李璇　馬衛(wèi)星　潘梅

摘 ?要：以西安某大型水庫為例，介紹了水質(zhì)數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理過程及如何利用Surfer軟件繪制湖泊水庫垂向水質(zhì)變化三維等值線圖的方法。結(jié)果表明，以相對高程為基準(zhǔn)對無效插值數(shù)據(jù)空白化處理能很好反映實(shí)際水位及水質(zhì)變化，得到的三維等值線圖既簡單又直觀的反映了實(shí)際水體水位、水質(zhì)變化問題，結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，為科技論文的撰寫投稿、湖泊水庫的運(yùn)行、管理與決策提供依據(jù)和支撐。

關(guān)鍵詞：垂向水質(zhì)變化;三維等值線圖;數(shù)據(jù)處理;圖形繪制

中圖分類號：TV145.2 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）31-0011-05

Abstract： Taking a reservoir in Xi'an for example， this paper introduces standardized treatment processes of water quality data and how to use Surfer software to draw three-dimensional contour map of vertical water quality change in lakes and reservoirs. The results show that relative elevation selected as the benchmark for blanking invalid data area can reflect the actual water level and water quality， and the three-dimensional contour map is simple and can directly reflect the actual water leve land water quality change， with accurate results， which can provide a scientific and theoretical basis for thesis writing and submission， as well as the operation， management and decision of lakes and reservoirs.

Keywords： vertical water quality; three-dimensional contour map; data processing; graph drawing

目前湖泊水庫已成為大部分城市的主要供水水源，其對水質(zhì)要求比較高。由于湖泊水庫的自身特點(diǎn)，其水質(zhì)也在不斷的變化，直觀地掌握和了解湖泊水庫的水質(zhì)變化，對于保障安全供水具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前湖泊水庫所面臨的水質(zhì)問題具體可概括為：

（1）水體分層阻礙溶解氧傳質(zhì)、造成底部缺氧：由于湖泊水庫水深較大，熱量傳遞困難，形成水體的溫度分層，阻礙了垂向溶解氧的傳質(zhì)，在底層水體和沉積物的雙重耗氧作用下，造成底部水層呈現(xiàn)厭氧和無氧狀態(tài)[1-2]。

（2）厭氧環(huán)境導(dǎo)致沉積物中污染物釋放：厭氧或無氧條件下將導(dǎo)致湖泊水庫底泥沉積物中的氮、磷、鐵、錳等污染物的釋放，有機(jī)物發(fā)生厭氧分解導(dǎo)致色度升高、嗅味異常，底層水質(zhì)惡化[3-4]。

（3）自然混合導(dǎo)致水質(zhì)呈周期性污染：分層型湖泊水庫隨氣溫變化，每年會發(fā)生一次或兩次（北方冰封型）的自然翻轉(zhuǎn)混合，水體周期性自然翻轉(zhuǎn)混合時(shí)會將厭氧狀態(tài)下釋放于底層水體的大量污染物與上層水體產(chǎn)生混合，導(dǎo)致湖泊水庫水質(zhì)的周期性污染[5]。

（4）流動性差及營養(yǎng)鹽的內(nèi)源/外源補(bǔ)給引發(fā)藻類大量繁殖：湖泊水庫流動性差，水體停留時(shí)間長，加之自然混合后氮磷營養(yǎng)源的補(bǔ)充與匯流補(bǔ)給，為表層藻類的大量繁殖創(chuàng)造了有利條件[6]。

（5）汛期徑流造成水質(zhì)惡化：汛期暴雨徑流攜帶大量營養(yǎng)鹽、有機(jī)物和泥沙進(jìn)入湖泊水庫，引起水質(zhì)不斷變差、甚至惡化，對水廠凈化系統(tǒng)帶來一定程度的沖擊，直接影響城鎮(zhèn)供水安全[7-8]。

由上可見，各種因素的變化會對湖泊水庫水質(zhì)造成影響。隨著對生態(tài)環(huán)境的重視及水源水質(zhì)要求的提高，越來越多的湖泊水庫中會設(shè)有自動監(jiān)測站測量斷面水質(zhì)變化，或者人工定期測量水質(zhì)變化。如何將監(jiān)測的結(jié)果及時(shí)直觀的呈現(xiàn)給水管理從業(yè)者，讓其直觀的掌握湖泊水庫的水質(zhì)變化，為管理人員對湖泊水庫的運(yùn)行、管理與決策提供依據(jù)和支撐是急需解決的問題。同樣，對于科研工作者在論文撰寫時(shí)也非常重要，部分科技論文中仍將大量數(shù)據(jù)以點(diǎn)線圖的形式呈現(xiàn)[9]。本文以陜西某大型水庫為例，介紹如何利用Surfer軟件繪制湖泊水庫垂向水質(zhì)變化三維等值線圖。

