池龍哲，張 濤，孫常磊，張 敏

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020;2.山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013)

1 問題的提出

地下水超采漏斗是山東省平原區(qū)較為突出的環(huán)境問題［1］。地下水超采引發(fā)許多生態(tài)環(huán)境問題，引起了地面沉降、地面裂縫、海咸水入侵、水環(huán)境污染等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境、人民生產(chǎn)生活帶來了危害。昌邑市地下水漏斗問題突出，地下水漏斗區(qū)處于壽光-昌邑大漏斗區(qū)內(nèi)［2］。該漏斗區(qū)2007年漏斗區(qū)面積達(dá)1500km2，水位負(fù)值區(qū)面積達(dá)1100km2。

目前有不少學(xué)者進(jìn)行了地下水埋深相關(guān)研究，包括建立地下水位模擬及預(yù)測模型，以及進(jìn)行地下水動力分析研究等［3-5］。本文對昌邑市地下水位進(jìn)行分析，應(yīng)用Surfer等軟件進(jìn)行地下水位埋深等值線插值及3D仿真模擬。

2 項目區(qū)基本情況

2.1 自然條件

(2)水文地質(zhì)。昌邑市位于華北臺地的東南部，著名的沂沭深大斷裂帶縱貫?zāi)媳?，對這一地區(qū)起控制作用。沂沭斷裂帶將昌邑市分為2個構(gòu)造單元，城西屬沂沭深大斷裂帶，濰坊凹陷區(qū)，城東是膠北隆起區(qū)。

該區(qū)淺層地下水類型以松散巖類孔隙水為主，含水層為第四系松散沉積物。含水層結(jié)構(gòu)因地層巖性、分布部位以及埋藏條件不同，其水文地質(zhì)特征也有一定差異。自南部山前至濰河沖積扇中部為淡水分布區(qū);往北濱海平原下部有咸水體向淡水區(qū)侵入，北部濱海平原至沿海地帶深部均為咸水，部分地段賦存鹵水。含水層巖性主要為中粗砂、礫質(zhì)粗砂、中細(xì)砂和砂壤土，滲透系數(shù)為1.3×10-4～6.6×10-2cm/s，具中等水～強透水性，場區(qū)地下水受大氣降水和河水補給，人工抽取和向下游徑流為主要排泄途徑。

2 .2 測站情況

2.2.1 測站分布

2002—2012 年昌邑市先后建有29個淺層地下水監(jiān)測站，基本覆蓋了昌邑市全境，每年具有監(jiān)測數(shù)據(jù)的測站12～19個，其中2011年有監(jiān)測數(shù)據(jù)測站16個，站點密度有待提高。2002—2012年，每年具有監(jiān)測數(shù)據(jù)的測站累積有166個，月監(jiān)測數(shù)據(jù)共有1992個。本文中的地下水位埋深均為淺層地下水埋深。其中，中部地區(qū)按主要干道并結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線劃分，面積約756km2。

經(jīng)統(tǒng)計，自2002年來，各年的測站分布情況與2012年基本一致，昌邑市地下水測站主要分布在中部片區(qū)，中部地區(qū)的測站分布基本均勻，而就全市來說，北部區(qū)域測站尚較少。2002、2012年測站分布情況見圖1。

圖1 2002、2012年測站分布情況對照圖

2.2.2 測站控制面積

采用泰森多邊形法計算各測站控制面積，2002、2012年測站控制面積見圖1。昌邑市和中部區(qū)域的測站分布參數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 2002、2012年測站控制面積比例參數(shù)統(tǒng)計表

從圖1及表1中可以看出，就全市區(qū)域來說，測站平均控制面積為105.1km2，測站密度為0.95/100km2，測站密度較小;測站控制面積最大值與最小值的平均比值為12.68，標(biāo)準(zhǔn)差、偏差系數(shù)均較大，說明測站分布不均勻。中部區(qū)域來說，測站平均控制面積為50.7km2，測站密度為1.97/100km2，測站密度相對較大;測站控制面積最大值與最小值的平均比值為4.14，標(biāo)準(zhǔn)差、偏差系數(shù)均較小，說明中部區(qū)域測站分布相對較均勻、布置較為合理。

1336 Association of apolipoprotein M gene single nucleotide polymorphism and chronic obstructive pulmonary disease

3 地下水埋深等值線插值

3.1 Surfer軟件

Surfer軟件是美國Golden Software公司編制的一款三維處理軟件。Surfer具有的強大插值功能和繪制圖件能力，使它成為用來處理XYZ數(shù)據(jù)的首選軟件，可以制作基面圖、數(shù)據(jù)點位圖、分類數(shù)據(jù)圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢圖、矢量圖以及三維表面圖等。軟件具有體積小、運行速度快、模擬效果好等特點，在降雨及地形插值方面具有廣泛的應(yīng)用前景［6］。

3.2 埋深等值線插值

采用克里金插值法［3，6］進(jìn)行地下水位埋深插值。分析昌邑市地下水位特性，應(yīng)用Surfer生成埋深等值線圖，該軟件的操作步驟為:

