王文勝 ， 張 峰，， 薛惠鋒， 張永恒

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072；2.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

地下水資源短缺是世界各國(guó)面臨的重大難題，水資源的動(dòng)態(tài)調(diào)控是緩解該問(wèn)題的有效途徑[1]。地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及不同學(xué)科領(lǐng)域之間的交叉和綜合集成研究。隨著榆林經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭資源不合理的開(kāi)采對(duì)地下水資源造成巨大破壞并引起地面塌陷，破壞了有機(jī)聯(lián)系的生態(tài)環(huán)境-水資源-煤炭資源系統(tǒng)，嚴(yán)重威脅著該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。但迄今為止，榆神礦區(qū)煤炭資源已轉(zhuǎn)入大規(guī)模開(kāi)采，但相關(guān)的基礎(chǔ)研究還不夠系統(tǒng)深入，缺乏對(duì)該地區(qū)地下水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型構(gòu)建和綜合調(diào)控等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究，亟待在相關(guān)的基礎(chǔ)理論方面取得突破。

有效地實(shí)現(xiàn)地下水資源的動(dòng)態(tài)調(diào)控首先要對(duì)該地區(qū)的地下水文相關(guān)數(shù)據(jù)有全面的了解。但由于地下水生態(tài)系統(tǒng)的高度復(fù)雜性、非線性和時(shí)空特異性，區(qū)內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及地下水補(bǔ)排的非線性過(guò)程、地下水資源調(diào)控的方法與理論體系、系統(tǒng)內(nèi)部作用機(jī)理及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程還未被完全知曉，使得單純用傳統(tǒng)的基于機(jī)理或假設(shè)的確定性水生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型方法受到了限制[2]。因此，迫切需要設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)控和揭示煤炭開(kāi)采條件下與區(qū)域水循環(huán)變化相聯(lián)系的地下水資源演變和動(dòng)態(tài)調(diào)控平臺(tái)，為地下水演變機(jī)理研究和地下水調(diào)控研究提供理論依據(jù)。隨著包括遙感在內(nèi)的地下水檢測(cè)數(shù)據(jù)量的快速增加，軟計(jì)算、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)已開(kāi)始被應(yīng)用到地下水生態(tài)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)值模擬研究中，以彌補(bǔ)地下水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料相對(duì)缺乏的不足。

本文提出并研究借助新一代信息技術(shù)與三維GIS相結(jié)合的水信息學(xué)的理論與方法來(lái)解決地下水動(dòng)態(tài)調(diào)控的統(tǒng)一模型構(gòu)建及水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)的問(wèn)題。水信息學(xué)方法已經(jīng)成為地下水生態(tài)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)值模擬發(fā)展的新趨勢(shì)?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展使水環(huán)境空間數(shù)據(jù)獲取范圍、數(shù)據(jù)量都在快速地增長(zhǎng)，對(duì)水環(huán)境問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和推動(dòng)相關(guān)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展提供了良好的條件。將現(xiàn)代信息技術(shù)與數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合產(chǎn)生的水信息學(xué)和水信息技術(shù)成為地下水資源動(dòng)態(tài)調(diào)控研究的有效手段。

1 地下水水文數(shù)據(jù)庫(kù)分析與設(shè)計(jì)

1.1 地下水水文數(shù)據(jù)庫(kù)類別分析

近年來(lái)，隨著水信息學(xué)技術(shù)的不斷深入和發(fā)展，尤其是GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)以圖形為基礎(chǔ)的地質(zhì)信息的深入應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3－4]?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)是空間數(shù)據(jù)的一種系統(tǒng)化集合，是空間實(shí)體以數(shù)字形式組織的數(shù)據(jù)集合。水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)按照專業(yè)應(yīng)用進(jìn)行邏輯上的分類，再按照數(shù)據(jù)類的特點(diǎn)分成不同的數(shù)據(jù)層，其信息按如下數(shù)據(jù)類劃分如表1所示[4]。