1 Surfer軟件簡介

Surfer是美國Golden Software公司編制的一款繪制三維圖（等高線）的軟件，該軟件已經(jīng)成為用來處理XYZ數(shù)據(jù)的首選軟件，其可以輕松制作基面圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)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，同時(shí)其可以提供包含所有常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法在內(nèi)的11種數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，可以識別處理各種流行的圖形圖像文件格式，具有很強(qiáng)的兼容性。Surfer具有的強(qiáng)大插值功能和圖形繪制能力，被廣泛的應(yīng)用于測繪[10-12]、氣象[13]、水文[14-16]等相關(guān)領(lǐng)域，但是其在水質(zhì)變化中的應(yīng)用較少。

下面以湖泊水庫垂向水溫變化為例，說明在取得原始測量數(shù)據(jù)后，如何快速實(shí)現(xiàn)湖泊水庫垂向水溫隨季節(jié)變化的表達(dá)，其他水質(zhì)參數(shù)如溶解氧、濁度等繪制原理相同，在此不贅述。

2 湖泊水庫垂向水溫三維等值線圖繪制

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

通常在湖泊水庫中均設(shè)有自動監(jiān)測站測量斷面水質(zhì)變化，當(dāng)無自動監(jiān)測站時(shí)亦可以人工定期測量水質(zhì)變化。得到的每次水質(zhì)測量結(jié)果如表1所示。

每次數(shù)據(jù)測量完畢，我們將得到一張水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表1。若干次測量后，我們將得到許多張水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表，如何將許多張水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)直觀的在一張圖上清晰的表達(dá)出來，供管理決策人員使用，對數(shù)據(jù)的處理過程尤為重要。

表1 水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

利用 Surfer 軟件繪制垂向水溫等值線圖時(shí)，首先要將實(shí)測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成軟件可以識別的Grid網(wǎng)格化格式。

Surfer軟件繪制經(jīng)典等高線圖時(shí)所需要輸入的數(shù)據(jù)格式為{X，Y，Data}，其中X、Y 為測點(diǎn)坐標(biāo)，Data 是測點(diǎn)的高程（m）。同理，在繪制湖泊水庫垂向水溫三維等值線圖時(shí)，將X賦值為時(shí)間（可以令測量第一天X=1，其他測量時(shí)間X值隨天數(shù)順延），Y賦值為水質(zhì)監(jiān)測時(shí)每個(gè)測量點(diǎn)位的高程，Data賦值為在對應(yīng)時(shí)間、點(diǎn)位高程條件下的水質(zhì)參數(shù)。

點(diǎn)擊File-New-Worksheet新建一個(gè)工作表，將所需要的數(shù)據(jù)復(fù)制到工作表中，在數(shù)據(jù)粘貼時(shí)需注意將取樣時(shí)間換成一年中的第幾天，將水深換算成高程，依次將取樣時(shí)間放入第一列，每次取樣時(shí)取樣點(diǎn)位高程放入第二列，溫度數(shù)據(jù)放入第三列，按照取樣時(shí)間將水質(zhì)參數(shù)依次放入worksheet中形成數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)保存為.dat格式的文件。

2.2 規(guī)范性文件的生成

水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)一般為不規(guī)則分布，在繪制垂向水溫三維等值線圖時(shí)需借助surfer軟件，選用一定的內(nèi)插方法對實(shí)際測繪獲得的不規(guī)則分布的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行離散數(shù)據(jù)格網(wǎng)化，生成規(guī)則的格網(wǎng)文件。Surfer軟件提供了“Inverse Distance to a Power（反距離加權(quán)插值法）”“Kriging（克里金插值法）”“Minimum Curvature（最小曲率法）”等12 種內(nèi)插方法，繆坤[17]等研究發(fā)現(xiàn)克里金插值法（ Kriging）標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，因此在高程數(shù)據(jù)內(nèi)插計(jì)算中該方法內(nèi)插效果也最好，本例選用克里金插值法。