(1)繪制流域邊界。獲取流域邊界的相對或絕對地理坐標(biāo)，將邊界地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為Surfer格式的.bln數(shù)據(jù)文件;

(2)導(dǎo)入測站坐標(biāo)。制作符合Surfer格式要求的測站坐標(biāo)文件，將測站文件輸入到軟件，使用克里金法進(jìn)行數(shù)據(jù)插補;

(3)繪制等值線圖。使用軟件的等值線功能生成等值線圖;

(4)增加流域邊界。使用軟件的網(wǎng)格白化功能，將流域邊界導(dǎo)入到等值線圖，等值線圖具有流域邊界。

應(yīng)用SURFER軟件對昌邑市2002—2012年平均地下水位進(jìn)行埋深插值，插值方法采用軟件內(nèi)置的克里金點插值法。其中2002、2012年的埋深等值線圖見圖2。

圖2 2002、2012年全市地下水埋深等值線示意圖

3.3 插值結(jié)果分析

昌邑市地下水漏斗區(qū)主要集中在該市的中部地區(qū)，2002年漏斗區(qū)面積較小，2002—2012年地下水漏斗區(qū)面積基本呈逐年擴大趨勢，同時地下水埋深逐步加大。

對全市區(qū)域和中部區(qū)域的地下水埋深分別進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見圖3。全市區(qū)域來看，2002地下水位最高，2005—2007年地下水位較低，2008年后地下水位基本呈回升趨勢;鑒于北部區(qū)域測站較少、插值精度低，北部區(qū)域的插值結(jié)果僅作為參考。中部區(qū)域來看，2002—2012年地下水位基本呈下降趨勢，總體下降2.00m左右，其中2010年地下水位最低。

圖3 昌邑市年均埋深對照圖

為檢驗該軟件插值精度，去掉114號站數(shù)據(jù)對2002—2012年埋深進(jìn)行重新插值模擬，其中114號站 (東經(jīng)119°25'、北緯36°53')有連續(xù)實測數(shù)據(jù)，該站位于漏斗區(qū)內(nèi)。模擬結(jié)果見圖4，模擬埋深與實測埋深的平均相對誤差(絕對值)為14.75%，2002—2006年的擬合效果較好;隨著近幾年地下水埋深的加大，模擬誤差有增大的趨勢。說明該軟件插值精度受測站數(shù)據(jù)、測站分布等因素影響。一般情況下，測站密度越大，模擬精度越高;測站密度越小，模擬精度越低。

圖4 114號站實測埋深與模擬埋深對照圖

3.4 地下水埋深3D仿真

目前地形模擬、洪水仿真、流場計算等領(lǐng)域，主要應(yīng)用Arcgis、Mapgis、OpenGL等軟件進(jìn)行仿真。其中Arcgis具有較好的模擬效果，可直接計算等值線覆蓋面積等，但是該軟件體積龐大，占用大量空間，同時該軟件對計算機配置要求高，運行速度慢。因此，在滿足地下水仿真要求的前提下，可選用Surfer軟件進(jìn)行相關(guān)分析計算。應(yīng)用Surfer的3D Surface功能進(jìn)行漏斗三維圖生成。其中2002、2012年中部區(qū)域的年平均埋深3D效果圖見圖5、6。

圖5 2002年中部區(qū)域平均埋深3D圖

圖6 2012年中部區(qū)域平均埋深3D圖

對中部區(qū)域來說，2002年平均埋深為7.91m，漏斗主要分布在該區(qū)的中部片區(qū)，最大測站埋深20.73m;2012年平均埋深為9.46m，漏斗主要分布在該區(qū)的中部及西部片區(qū)，最大測站埋深23.99m。

4 結(jié)語

在既定的測站分布等條件下，應(yīng)用Surfer軟件繪制的昌邑市地下水埋深等值線圖及3D圖具有較好的可視化效果，可直觀的表述地下水位變化情況。地下水漏斗區(qū)主要集中在該市的中部地區(qū)，2002—2012年該地區(qū)的地下水位基本呈下降的趨勢，漏斗區(qū)面積逐步擴大。該軟件插值精度受測站數(shù)據(jù)、測站分布等因素影響，需進(jìn)一步深入研究插值修正方法以提高模擬精度。

［1］李瑜，郭聚江，楊淑華，等.山東省地下水超采漏斗發(fā)展演變分析 ［J］.地下水，2007，29(4):36-39.

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［3］秦俊桃，馮紹元，霍再林，等.幾種地下水位空間插值方法在干旱內(nèi)陸區(qū)的應(yīng)用比較 ［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，15(5):124-129.

［4］王春穎，尚松浩，毛曉敏，等.區(qū)域地下水位插值的整體-局部組合方法 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(8):63-68.

［5］郝治福，康紹忠.地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.水利水電科技進(jìn)展，2006，26(1):77-81.

［6］張仁凌，齊向華.使用Surfer軟件繪制雨量等值線圖［J］.水文水利自動化，2007(4):45-47.