信息技術支持下的灌區地下水水質調查評價

張 艷,徐 斌

(1.長安大學地球科學與國土資源學院,陜西西安 710054;2.長安大學環境科學與工程學院,陜西西安 710054)

信息技術支持下的灌區地下水水質調查評價

張 艷1,徐 斌2

(1.長安大學地球科學與國土資源學院,陜西西安 710054;2.長安大學環境科學與工程學院,陜西西安 710054)

運用系統工程和軟件工程的方法,將智能終端和3S集成技術引入地下水水質調查研究中,構建了基于3S的地下水水質調查評價模型,并進行了系統設計和系統實現。該方法運用在陜西省涇惠渠灌區地下水水質調查與評價工作中,較傳統方法工作量小,調查精度高,評價結果可靠,數據管理可持續性強,提高了地下水水質調查與質量評價的工作效率。

地下水;水質調查與評價;智能終端;GIS;涇惠渠灌區

地下水是水資源的一個重要組成部分,受原生地球化學環境和人類活動的共同影響,地下水水質表現出區域分布和演化的特點。特別是隨著人類活動范圍和強度的增大,在大規模開發利用地下水資源的同時使地下水受到不同程度的污染,并引發了一系列不良后果[1]。為了掌握地下水水資源質量狀況,開展水質調查工作。嵌入式GIS和智能終端技術的發展為水質調查工作提供了新的思路和更強的技術支持。本文就IT/RS/GIS/GPS等信息集成技術在地下水調查評價中的應用技術流程和集成系統設計等相關問題進行研究。

1 IT/RS/GIS/GPS集成技術原理

IT/GIS/RS/GPS集成技術是遙感(remote sensing,RS)、地理信息系統(geographic information system,GIS)、全球定位系統(global positional system,GPS)、智能終端(intelligent terminal,IT)幾門學科在平行發展的進程中,逐漸綜合應用的技術[2]。

GPS是利用人造地球衛星進行點位測量導航的技術。RS是指遠距離不直接接觸物體而取得其信息的現代化探測技術。GIS是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地理信息的計算機系統,是分析和處理海量地理數據的通用技術。

嵌入式GIS(embeddedGIS)是集成GIS功能的嵌入式系統。智能終端是集中了計算、電話、傳真和網絡等多種功能為一體的一種嵌入式設備,體積小、重量輕、便于攜帶、功能強大。智能終端具有良好的軟硬件可擴充能力,還具備移動性,給GIS實時數據采集與更新帶來極大的方便性,通過串口線與GPS連接,智能終端不僅能存儲GPS數據,而且能實現野外實時成圖,實現調查的直觀性和便攜性。

2 IT/RS/GIS/GPS集成技術在地下水水質調查評價中的主要技術流程

地下水水質調查是地下水水質評價、地下水環境質量評價、水資源保護的基礎工作。

工作程序如下:準備工作(收集研究區自然地理、水文地質、地貌等概況)——外業水樣采集——內業水樣分析——分析地下水水化學成分的區域分布變化特征——水質評價——提出防污對策。

2.1 基于智能終端和嵌入式GIS的水質調查野外采集系統的設計

野外調查和采集水樣是水質評價的首要條件和基礎,它包括空間位置的采集和屬性信息采集兩部分。在傳統的數據采集過程中,水樣采集人員在采樣點借助紙制地圖和羅盤定位,記錄采樣點的經緯度坐標和其他相關的水位等數據信息,回到室內將記錄信息錄入電腦,結合其他信息進行匯總。傳統方法定位精度不高,而且可能會因為人為原因造成錄入錯誤,嚴重的甚至需要重新進行取樣采集。因此,很有必要利用先進的信息采集手段和工具作為野外調查和水樣采集的基礎支持,實現野外調查和水樣采集過程的數字化、科學化、規范化。

