng)用于水利部門、環(huán)保部門、自來(lái)水公司、垃圾填埋場(chǎng)等與地下水相關(guān)機(jī)構(gòu)的地下水?dāng)?shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、分析和管理。結(jié)合ArcGIS軟件使系統(tǒng)搭建覆蓋整個(gè)研究區(qū)域的水務(wù)一體化管理信息系統(tǒng)平臺(tái)，為動(dòng)態(tài)及時(shí)掌握區(qū)域水資源及其開(kāi)發(fā)利用總體狀況提供了準(zhǔn)確的依據(jù)，為實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度提供了技術(shù)保障。

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