，保祥，吉圣，

(1.濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；3.山東省肥城市水資源辦公室，山東 肥城 271600)

水資源短缺和環(huán)境污染問題受到全社會(huì)的高度關(guān)注，而地下水對于經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要性也日益凸顯。在以往的水資源管理階段，往往只關(guān)注“看得見”的地表水，卻常常忽視“看不見”的地下水給人們帶來的災(zāi)難。局部地區(qū)地下水超采嚴(yán)重，引起地面沉降、地面塌陷和地裂縫；地下水位持續(xù)下降導(dǎo)致海(咸)水入侵、濕地退化、水生生物消亡以及地下水污染等問題[1-2]。為了更好的保護(hù)和利用地下水，監(jiān)管地下水動(dòng)態(tài)變化過程，進(jìn)一步作出地下水資源評價(jià)，采用專門的地下水管理軟件對地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行管理是十分必要的。

地下水監(jiān)測經(jīng)常伴隨著大量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，由于各種客觀原因的限制，采集取樣時(shí)各種原始記錄不同、數(shù)據(jù)來源方式的不同，各單位的數(shù)據(jù)保管方式不同，電子資料和紙質(zhì)資料并存，各種類型以及不同年份的資料混雜，這無形之中對后期數(shù)據(jù)的整理及處理帶來諸多麻煩，將耗費(fèi)大量的人力時(shí)間。

20世紀(jì)60年代之前，主要是單純的紙質(zhì)文件管理；20世紀(jì)60年代末期至21世紀(jì)初期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主要使用電子數(shù)據(jù)文件管理；21世紀(jì)至今，主要是數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)云管理階段[3]。從20世紀(jì)50年代，我國開始進(jìn)行地下水監(jiān)測，至今地下水監(jiān)測工作進(jìn)入穩(wěn)步提高階段，監(jiān)測站網(wǎng)密度穩(wěn)步提高，基于信息化開發(fā)了地下水監(jiān)測信息服務(wù)系統(tǒng)[4]。傳統(tǒng)的地下水信息管理方式僅僅是將紙質(zhì)的信息記錄轉(zhuǎn)變成為電子文件存放，并沒有伴隨著先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步而應(yīng)用到實(shí)際工作中去。國外對于生態(tài)環(huán)境的重視以及版權(quán)意識往往也催生出更加方便、高效、快捷的軟件及應(yīng)用，大大節(jié)省了人力，對地下水信息科學(xué)管理起到了促進(jìn)作用[5]。曹小虎基于德國RIbeka公司的GW-Base軟件，結(jié)合GIS，二次開發(fā)出山西省地下水信息管理系統(tǒng)[6]，Jo o Paulo Lobo-Ferreira通過HGA構(gòu)建了葡萄牙Torres Vedras地區(qū)的主要水文地質(zhì)剖面圖，確立了三個(gè)主要含水層[7]；孫佳瑋等利用HGA構(gòu)建了大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)氐叵滤芾硖峁?shù)據(jù)和技術(shù)支持[8]。

過去的地下水管理方式僅僅是水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的簡單收集、整理、編輯等基礎(chǔ)的操作。簡單的人工操作并不能清晰、直觀的展示地下水?dāng)?shù)據(jù)的狀態(tài)及其特性，計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展以及各種軟件的開發(fā)，為方便、高效地對地下水管理提供了可能。本次研究利用HGA對肥城市地下水各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分類，形成一個(gè)完整的肥城市地下水信息管理系統(tǒng)，為今后肥城市地下水資源管理提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 HGA概況

水文地質(zhì)分析軟件Hydro Geoanalyst(簡稱HGA)，是加拿大斯倫貝榭水務(wù)公司(Schlumberger Water Services)公司開發(fā)的一款專門用于地下水?dāng)?shù)據(jù)管理及三維可視化的軟件。HGA作為一個(gè)專業(yè)的地下水信息管理軟件，有關(guān)地下水的信息都能錄入，也可根據(jù)實(shí)際情況人為增減基本的數(shù)據(jù)項(xiàng)，基于MS-SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，快捷編譯檢索，并且可利用地質(zhì)信息進(jìn)行三維可視化，為相關(guān)工作人員提供更方便的視角去了解研究區(qū)[9]。其專業(yè)性的功能可以適用于現(xiàn)場技術(shù)人員、數(shù)據(jù)管理人員、地質(zhì)學(xué)家、水文地質(zhì)學(xué)家、地質(zhì)化學(xué)家、地下水建模者以及政府報(bào)告等，具有相對較大的受用面。自2008年發(fā)布以來已升級到2016.1版本，目前北水國際公司已將HGA引入中國，提供軟件購買及相應(yīng)的培訓(xùn)服務(wù)。