水質調查野外數據采集工作包括兩部分工作:①資料準備,在地下水水質調查內業數據處理系統中,利用調查區遙感影像或已有大比例尺地形圖制作符合移動GIS格式的工作底圖;②野外采樣和調查工作,利用智能終端上集成的GPS,進行空間定位,測定采樣點(井、泉等)的位置信息,交互式記錄并顯示于工作底圖上,并將現場獲得的采樣點相關地質信息、地貌信息、水文地質信息等屬性信息現場錄入采集系統,存儲于地下水水質野外采集數據庫,空間與屬性信息建立鏈接,可進行實時查詢。同時,利用掌上電腦自帶的攝像頭記錄周圍環境信息,可為水質評價分析等工作參考。野外數據采集工作流程如圖1所示。

圖1 野外數據采集流程

地下水水質調查野外數據采集系統是基于嵌入式操作系統的PPC軟件,采用單機模式,通過輔助通訊工具與PC機通訊。整個系統基于組件式開發,包括GPS、通訊組件、嵌入式GIS組件和數據庫訪問組件;數據存儲是基于文件的,包括空間數據文件,屬性存儲文件(SDB格式);用戶操作是交互式的;可通過同步軟件或無線通訊的方式與服務器直接通訊[3]。整個系統體系架構如圖2所示。

圖2 外業數據采集系統結構

2.2 基于桌面GIS的內業數據處理系統的設計

基于桌面的GIS內業數據處理系統,通過串口或數據線方式接收外業調查系統所獲取的外業數據(包括空間位置數據和屬性數據及影像數據),進行組織管理。

該系統主要是實現對調查及成果數據信息的管理,包括對基礎空間數據庫進行管理的功能,以及對分析處理的綜合性專題圖件進行管理,并建立與基礎數據庫的關聯,形成以地下水水質數據管理和地下水水質統計分析為目的的系統。水質數據統計分析主要包括常規統計分析、空間統計分析及水化學分析功能。

另外,系統設置了空間信息管理目錄窗口,它是系統的圖層管理入口,負責圖層的創建、刪除、添加、修改、調整等。

2.3 地下水水質信息數據庫的建立

依據《西北地下水資源勘察評價空間數據庫工作指南》[4],把地下水水質信息數據庫分為圖形數據庫和屬性數據庫。各類信息以圖層的形式組織與管理。屬性數據庫與空間數據庫之間通過唯一的地物標識進行關聯。屬性數據庫采用E-R圖等方式進行設計,以數據表格的形式存放,主要包括內容見地下水水質信息數據庫的邏輯結構圖,如圖3所示。

2.4 地下水質量評價系統的設計

地下水質量評價的方法主要包括一般統計評價、綜合指數法評價、F值法評價、模糊綜合評判法、層次分析法評價及灰色關聯法評價等。地下水質量評價系統將GIS的多項組件和專業水質評價模型進行耦合,對地下水環境質量進行評價。

首先設置評價指標,從地下水水質信息數據庫中提取采樣點的分析數據,根據實際情況選用合適的水質評價模型進行評價,評價結果生成匯總表,錄入水質信息數據庫,并通過一定標識與空間數據進行關聯。評價結果以圖表等形式可以進行統計、制圖、報表打印和數據導出。系統流程圖見圖4。

3 實例研究

3.1 研究區概況

涇惠渠灌區位于陜西省關中平原中部,灌區西、南、東分別有涇河、渭河、石川河,北接渭北黃土臺垣,清峪河呈東西向穿越灌區北部。灌區東西長約70km,南北最寬20km,總面積約為1233km2。

圖3 地下水水質信息數據庫邏輯結構

圖4 系統流程

灌區開發利用地下水資源至今已有50多年的歷史。現有農用機井1.39萬眼(其中配套機井1.32萬眼),渠井雙灌面積7.33萬hm2。1997年實際供水量2.39億m3,提水能力接近3億m3。近年來,由于灌區內工農業的發展及農村生活廢水大量排放,加之污水治理設施建設滯后,使淺層地下水遭到不同程度的污染。特別是長期過量開采地下水,使地下水位下降,改變了原來地下水流場水流方向,造成劣質地下水匯流區內。

3.2 外業水樣采集

本次研究外業采樣運用了外業調查數據采集系統作為輔助設備,直接通過掌上電腦自帶的GPS定位采樣點的位置信息,并標注到工作底圖,一些相關井位屬性信息直接錄入基于PDA的地下水水質調查野外數據采集系統中。相比較以往傳統方法,節省了工作量,提高了外業調查精度。