1.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)圖層分析

榆神礦區(qū)地下水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)是以圖幅為單位進(jìn)行管理。為保證在綜合應(yīng)用時(shí)，每個(gè)圖形信息及相應(yīng)屬性信息的獨(dú)立性，圖層命名按照10位分段層次碼編制，圖層名編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中20萬(wàn)分幅在百萬(wàn)圖幅內(nèi)順序碼為001－036。其中比例尺代碼引自：“國(guó)土資源信息高層分類編碼及數(shù)據(jù)文件命名規(guī)則”[4]。

對(duì)于無(wú)法處理長(zhǎng)文件名的系統(tǒng)，圖層名可按照如下簡(jiǎn)化原則處理，前3位表示百萬(wàn)分幅的編號(hào)在定義文件名時(shí)用于定義存儲(chǔ)本圖幅所有圖層文件的子目錄名稱，既用原分層名稱的地后7位作為圖形分層的存儲(chǔ)文件名稱，前3位作為當(dāng)前子目錄的名稱[4]。

圖元編號(hào)是空間數(shù)據(jù)庫(kù)連結(jié)圖形與屬性的關(guān)鍵字，在兩者中必須保持一致。圖元編號(hào)由順序碼和識(shí)別碼兩段組成，順序碼4位數(shù)字填寫；為保證多幅圖拼接后相同圖元的圖元編號(hào)不重碼，在不同圖幅的圖元順序碼前分別加識(shí)別碼，20萬(wàn)分幅在百萬(wàn)圖幅內(nèi)順序碼為01－36[4]。編碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)分類Tab.1 Classification of hydrological spatial database

圖1 地下水水文空間數(shù)據(jù)圖層名編碼結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Groundwater hydrology spatial data layer name coding structure diagram

1.3 地下水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)的表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖2 地下水水文空間數(shù)據(jù)圖元編號(hào)規(guī)則圖Fig.2 Groundwater hydrology spatial data element numbering rules diagram

地下水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)所涉及的實(shí)體模型主要有地層界線屬性表實(shí)體、地層特征屬性表實(shí)體、地下水類型屬性結(jié)構(gòu)表實(shí)體、地下水富水性屬性表實(shí)體、地下水利用規(guī)劃屬性表實(shí)體、地下水徑流模數(shù)屬性表實(shí)體、地下水水質(zhì)屬性表實(shí)體和綜合水文地質(zhì)柱狀圖屬性表實(shí)體。下面將詳細(xì)介紹這些實(shí)體模型含義。

1）原料參數(shù)表實(shí)體：代表了一個(gè)原料信息表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號(hào)、接觸關(guān)系（指新老地層單位間的接觸關(guān)系）和描述等。

2）地層特征屬性表實(shí)體：代表了一個(gè)地層特征屬性實(shí)體，主要屬性包括圖元編號(hào)、地層單位名稱、地層單位符號(hào)、巖石名稱、巖石顏色、巖石結(jié)構(gòu)、巖石構(gòu)造和地層厚度等。

3）地下水類型屬性結(jié)構(gòu)表實(shí)體：代表了一個(gè)地下水類型屬性結(jié)構(gòu)表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號(hào)、地下水類型、地下水類型名稱和含水層分組等。

4）地下水富水性屬性表實(shí)體：代表了一個(gè)地下水富水性屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號(hào)、富水等級(jí)（包括水量極豐富、水量豐富、水量中等、水量貧乏、水量極貧乏）、單位、涌水量和含水層類型等。

5）地下水徑流模數(shù)屬性表實(shí)體：代表了一個(gè)地下水徑流模數(shù)屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號(hào)、富水等級(jí)、單位、徑流模數(shù)和含水層類型等。

6）地下水水質(zhì)屬性表實(shí)體：代表了一個(gè)地下水水質(zhì)屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號(hào)、圖元名稱、地下水化學(xué)類型、超標(biāo)項(xiàng)、超標(biāo)值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。

7）綜合水文地質(zhì)柱狀圖屬性表實(shí)體：代表了一個(gè)綜合水文地質(zhì)柱狀圖屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號(hào)、地層層序、年代地層單位名稱、巖石地層單位名稱、地層厚度、巖石名稱、巖石顏色和地層巖性描述等。

8）地下水利用規(guī)劃屬性表實(shí)體：代表了一個(gè)地下水利用規(guī)劃屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號(hào)、圖元類型、圖元名稱、單位和允許開(kāi)采量等。

