徐 斌， 李佩成

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.長安大學(xué) 水與發(fā)展研究院， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

地下水是除冰川外地球上分布最廣泛、儲(chǔ)量最豐富的淡水資源，對(duì)于人類生存、社會(huì)發(fā)展具有重要的意義。對(duì)地下水的形成、演化及各種影響因素相互關(guān)系的研究，是科學(xué)地開發(fā)利用地下水資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展不可缺少的基礎(chǔ)性工作，也是國際上水科學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題[1-5]。目前，地下水動(dòng)力場、化學(xué)場以及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等方面的研究局限在地下水環(huán)境問題的某一方面，在綜合性的研究與探討方面則略顯不足[6-8]。因此，數(shù)值模擬、“3S”、空間分析建模等技術(shù)綜合運(yùn)用，研究自然與人類活動(dòng)共同影響下地下水環(huán)境演化的復(fù)合效應(yīng)，已經(jīng)成為了地下水環(huán)境演化研究的發(fā)展趨勢(shì)之一。

在地下水環(huán)境演化研究中，涉及到大量空間數(shù)據(jù)的分析工作，需要對(duì)各種空間分析工具按照分析過程進(jìn)行綜合以建立分析模型，從而完成地下水動(dòng)力場、地下水水化學(xué)場以及地下水環(huán)境演化效應(yīng)中各種問題的模擬與分析，GIS空間分析建模技術(shù)為地下水環(huán)境演化分析提供了新的研究方法[9-13]。

本文針對(duì)地下水環(huán)境演化問題，設(shè)計(jì)了地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)，利用GIS空間分析建模技術(shù)建立地下水環(huán)境演化分析模型，通過編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理、專題分析、可視化等系統(tǒng)功能。選取典型研究區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)典型研究區(qū)的地下水環(huán)境問題進(jìn)行分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)和空間分析模型的實(shí)效性，為研究地下水在自然和人為因素影響下的演化規(guī)律與響應(yīng)機(jī)制提供了技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)，是存儲(chǔ)、管理地下水環(huán)境相關(guān)要素?cái)?shù)據(jù)，分析處理地下水環(huán)境中地下水動(dòng)力場、地下水化學(xué)場動(dòng)態(tài)特征，評(píng)價(jià)地下水環(huán)境演化所引起的生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)的信息系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是以地下水環(huán)境演化分析理論為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水環(huán)境系統(tǒng)科學(xué)的分析為目的，通過時(shí)空數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)、空間分析建模等技術(shù)手段，構(gòu)建功能實(shí)用、性能可靠的地下水環(huán)境演化分析平臺(tái)，為及時(shí)掌握區(qū)域地下水環(huán)境的狀態(tài)、生態(tài)與環(huán)境演化效應(yīng)以及演化趨勢(shì)提供技術(shù)支持，并對(duì)區(qū)域水資源的開發(fā)利用、地下水環(huán)境保護(hù)與治理提供科學(xué)依據(jù)[14]。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)在邏輯上采用三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

數(shù)據(jù)支撐層為系統(tǒng)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。業(yè)務(wù)層是系統(tǒng)的核心，在業(yè)務(wù)層通過空間分析模型實(shí)現(xiàn)地下水環(huán)境演化分析所涉及的基礎(chǔ)分析和專題分析。集成應(yīng)用層是人機(jī)交互的關(guān)鍵，通過可視化手段以圖表、地圖、圖像形式展示地下水環(huán)境狀態(tài)和演化趨勢(shì)，并為科研人員進(jìn)行系統(tǒng)分析提供了友好的交互界面[15]。

圖1 系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)庫管理與維護(hù)功能。實(shí)現(xiàn)地下水環(huán)境的空間數(shù)據(jù)建模，建立地下水環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)庫，對(duì)區(qū)域地下水系統(tǒng)中的多源數(shù)據(jù)從時(shí)間和空間的綜合角度進(jìn)行集成管理與維護(hù)。

(2)地下水動(dòng)力場分析功能。建立地下水動(dòng)力場分析模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水動(dòng)力場演化分析。研究地下水水位時(shí)空演化特征，計(jì)算潛水儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)，確定地下水動(dòng)態(tài)類型，最終獲得綜合因素影響下由階段性動(dòng)態(tài)變化引發(fā)的地下水動(dòng)力場演化特征。

(3)地下水化學(xué)場分析功能。建立地下水化學(xué)場分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域地下水化學(xué)場各個(gè)要素的分析。包括主要成分的空間分布及變化趨勢(shì)，水化學(xué)類型分布，水化學(xué)成分的形成與轉(zhuǎn)化，分析地下水化學(xué)成分與相關(guān)因素的相互關(guān)系，明確地下水化學(xué)場演化規(guī)律等。