本次研究所涉及的地下水水樣取樣時間是2007年11月,采樣地點位于陜西省涇惠渠灌區,本次采樣遵循有效覆蓋原則選取了灌區內的25個水井。所取水樣均為潛水。對水樣中“六大離子”,以及一些微量組分的濃度進行了測試。它們的測試結果可以反映出灌區內不同區域內水化學的特征,以及水質污染程度,是灌區地下水水化學成分區域變化特征研究的基本條件,取樣位置見圖5。

圖5 2007年涇惠渠灌區取樣位置

3.3 地下水水化學分析和水質變化特征

3.3.1 水化學區域特征分析

本次水樣的室內分析主要分析了水質樣品中的一些常規離子,測定項目包括:pH值、Cl-、SO2-4、重碳酸根、NO-3、Na+、Ca2+、Mg2+及微量組分中的 Fe、Cu、Cr6+。在地下水水質調查內業數據處理系統下,進行了水化學區域特征分析。生成結果圖件如圖6,表示的是 ρ(SO2-4)區域變化圖。

圖6 ρ(SO2-4)的區域分布

由圖6可以明顯看出涇惠渠灌區內ρ(SO2-4)變化范圍為149.41～868.33mg/L,ρ(SO2-4)由灌區北部、中部向外圍有逐漸減小的趨勢,灌區的中部及偏北部ρ(SO2-4)普遍高于450mg/L,而以此為中心的外圍區域 ρ(SO2-4)都在150～450mg/L之間。灌區北部和中部即三原縣、高陵縣東北以及臨潼區西北部形成了一個斜三角區域,該區的 ρ(SO2-4)普遍高于灌區的其他地區,在三原縣西張管理站附近以及坡西管理站附近出現了ρ(SO2-4)高于700mg/L的橢圓形區域,是整個灌區內 ρ(SO2-4)最高的區域;灌區西部及東部的外圍地區ρ(SO2-4)較低,其中分別形成了4個 ρ(SO2-4)低于 250mg/L的環狀區域,即涇陽縣楊府站附近、高陵縣彭里站附近、臨潼區櫟陽站附近和閻良區的閻良分站附近,是整個灌區內ρ(SO2-4)最低的4個地區。由地質條件分析,涇惠渠灌區中部及偏北部地區地層中的砂巖、沙礫巖大多為硫酸鹽沉積物,它們是地下水中硫酸根離子的主要來源,造成該區域硫酸根離子大量富集。

3.3.2 評價因子濃度現狀

根據具體分析評價中篩選評價因子的需求,可通過分析各因子的現狀濃度以合理選取評價因子。2007年地下水評價因子舉例如下,圖7(a)為不同井號總硬度,圖 7(b)為不同井號 ρ(SO2-4),其他各因子濃度不一一列舉。

圖7 不同井點評價因子質量濃度分布

圖件資料顯示以飲用水標準分析各因子濃度超標情況,Fe、Cu、Zn沒有超標,其水質因子實測值遠小于標準值?？傆捕戎挥?、2、5、23號4個井的水質監測值在飲用水標準以下,沒有超標;14號井的總硬度最高,超標嚴重,超標水樣占總水樣數的84%。氯化物超標率為 52%,硫酸根超標率為88%,硝酸根超標率為80%,TDS超標率為88%,Se超標率為56%,Cr6+超標率為36%,氟化物超標率為64%。從空間上看,灌區中下游地區井各離子超標情況嚴重,超標井占多數,1、2、5、23號等幾口深水井水質相對較好。本次研究區選取的評價因子有 :總硬度、Cl-、Fe、Cu、Zn、SO2-4、NO3-、TDS 、F-、Se、Cr6+,其中有7個因子超標的井數在50%以上,可以看出灌區大部分地區水質較差。

3.4 涇惠渠灌區地下水質量評價

利用以上分析得到的數據資料,在涇惠渠灌區地下水質量評價信息系統下,選用合適的地下水質量評價模型,對灌區地下水質量進行評價。本次研究選用了F值評分法模型進行評價,評價結果錄入地下水水質信息數據庫中,并將評價結果以圖和表的形式輸出。