打開菜單Grid- Data，在open對話框中選擇剛保存的.dat格式的數(shù)據(jù)文件打開。在打開的對話框中，“Data Colums”顯示X、Y、Z列和數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，也列出了需要進(jìn)行網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)，“Griding Method”表示網(wǎng)格化方法，選擇Kriging（克里格插值法）方法，“Output Grid File” 表示輸出網(wǎng)格文件位置，需輸入文件名得到.grd的網(wǎng)格文件， “Grid Line Geometry” 表示網(wǎng)格線參數(shù)，需設(shè)置X方向、Y方向的最小值、最大值、網(wǎng)格間距、網(wǎng)格行數(shù)，一般使用默認(rèn)值就好，但當(dāng)某一項(xiàng)網(wǎng)格行數(shù)較少時(shí)，需注意適當(dāng)調(diào)整，以調(diào)整完X、Y方向的網(wǎng)格間距大小接近為好。點(diǎn)“Ok”，就可以生成同文件名的.grd文件。至此，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)變成軟件繪制所需要的規(guī)范性網(wǎng)格文件。

2.3 湖泊水庫垂向水溫三維等值線圖形繪制

規(guī)范性網(wǎng)格文件準(zhǔn)備好之后，在surfer界面下，點(diǎn)擊 Map-Contour Map-New Contour Map，在open Grid界面中打開剛生成的.grd文件，即可初步獲取等值線如圖1所示。

初步獲取等值線圖以后，可以發(fā)現(xiàn)之前沒有數(shù)據(jù)的區(qū)域由于在數(shù)據(jù)網(wǎng)格化過程中進(jìn)行了插值計(jì)算，也得到了相關(guān)數(shù)據(jù)，此部分?jǐn)?shù)據(jù)為虛數(shù)，沒有任何意義，此部分?jǐn)?shù)據(jù)需要以空白填充。

2.3.1 繪制等值線圖空白區(qū)域

一般來說，在不考慮底部淤積的情況下，固定采樣點(diǎn)底部高程不變，不過隨著入庫/出庫水量的變化，水庫水位和采樣點(diǎn)相對水深隨著時(shí)間的變動是改變的，而不少科技論文在寫作時(shí)未考慮水位變化[18-19]，所以在繪制等值線圖時(shí)一般將測量點(diǎn)位水深轉(zhuǎn)變成相對高程值，這樣繪制出的圖形比較精確，而且在垂向水質(zhì)變化三維等值線圖上方應(yīng)該有水位變化曲線，水位變化曲線上方應(yīng)該為一段空白填充的區(qū)域。

繪制空白區(qū)域前需準(zhǔn)備相應(yīng)的空白文件，空白文件是由一個(gè)封閉多邊形的一系列X，Y坐標(biāo)值組成，而且空白散點(diǎn)所組成的多邊形必須閉合?？瞻孜募Ω袷接忻鞔_的要求，第一行為標(biāo)志行，它的第一個(gè)數(shù)字表示下邊的點(diǎn)數(shù)，第二個(gè)數(shù)字是邊的標(biāo)志符，如果邊的標(biāo)志是0，多邊形外邊的網(wǎng)格單元被空白，如果邊的標(biāo)志是1，多邊形里的網(wǎng)格單元被空白。

以每天8點(diǎn)水位代表當(dāng)天水位，全年365天共有365個(gè)數(shù)值（繪圖過程中以實(shí)際天數(shù)為準(zhǔn)，且其數(shù)值和surfer基礎(chǔ)數(shù)據(jù)里面的X值對應(yīng)），其中第1天和第365天各有兩個(gè)數(shù)值，在數(shù)列的最末端應(yīng)該還有第1天的高水位數(shù)值以讓多邊形封閉。實(shí)際水位以上空白的數(shù)列實(shí)例如表2所示。

空白文件制作方法：點(diǎn)擊 File-New-Worksheet 新建一個(gè)工作表，將上述所需要的數(shù)據(jù)復(fù)制到工作表中，將數(shù)據(jù)保存為.bln格式的空白文件。