(4)地下水環(huán)境演化效應(yīng)分析功能。實(shí)現(xiàn)地下水環(huán)境演化效應(yīng)分析，包括地下水質(zhì)量和地下水污染等方面，分析地下水環(huán)境演化可能引發(fā)的土壤鹽漬化等生態(tài)效應(yīng)問題。

(5)可視化與輸出功能。通過GIS的可視化與輸出功能，地下水環(huán)境演化分析中的重要數(shù)據(jù)與信息可以多種方式進(jìn)行顯示輸出，在此基礎(chǔ)上通過可視化分析與綜合解釋，可以進(jìn)一步揭示地下水環(huán)境在自然因素與人為因素干擾下發(fā)生演化的規(guī)律。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)選擇ESRI的ArcGIS系列產(chǎn)品為地理信息系統(tǒng)環(huán)境，基于Geoprocessing的空間分析建模理論，以ArcGIS提供的ModelBuilder(模型生成器)與Python腳本語言為空間分析建模平臺(tái)，綜合運(yùn)用ArcToolbox的系統(tǒng)分析工具進(jìn)行腳本編程，建立地下水環(huán)境演化研究的空間分析模型。基于.Net Framework和Visual Studio 2005 開發(fā)環(huán)境，利用Visual C#編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和人機(jī)交互界面[14-15]。

3.1 實(shí)現(xiàn)過程

系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)過程包括問題求解原理研究、空間分析建模和程序代碼編寫3個(gè)部分，現(xiàn)以潛水儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)分析為例進(jìn)行說明。

3.1.1 潛水儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)分析原理 通過已知的不同時(shí)期的地下水水位監(jiān)測資料，利用GIS空間插值建立均衡期始末潛水面數(shù)字高程模型，由兩期潛水面構(gòu)造地質(zhì)單元體，運(yùn)用分布式參數(shù)來計(jì)算潛水儲(chǔ)存量變化量或相對(duì)儲(chǔ)量[14]。含水層地質(zhì)單元體的離散化如圖2所示。

圖2 含水層離散化

含水層的給水度μ離散化之后，每個(gè)單元都有與之空間位置相對(duì)應(yīng)的給水度μi，如圖3所示。

選用體積單位進(jìn)行水量計(jì)算時(shí)，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：Q為潛水儲(chǔ)存量的變化量，m3；Qi為離散化的地質(zhì)單元體i的飽和潛水儲(chǔ)存量，m3；N為離散化的地質(zhì)單元體總數(shù)。

Qi的計(jì)算公式為：

Qi=μiVi

(2)

式中：μi為地質(zhì)單元體i的給水度；Vi為地質(zhì)單元體i的體積，m3。

Vi計(jì)算公式為：

Vi=AiΔhi

(3)

式中：Ai為柵格數(shù)據(jù)格網(wǎng)單元面積，m2；Δhi為地質(zhì)單元體i的厚度，即該單元潛水位變化值，為兩期潛水面對(duì)應(yīng)單元內(nèi)水位高程差值，m。

面積Ai計(jì)算公式如下：

Ai=XY

(4)

式中：X和Y為柵格格網(wǎng)的長和寬，m。

Δhi計(jì)算公式如下：

Δhi=hiT1-hiT2

(5)

式中：hiT1為地質(zhì)單元體i在T1時(shí)期的水位高程，m；hiT2為地質(zhì)單元體i在T2時(shí)期的水位高程，m。

3.1.2 空間分析建模 在ArcGIS的Geoprocessing框架中，提供了Raster、Math等柵格計(jì)算類工具，通過ModelBuilder的圖形化建模，將輸入數(shù)據(jù)、處理工具、輸出數(shù)據(jù)按照問題的求解邏輯進(jìn)行組合，建立相應(yīng)的空間分析模型。過程如下：

(1)Δhi計(jì)算。在ModelBuilder中，將T1和T2時(shí)期的潛水面柵格數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，使用柵格減法Minus工具按照公式(5)計(jì)算Δhi，結(jié)果存儲(chǔ)于柵格數(shù)據(jù)。

(2)Ai計(jì)算。在ModelBuilder中，通過柵格查詢屬性工具獲得柵格單元的X和Y，調(diào)用Math工具集中的柵格乘法Times工具按照公式(4)計(jì)算Ai。