1.1 HGA的特點(diǎn)及主要模塊構(gòu)成

在我國現(xiàn)行的地下水信息管理工作中，往往測得的數(shù)據(jù)收集整理之后只是簡單地制表分類存儲(chǔ)在硬盤里，某種程度上方便了查閱，但與過去文件式的管理無差別。基于Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)，結(jié)合GIS，HGA經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，功能不斷強(qiáng)大，界面更加美觀，性能持續(xù)優(yōu)化，已日臻成熟，不僅能提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而且能根據(jù)所填充的數(shù)據(jù)提供相應(yīng)的模塊并有針對性的生成各類圖表，將文字、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖表數(shù)據(jù)，深度挖掘了數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系及所包含的信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化。

根據(jù)功能不同，HGA的模塊大致可以分為三類：

(1)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊：站點(diǎn)(Station Group)、查詢(Queries)；(2)數(shù)據(jù)可視化模塊：時(shí)間序列圖(Time Series Plots)、鉆孔文件(Well Profile)、地圖工程(Map Project)、剖面圖(Cross-Section)、場景圖(Scenes)、報(bào)告編輯器(Report Editor Reports)、文檔報(bào)告(Office Report)；⑶輔助模塊：模板編輯器(Template manager)：用來定義數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)所獲取的研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整；快速檢查(quick checker)：對被導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的驗(yàn)證，不符合要求的數(shù)據(jù)給出紅色嘆號的警告；巖性規(guī)范(material specification)：提供了多種巖性的示例，并可自主創(chuàng)建編輯新的巖性示例；備忘錄(Event Planning)：用來記錄各種事件或制定計(jì)劃；導(dǎo)入數(shù)據(jù)模板設(shè)計(jì)器(EDD Template Designer)：設(shè)計(jì)快速導(dǎo)入模板；三維插值(3D Interpolation)：可進(jìn)行三維羽狀物的定義及生成。

1.2 HGA與其他軟件的交互性

Schlumberger作為專門從事與地下水資源和環(huán)境有關(guān)的計(jì)算軟件與硬件開發(fā)和技術(shù)咨詢工作的國際化公司，研發(fā)了包含地下水流及溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件Visual ModFlow、抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)解譯軟件AquiferTest、地下水水化學(xué)分析軟件AquaChem在內(nèi)的幾十款水文地質(zhì)專業(yè)軟件及多種地下水自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備。借助于WHS(Waterloo Hydrogeologic Software)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這些軟件之間可以靈活地互相轉(zhuǎn)換利用數(shù)據(jù)，具有良好的交互性，來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、分析以及可視化。

HGA可以利用各種不同的數(shù)據(jù)形式，通用性及兼容性都較好。某些軟件可用的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單調(diào)整即可方便快捷導(dǎo)入HGA里使用；HGA通過對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后也可供其他軟件使用。例如，AquaChem可利用HGA中的水化學(xué)信息和水質(zhì)信息來進(jìn)行繪圖、統(tǒng)計(jì)計(jì)算及分析；HGA中井及水位信息的界面內(nèi)直接調(diào)用Aquifer Test，將此分組的數(shù)據(jù)資料在Aquifer Test中打開進(jìn)行含水層的分析，分析后計(jì)算得出的導(dǎo)水系數(shù)、釋水系數(shù)也可保存在HGA的數(shù)據(jù)庫中；一些關(guān)鍵性的參數(shù)數(shù)據(jù)可以從HGA中導(dǎo)出，運(yùn)用在Visual MODFLOW中，HGA中生成的橫截面數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入用于模型網(wǎng)格的創(chuàng)建等。HGA在地圖工程中，可導(dǎo)入由ArcGIS生成的shape文件來進(jìn)行地圖編輯，同時(shí)通過作圖生成的文件也可導(dǎo)入ArcGIS中進(jìn)行編輯。

HGA工作流程見圖1。

圖1 HGA工作流程

2 HGA數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、導(dǎo)入及分類

HGA支持多種管理項(xiàng)的數(shù)據(jù)輸入，并提供可擴(kuò)展性，同時(shí)支持多種文件類型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，例如excel表格、圖片、zip_hga壓縮文件、LAS文件及Diver自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備所產(chǎn)生的文件。