空白區(qū)域繪制：點(diǎn)擊Map-Base Map，在“Import File（輸入）”對話框中打開剛創(chuàng)建的.bln格式的空白文件，創(chuàng)建一個(gè)包含多邊形的底圖，因此在輸入底圖的過程中不點(diǎn)選“Areas to Curves”復(fù)選框。點(diǎn)擊Edit-Select All，再選擇菜單命令“Map-Overlay Map（疊置圖）”，將等值線圖和底圖被合并成一個(gè)疊置圖。雙擊空白區(qū)域底圖，彈出屬性管理器。在“Base ?Map（底圖）”選項(xiàng)卡下的“Fill（填充）”屬性中指定空白區(qū)域底圖的邊界線及填充屬性。單擊“OK”按鈕，就發(fā)現(xiàn)空白區(qū)域已經(jīng)得到了填充。

2.3.2 圖形屬性的進(jìn)一步設(shè)置

在繪圖窗口的等值線圖區(qū)域里雙擊該圖，彈出“Contours Properties”對話框，可以進(jìn)行包括General（常規(guī)）、Levels（等級）、View（查看）、Scale（比例）、Limits（限制）、Background（背景）等內(nèi)容的設(shè)置。

（1）修改等值線圖長寬比例

在Scale（比例）選項(xiàng)卡中可以修改等值線圖的長寬及比例，去掉復(fù)選框“Proportional XY Scal”，去掉XY軸比例因子，可以設(shè)置等值線圖的尺寸，以繪制長6英寸、寬4英寸圖形為例，將X scale設(shè)置為6in，Y scale設(shè)置為4in即可。點(diǎn)擊OK按鈕即可完成圖片長寬的改變。

（2）修改等值線圖等級

在Levels（等級）選項(xiàng)卡中顯示了等值線圖等級和等值線圖屬性，可以對等值線的Level（等級）、Line（線條）、Fill（填充）、Label（標(biāo)注）、Hach（影線）等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定。

可以根據(jù)需要修改等值線圖的范圍和間隔。單擊“l(fā)evel”按鈕，在Contour Levels選項(xiàng)里設(shè)置等值線圖的Minimum（最小值）、Maximum（最大值）、Interval（間隔）。

點(diǎn)擊“Line”雙擊某一個(gè)對應(yīng)等級下的line，可修改單個(gè)元素等值線圖等級，在等值線圖上強(qiáng)調(diào)顯示某個(gè)等值線圖的等級，可以改變此條等值線的Style（風(fēng)格）、Color（顏色）和Width（寬度）。

（3）對等值線圖填充顏色

在General（常規(guī)）選項(xiàng)卡中，可以通過對Fill Contours（填充等值線圖）、Smoothing（平滑）等進(jìn)行設(shè)置。點(diǎn)擊“Fill colors（填充）”和“Color Scale（彩色比例尺）”可以將等值線圖以顏色填充和生成彩色比例尺。在Levels（等級）選項(xiàng)卡下，單擊“Fill（填充）”按鈕，在彈出的Fill對話框中可以實(shí)現(xiàn)對等值線圖顏色的填充。

單擊“Foreground（前景色）”按鈕，則彈出“Color Spectrum（色譜）”對話框。在此對話框中可以實(shí)現(xiàn)給特定的數(shù)值分配顏色，可以通過按住“Ctrl”用鼠標(biāo)點(diǎn)擊色譜圖的方式增加錨點(diǎn)，點(diǎn)擊增加的錨點(diǎn)后可以通過右側(cè)的Value調(diào)整數(shù)值，也可從調(diào)色板里選擇顏色，在對話框里給特定的數(shù)值分配顏色。

單擊“OK”，返回“Fill（填充）”對話框，可以看到“Foreground（前景色）”按鈕顏色分等級出現(xiàn)。單擊“OK”，在“Map：Foreground（前景色）”對話框里的填充顏色被更新。單擊“OK ”，即可看到個(gè)等級之間填充顏色的等值線圖。

（4）更改等值線圖標(biāo)志

在等值線圖上右擊鼠標(biāo)，在彈出的菜單中選擇“Edit Contour Labels（編輯等值線圖）”，就會發(fā)現(xiàn)繪圖窗口中鼠標(biāo)箭頭變成黑色的箭頭表明處于編輯模式，右擊其中的某一等值線圖標(biāo)志，按Delete可刪除該標(biāo)志，也可通過左擊按住拖動以改變其在等值線圖上的位置。若要增加某一等值線圖標(biāo)志時(shí)，可按住Ctrl鍵，在需要添加等值線標(biāo)志的等值線上單擊左鍵。按Esc可退出編輯等值線圖標(biāo)志模式。