(3)Vi計(jì)算。在ModelBuilder中，將Δhi、Ai作為模型的輸入數(shù)據(jù)，調(diào)用Math工具集中的柵格乘法Times工具公按照公式(3)計(jì)算Vi，結(jié)果存儲(chǔ)于柵格數(shù)據(jù)。

(4)Qi計(jì)算。在ModelBuilder中，將μi、Vi作為模型的輸入數(shù)據(jù)，調(diào)用Math工具集中的柵格乘法Times工具按照公式(2)計(jì)算Qi，計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)于柵格數(shù)據(jù)中。

(5)Q計(jì)算。將Qi作為輸入數(shù)據(jù)，調(diào)用柵格統(tǒng)計(jì)分析工具，按照公式(1)計(jì)算Q，結(jié)果以表格輸出。

按照分析流程建立潛水儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)分析模型，如圖4所示。將模型命名為StorageVariation，保存在Groundwater Environmental Evolution Analyst Tools.tbx工具集文件中。

3.1.3 程序代碼編寫 在ModelBuilder生成空間分析模型后，編寫系統(tǒng)相應(yīng)功能的程序代碼，以ModelBuilder模式化對(duì)話框形式調(diào)用該模型執(zhí)行分析任務(wù)，代碼如下：

private void buttonXStorageVariation_Click(object sender, EventArgs e)

{

// 顯式調(diào)用空間分析模型，以對(duì)話框形式運(yùn)行

// 引用IGPToolCommandHelper2 接口.

IGPToolCommandHelper2 pToolHelper = new GPToolCommandHelperClass() as IGPToolCommandHelper2;

// 空間分析模型工具箱文件路徑

// Properties.Settings.Default.HydrodynamicToolbox =

// @“D:Groundwater Environmental Evolution Analyst Tools.tbx”;

string sToolboxName = Properties.Settings.Default.HydrodynamicToolbox.ToString();

// 設(shè)置工具名稱，即空間分析模型名稱

pToolHelper.SetToolByName(sToolboxName, “StorageVariation”);

// 創(chuàng)建IGPMessages對(duì)象和bool型返回參數(shù)給InvokeModal 方法.

IGPMessages ppMessages = new GPMessagesClass();

bool pOK = true;

// 調(diào)用潛水儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)分析模型

pToolHelper.InvokeModal(0, null, out pOK, out ppMessages);

}

3.2 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

3.2.1 數(shù)據(jù)庫管理 按照系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與建庫規(guī)范，對(duì)研究前期收集整理的各類資料進(jìn)行處理后建立了地下水環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)庫[11-12]，并開發(fā)了數(shù)據(jù)庫管理與維護(hù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫及其系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

3.2.2 地下水動(dòng)力場分析 通過ModelBuilder對(duì)地下水動(dòng)力場中的分析內(nèi)容進(jìn)行建模，模型以工具集形式嵌入到ArcToolbox中，既可以由環(huán)境演化分析系統(tǒng)后臺(tái)調(diào)用，也可以由支持ArcToolbox工具的ESRI系列軟件加載使用。圖6所示為系統(tǒng)開發(fā)結(jié)果，每個(gè)分析模型都對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的分析菜單或工具集按鈕，用戶在系統(tǒng)中調(diào)用模型與在ESRI調(diào)用具有相同參數(shù)設(shè)置，但界面更加友好，操作便捷。

3.2.3 地下水化學(xué)場分析 地下水化學(xué)場分析的研究內(nèi)容包括水化學(xué)成分空間分布特征、區(qū)域水化學(xué)類型、主要離子間的相互關(guān)系、地下水化學(xué)場的形成與演化控制因素問題。圖7所示為地下水化學(xué)場分析模型對(duì)應(yīng)分析系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

3.2.4 地下水環(huán)境演化效應(yīng)分析模型 在地下水環(huán)境演化引發(fā)的生態(tài)與環(huán)境負(fù)效應(yīng)問題研究中，在對(duì)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)、地下水污染以及土壤鹽漬化發(fā)生機(jī)理的理論與方法研究的基礎(chǔ)上，建立基于分布數(shù)據(jù)的地下水環(huán)境演化效應(yīng)分析模型，圖8所示為地下水環(huán)境演化效應(yīng)分析模型對(duì)應(yīng)分析系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

4 系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

為對(duì)所建空間分析模型和系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，選擇陜西省涇惠渠灌區(qū)為典型研究區(qū)，收集基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地下水環(huán)境演化數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源建立數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)其地下水動(dòng)力場、地下水化學(xué)場和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析。以地下水動(dòng)力場特征分析為例說明地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)的具體應(yīng)用過程。