地下水水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)表物理表結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 綜合調(diào)控平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

要建立一個(gè)可靠的基于演化過(guò)程的調(diào)控平臺(tái)，需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)程及其與環(huán)境作用有透徹的認(rèn)識(shí)。由于地下水資源可獲取數(shù)據(jù)的數(shù)量、覆蓋范圍和復(fù)雜性都在飛快地增長(zhǎng)[5]。面對(duì)著大量的數(shù)據(jù)，需要找到有用的信息和知識(shí)，如何有效地利用和處理海量的數(shù)據(jù)成為水資源調(diào)控中的重要問(wèn)題。從信息方法的角度出發(fā)，研究水信息的輸入、存儲(chǔ)、處理、反饋和輸出成為了發(fā)展趨勢(shì)[6]，上世紀(jì)90年代初在荷蘭Abbott教授的倡導(dǎo)下水信息學(xué)（Hydroinformatics）正式形成，水信息學(xué)結(jié)合傳統(tǒng)水科學(xué)和工程學(xué)的方法，研究與水環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、處理、模擬、預(yù)測(cè)和結(jié)果顯示等問(wèn)題，來(lái)揭示復(fù)雜水環(huán)境系統(tǒng)的規(guī)律，解決水環(huán)境科技難題[7-8]。然而，隨著研究問(wèn)題的深入發(fā)展，水信息學(xué)的研究對(duì)象已不僅僅局限于水環(huán)境問(wèn)題，而是包括了所有的水科學(xué)問(wèn)題，且面向水利工程應(yīng)用，研究者從不同的角度借助水信息學(xué)理論來(lái)解決水資源調(diào)控問(wèn)題。但迄今尚未見(jiàn)對(duì)煤炭開(kāi)采區(qū)地下水系統(tǒng)精細(xì)化的動(dòng)態(tài)調(diào)控平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)研究的工作。

榆林市目前已經(jīng)建設(shè)了防汛抗旱指揮系統(tǒng)、政策法規(guī)信息管理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、山洪災(zāi)害防治、水資源管理系統(tǒng)等基礎(chǔ)性軟件平臺(tái)，但在數(shù)字水文、節(jié)水灌溉、水土保持監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)、水利工程監(jiān)控等方面還未形成統(tǒng)一的調(diào)控平臺(tái)。

圖3 地下水水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Groundwater hydrology spatial database table structure

本文提出并研究借助新一代信息技術(shù)與三維GIS相結(jié)合的水信息學(xué)的理論與方法來(lái)解決地下水動(dòng)態(tài)調(diào)控的統(tǒng)一構(gòu)建問(wèn)題。水信息學(xué)方法已經(jīng)成為地下水生態(tài)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)值模擬發(fā)展的新趨勢(shì)?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展使水環(huán)境空間數(shù)據(jù)獲取范圍、數(shù)據(jù)量都在快速地增長(zhǎng)，對(duì)水環(huán)境問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和推動(dòng)相關(guān)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展提供了良好的條件。將現(xiàn)代信息技術(shù)與數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合產(chǎn)生的水信息學(xué)和水信息技術(shù)成為水資源動(dòng)態(tài)調(diào)控研究的有效手段。

基于水信息學(xué)的地下水動(dòng)態(tài)調(diào)控平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于水信息學(xué)的地下水動(dòng)態(tài)調(diào)控平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.4 Dynamic control of groundwater platform architecture based on hydroinformatics

3 結(jié) 論

本文在水信息學(xué)技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基于水信息學(xué)的榆神礦區(qū)水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)及調(diào)控平臺(tái)，分析了地下水水文數(shù)據(jù)庫(kù)類別，構(gòu)建了地下水文空間數(shù)據(jù)庫(kù)的表結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地下水信息采集的標(biāo)準(zhǔn)化和共享化。采用新一代信息技術(shù)與三維GIS相結(jié)合的水信息學(xué)的理論與方法實(shí)現(xiàn)了地下水動(dòng)態(tài)調(diào)控的統(tǒng)一服務(wù)平臺(tái)。

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