采用F值評分法對地下水進行評價,選取了11個評價指標 :總硬度 、Cl-、SO2-4、NO-3、TDS 、Fe、Cu、Zn、Se、Cr6+、F-等作為評價因子[5-6]。

依據我國地下水質量現狀、人體健康基準值及地下水質量保護目標,參照GB/T 14848—93《地下水質量標準》將地下水質量劃分為5類:

Ⅰ類:主要反映地下水化學組分的天然低背景濃度。適用于各種用途。

Ⅱ類:主要反映地下水化學組分的天然背景濃度。適用于各種用途。

Ⅲ類:以人體健康基準值為依據。主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農業用水。

Ⅳ類:以農業和工業用水要求為依據。除適用于農業和部分工業用水外,適當處理后可作生活飲用水。

Ⅴ類:不宜飲用,其他用水可根據使用目的選用。

表1中數值反映出研究區地下水評價結果。

表1 地下水質量F值評分法評價結果

評價結果分析:F值評分法的評價結果中只有2號井的水質級別為Ⅳ類,其余為Ⅴ類。由此可以看出,涇惠渠灌區地下水質量普遍較差。

4 結論與建議

PDA與3S集成技術被引入到傳統的地下水水質調查工作中,經實際工作驗證,具有優越性和可行性。野外調查系統大大節省了工作量,提高了定位精度,提高了工作效率;內業數據處理系統為數據分析和數據的管理提供了很好的平臺;與地下水質量評價模型相結合的評價系統能方便、快捷、高效地進行評價,提高了評價的可靠度,并且可以把評價結果用圖、表形式直觀地表達出來。

建議采用以集成多種現代信息技術為支撐的地下水水質調查評價模型,取代傳統的以手工為主的分散式的工作方法,為地下水水化學分析、地下水水質評價、地下水承載力研究、地下水污染研究等工作提供基礎保障。如何把時態數據模型引入這一工作領域,建立時間序列數據,建立基于GIS的地下水水化學組分預測和地下水水質預測模型,是進行研究的下一個目標。筆者相信信息技術在地下水水資源評價與保護中將具有更廣闊的應用前景。

[1]蘇耀明,蘇小四.地下水水質評價的現狀與展望[J].水資源保護,2007,23(2):4-9.

[2]韓杰.土地資源調查中3S集成應用的關鍵技術[J].測繪通報,2006(5):47-49.

[3]湯仁鋒,孟志軍.基于移動GIS的土樣采樣系統的研究[J].微計算機信息,2007,23(4):248-249.

[4]中國地質調查局.西北地下水資源勘察評價空間數據庫工作指南[R].北京:中國地質調查局,2003.

[5]馬細霞,郭慧芳,陳鑫.基于ANFIS的水質評價模型及其應用[J].水資源保護,2007,23(6):12-14.

[6]杜金龍,靳孟貴,羅育池,等.淺層地下水功能評價指標體系:以河南省平原崗區為例[J].水資源保護,2007,23(6):89-92.

Survey and evaluation of groundwater quality in irrigation area supported by information technology

ZHANG Yan1,XU Bin2
(1.College of Earth Science and Resources,Chang'anUniversity,Xi'an710054,China;2.School of Environmental Science and Engineering,Chang'an University,Xi'an710054,China)

Applying the systems engineering and software engineering methods,and combining them with the intelligent terminal and 3S integration technique,a survey and evaluation model of groundwater quality was constructed after system design and system implementation.The model was applied to the investigation and evaluation of the groundwater quality in the Jinghui Canal irrigation area of Shanxi Province.Compared with traditional methods,this model has a lesser workload,higher precision,higher credibility,and better sustainability in data management.The efficiency of investigation and evaluation the groundwater quality has been enhanced.

groundwater;water quality investigation and evaluation;intelligent terminal;GIS;Jinghui Canal irrigation area

P641.74

A

1004-6933(2010)04-0030-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2010.04.009

教育部、國家外國專家局“111”項目(B08039)

張艷(1978—),女,河北滄州市,講師,博士研究生,主要從事GIS及水資源管理方面的科研與教學工作。E-mail:zyzhangy@chd.edu.cn

2009-03-17 編輯:高渭文)