2.1 數(shù)據(jù)輸入

2.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在基于HGA創(chuàng)建的肥城市地下水信息管理系統(tǒng)中，所有的地下水?dāng)?shù)據(jù)都依托于二維地理坐標(biāo)點(diǎn)存儲(chǔ)，每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)目錄下都包含有9大類數(shù)據(jù)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)可根據(jù)研究區(qū)實(shí)際所取得的資料有選擇性的進(jìn)行導(dǎo)入。另外，軟件本身也提供了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的修改及可定制，利用模板編輯器即可編輯數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)。表1為該系統(tǒng)默認(rèn)支持導(dǎo)入的數(shù)據(jù)類型。

除了以上列舉的管理數(shù)據(jù)項(xiàng)之外，也可根據(jù)實(shí)際需要添加或刪除數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來自定義數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模板，滿足實(shí)際工作需要。

2.1.2 導(dǎo)入方法

HGA共有三種導(dǎo)入數(shù)據(jù)的方法：(1)通過站點(diǎn)數(shù)據(jù)列表單個(gè)逐項(xiàng)地完成所有數(shù)據(jù)的輸入；(2)借助于先進(jìn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Data Transfer System)，將數(shù)據(jù)分類，按照格式要求整理好數(shù)據(jù)，選擇導(dǎo)入的數(shù)據(jù)應(yīng)該存儲(chǔ)在的位置，匹配各項(xiàng)信息，即可完成導(dǎo)入。另外，可根據(jù)用戶自己的需要，可以創(chuàng)建信的數(shù)據(jù)庫模板或者是在現(xiàn)有的模板之上改進(jìn)或完善，以滿足實(shí)際工作需求。(3)傳統(tǒng)的導(dǎo)入方法，使得每一類數(shù)據(jù)都需要有單獨(dú)的文件導(dǎo)入，若數(shù)據(jù)種類較多，導(dǎo)入過程需重復(fù)多次，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。也可運(yùn)用EDD Template Designer工具，高速、有效地導(dǎo)入研究區(qū)的數(shù)據(jù)。首先根據(jù)研究區(qū)實(shí)際取得資料生成本次工作的數(shù)據(jù)模板，將各類數(shù)據(jù)寫入模板，利用Quick Checker驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否有效，生成壓縮文件，整體導(dǎo)入HGA中[10]。這樣僅需要一次即可把所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫，也不需要再進(jìn)行數(shù)據(jù)的匹配與位置的選擇等步驟，簡化了數(shù)據(jù)導(dǎo)入繁瑣的過程，提高了工作效率。

表1 地下水信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所支持?jǐn)?shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)分類

完成導(dǎo)入數(shù)據(jù)之后，在站點(diǎn)列表(Station Group)里，所有點(diǎn)及數(shù)據(jù)就保存在這個(gè)模塊也就是該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，這是所有工作完成的基礎(chǔ)，在此之后就需要有目的的將數(shù)據(jù)篩選分類并保存結(jié)果，在后續(xù)的數(shù)據(jù)可視化中會(huì)用到。

這種分類查詢是通過Queries模塊來實(shí)現(xiàn)的。通過Microsoft SQL Server專業(yè)數(shù)據(jù)庫語句，結(jié)合邏輯表達(dá)式和運(yùn)算符，進(jìn)行限定條件來篩選出符合條件的站點(diǎn)并自動(dòng)成為一組目錄生成在檢索菜單下，這樣就可以對數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和快速檢索。需要查閱時(shí)僅需點(diǎn)擊該條目錄，即可顯示出限制符合條件的站點(diǎn)及相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 HGA在肥城市地下水信息管理中的應(yīng)用

肥城市隸屬山東省泰安市，地處山東中部、泰山西麓，全境南北縱距最長48.0 km，東西橫距最寬37.5 km，總面積1277.3 km2。地形基本趨勢是東高西低、北高南低，由東北向西南傾斜，中部隆起。北部形成以肥城盆地為特征的康匯平原，南部形成以大汶口盆地為特征的汶陽平原。肥城市屬華北型沉降構(gòu)造，區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖基底上沉積了淺海相、海陸交互及陸相地層，有前震旦系泰山群、寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系、第四系等。境內(nèi)主要有第四系孔隙水含水巖組、石炭系灰?guī)r及巖溶裂隙水含水巖組、寒武系和奧陶系巖溶裂隙水含水巖組、前震旦系泰山群花崗片麻巖裂隙水含水巖組。

本次研究中，Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)，通過GIS依托于二維地理坐標(biāo)點(diǎn)將相應(yīng)的地下水?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，該研究主要收集整理了肥城市地下水位、地下水質(zhì)、鉆孔柱狀圖等資料。其中水位資料均以埋深表達(dá)，水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告主要檢測項(xiàng)包括pH、TDS、電導(dǎo)率、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-、NO3-、NO2-、NH4+高錳酸鹽指數(shù)、總硬度等。