4.1 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1.1 模型前處理 在系統(tǒng)運(yùn)行后，通過數(shù)據(jù)庫管理功能打開涇惠渠地下水環(huán)境時(shí)空數(shù)據(jù)庫，選擇需要用于地下水動(dòng)力場分析的具體數(shù)據(jù)，如圖9所示。

4.1.2 調(diào)用空間分析模型 切換至分析工具控制臺(tái)，選擇地下水動(dòng)力場分析工具，在地下水動(dòng)力分析工具面板中，點(diǎn)擊儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)分析模型，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用分析模型并彈出窗口，根據(jù)模型運(yùn)行需求設(shè)置參數(shù)后，運(yùn)行模型。如圖10所示。

圖4 潛水儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)分析模型

圖5 數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

圖6 地下水動(dòng)力場分析功能

圖7 地下水化學(xué)場分析功能

圖8 地下水環(huán)境演化效應(yīng)分析功能

圖9 系統(tǒng)分析應(yīng)用——模型前處理

4.1.3 模型后處理 系統(tǒng)調(diào)用空間分析模型獲得分析結(jié)果后，仍需要調(diào)用輔助分析模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出、裁剪等后處理工作，最后通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的地圖模板定制成圖，如圖11所示。

在完成一項(xiàng)分析任務(wù)后，可以根據(jù)分析需要對(duì)不同時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可以獲得地下水動(dòng)力場的演化數(shù)據(jù)。

使用相同流程，完成研究區(qū)的地下水動(dòng)力場、地下水化學(xué)場以及地下水環(huán)境演化效應(yīng)的具體分析內(nèi)容。

圖10 系統(tǒng)分析應(yīng)用——調(diào)用空間分析模型

圖11 系統(tǒng)分析應(yīng)用——模型后處理

4.2 驗(yàn)證分析

以1978、2012年潛水面數(shù)字高程模型作為輸入，以《涇惠渠灌區(qū)淺層地下水資源調(diào)查研究成果報(bào)告》(陜西省涇惠渠灌區(qū)地下水調(diào)查組，1980)給出的含水巖組給水度(μ)進(jìn)行離散化獲得的空間分布數(shù)據(jù)作為模型參數(shù)，調(diào)用潛水儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)分析模型分析計(jì)算，獲取潛水儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

分析結(jié)果顯示：研究區(qū)西南部形成了經(jīng)橋底鎮(zhèn)—燕王—三渠鎮(zhèn)—崇皇—張卜的長達(dá)45 km、平均寬度10 km的大型疏干區(qū)域，是研究區(qū)潛水儲(chǔ)量減少的主要區(qū)域(圖12)。經(jīng)模型計(jì)算，至2012年，研究區(qū)潛水儲(chǔ)存量相對(duì)減少7.10×108m3，其他學(xué)者通過手工繪制等水位線圖及三角剖分計(jì)算研究區(qū)潛水疏干量為7.17×108m3[16]，與本文所建立系統(tǒng)分析結(jié)果基本一致。

驗(yàn)證分析表明，相比傳統(tǒng)分析方法，地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)充分利用GIS海量數(shù)據(jù)管理功能與空間分析模型的先進(jìn)性，分析過程自動(dòng)化程度較高，分析結(jié)果可視化效果優(yōu)良且信息量豐富，有效地提高了地下水環(huán)境問題求解的計(jì)算效率與分析能力，具有較高的可靠性和實(shí)用性。

圖12 潛水儲(chǔ)存量動(dòng)態(tài)分析

5 結(jié) 論

(1)以系統(tǒng)論的方法對(duì)地下水環(huán)境演化分析進(jìn)行概念建模，對(duì)基于地理信息系統(tǒng)、數(shù)字高程模型、遙感、空間分析建模等綜合信息技術(shù)的地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)地下水環(huán)境演化分析的核心分析模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，明確模型運(yùn)行機(jī)制。

(2)基于GIS空間分析建模技術(shù)，利用ArcGIS ModelBuilder構(gòu)建了地下水動(dòng)力場分析模型、地下水化學(xué)場分析模型和地下水環(huán)境演化效應(yīng)分析模型，通過編程實(shí)現(xiàn)了地下水環(huán)境演化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理、專題分析和可視化等功能。

(3)以陜西涇惠渠灌區(qū)為典型研究區(qū)，進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，應(yīng)用地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了地下水環(huán)境演化分析模型的可靠性與先進(jìn)性，檢驗(yàn)了所開發(fā)的地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)的實(shí)用性及效率。

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