（5）更改坐標(biāo)軸屬性

Surfer繪制的等值線可以提供上下左右四個(gè)方位的坐標(biāo)軸，雙擊其中的任意一個(gè)坐標(biāo)軸或者右擊坐標(biāo)軸選擇Properties（屬性），可以對圖形的Axis屬性，包括常規(guī)、刻度、比例、網(wǎng)格線等屬性進(jìn)行設(shè)定。以底部X軸為例， 在底部X軸上雙擊，則彈出“Map： Bottom Axis Properties（地圖：底部坐標(biāo)軸屬性）”屬性管理器，在“General（常規(guī)）”選項(xiàng)卡下“Title（標(biāo)題）”編輯欄可以輸入底部坐標(biāo)軸的名稱、offset（偏移）、Font（字體）、Angle（角度）等的設(shè)置。在“Ticks（刻度）”選項(xiàng)卡中可以設(shè)置Major Ticks（主刻度）、Minor Ticks（次刻度）的刻度線位置和刻度線的長度。在“Scaling（尺度）”選項(xiàng)卡下，可以設(shè)置坐標(biāo)軸刻度之間的間隔。

橫坐標(biāo)是數(shù)字，在圖形完成之前需將其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的日期，雙擊X軸，在彈出“Map： Bottom Axis Properties”對話框中，點(diǎn)擊“Scaling（尺度）”選項(xiàng)卡下，將主坐標(biāo)軸Major設(shè)置為30。將對應(yīng)日期的時(shí)間通過文本的形式卸載對應(yīng)的刻度線下。

（6）保存和導(dǎo)出等值線圖

在等值線圖繪制完成以后，可以將地圖以“*.srf”格式保存，需要導(dǎo)出繪制的等值線圖時(shí)，點(diǎn)擊File-Export在保存類型中選擇所需的格式導(dǎo)出，在輸出過程中還可以對圖形的屬性進(jìn)一步的設(shè)置。例如輸出“.jpg”格式圖片時(shí)，保存類型選擇“JPEG Compressed Bitmap（*.jpg）”格式，輸入文件名保存后會彈出設(shè)置對話框，可以設(shè)置“Bitmap size in pixels（位圖大?。薄癉ots per inch（每英寸點(diǎn)數(shù)）”和“Quality（圖片質(zhì)量）”，還可勾選“Maintain aspect ratio（維持縱橫比例）”“Automatic compression（自動壓縮）”等。

生成的三維等值線圖如圖2所示，圖2表示了固定點(diǎn)位垂向水溫隨時(shí)間變化，圖形簡潔明了。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為高程，右側(cè)為溫度條帶以不同的顏色表征不同的水溫，在等值線圖上方可以直觀看出水位隨時(shí)間變化。三維等值線圖表達(dá)的信息完整，圖形簡潔易懂，對于即使不是環(huán)境專業(yè)的管理人員也能夠從圖形上直觀看出監(jiān)測點(diǎn)位不同時(shí)間、不同水深位置水體水溫變化，對于科研工作者來說，在撰寫科技論文/報(bào)告時(shí)也非常實(shí)用。

對于其他水質(zhì)指標(biāo)，如在繪制垂向溶解氧三維等值線圖時(shí)，步驟與上述類似，將溫度換成對應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)即可。

3 結(jié)束語

在利用Surfer軟件繪制湖泊水庫垂向水質(zhì)變化三維等值線圖時(shí)，首先要對實(shí)測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，水庫水位和采樣點(diǎn)相對水深隨時(shí)間是變動的，需將測量點(diǎn)位水深轉(zhuǎn)變成相對高程值，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理時(shí)盡量采用克里金（Kriging）插值法以保證插值數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在對數(shù)據(jù)規(guī)范化處理后初步獲取等值線圖，需用空白文件對圖中的虛數(shù)進(jìn)行填充，空白文件下方邊界即為實(shí)際水位變化。

使用Sufer軟件繪制垂向三維等值線圖，為研究人員提供了一種簡便繪制三維圖形的方法，得到的圖形能更直觀、更充分的表現(xiàn)數(shù)據(jù)特征。是研究人員能夠快速、準(zhǔn)確的掌握水質(zhì)的變化，從而得到更科學(xué)的分析結(jié)果。

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