在HGA中，不同的模塊提供了不同的圖件評估和展示地下水?dāng)?shù)據(jù)的工具，這些工具可以根據(jù)用戶需要對所生成圖表進(jìn)行編輯，并簡便地生成時(shí)間序列圖、鉆孔柱狀圖、地貌圖、水文地質(zhì)剖面圖、等值線圖以及三維污染羽等。在任一模塊中，均包含有導(dǎo)出項(xiàng)，可以將所得到的圖件以圖片(jpg或bmp)、表格或演示文稿等形式導(dǎo)出，并在系統(tǒng)內(nèi)部集成了多種報(bào)告模板，使用時(shí)僅需選定模板，即可輸出為相應(yīng)的格式。同時(shí)，允許用戶自定義模板，生成自定制報(bào)告界面。

3.1 時(shí)間序列圖

利用HGA軟件可以繪制肥城市地下水水位及各水化學(xué)某離子濃度的時(shí)間序列圖表。如圖2所示，即表示肥城市某省級監(jiān)測井從1980-2012年的地下水埋深變化情況。

圖2 肥城市某省級監(jiān)測井地下水位埋深時(shí)間序列圖

3.2 鉆孔柱狀圖及水文地質(zhì)剖面圖

根據(jù)導(dǎo)入的鉆孔土壤取樣數(shù)據(jù)和井壁管長度及直徑生成鉆孔柱狀圖，如圖3所示為肥城市某公司水源井柱狀圖，刻度表示以井口為0，重力方向?yàn)檎?。在查詢里篩選出所有鉆孔資料，在地圖管理其中將鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入地圖，定義水文地質(zhì)剖面線。在此剖面線上的多個(gè)鉆孔柱狀圖組合即可生成水文地質(zhì)剖面圖(圖4)，此水文地質(zhì)剖面包括了不同深度7個(gè)鉆孔信息。以每個(gè)剖面圖相同的鉆孔作為連接點(diǎn)，就像拼圖一樣，多條水文地質(zhì)剖面圖組合，可以得到水文地質(zhì)剖面三維視圖(圖5)，并可在其中加入鉆孔、地圖、污染羽等數(shù)據(jù)。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、排泄情況及其垂向變化等[11]。

圖3 典型鉆孔剖面圖

圖4 水文地質(zhì)剖面圖

圖5 水文地質(zhì)三維剖面圖

3.3 等值線圖

HGA可根據(jù)地表高程、水位、埋深和各種離子濃度等指標(biāo)創(chuàng)建各類等值線圖，可選擇的插值方法有反距離加權(quán)插值法、自然臨界法和克里金插值法。能夠直接生成被ArcGIS軟件識別的Shape格式圖文件，便于后期的圖形處理加工。

4 結(jié)語

HGA由于其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多樣化和多模塊化的設(shè)計(jì)，可以滿足地下水資源管理、礦產(chǎn)行業(yè)、環(huán)境地質(zhì)、地下水建模以及氣象研究等行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的使用需求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。

基于HGA地下水資源數(shù)據(jù)管理軟件，整合了肥城市地下水相關(guān)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了肥城市地下水?dāng)?shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)地下水?dāng)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、維護(hù)、查詢、分析以及可視化等功能，功能全面，集成度高，為未來的更高密度的地下水監(jiān)測工作提供了支撐平臺。解決了以往工作時(shí)數(shù)據(jù)存放雜亂、獲取困難、管理不規(guī)范和利用效率低等問題，對水資源信息管理時(shí)的不足之處提出了解決方法，可以有效的提高相關(guān)從業(yè)人員在地下水管理過程中的工作效率，簡化了工作流程。

在該系統(tǒng)中，能夠根據(jù)所導(dǎo)入數(shù)據(jù)，結(jié)合MS-SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提供了多種圖表的繪制和數(shù)據(jù)展示的工具。能夠方便、快捷地生成地下水水位及水質(zhì)的時(shí)間序列圖、等值線圖，展示了其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和空間分布特征；也可快速、精確地生成鉆孔剖面圖，尤其是生成水文地質(zhì)剖面圖及其三維視圖更為方便，為從業(yè)人員了解研究區(qū)水文地質(zhì)條件、補(bǔ)給徑流條件提供了更準(zhǔn)確的視角。該系統(tǒng)的構(gòu)建以及應(yīng)用，能為地下水資源評價(jià)、科學(xué)管理及環(huán)境地質(zhì)問題的研究和污染防治提供科學(xué)依據(jù)，并最終為實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理提供信息平臺和技術(shù)支撐。

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