地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)建模與開發(fā)

薛基瑜 趙磊 曾雪 曾永剛

摘要：本文以德國(guó)北威州地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)Hygris-C[1]開發(fā)為基礎(chǔ)，論述了地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)建模、地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型、地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及以歐盟水框架協(xié)議（EU-WRRL，Europische Wasserrahmenrichtlinie）為基礎(chǔ)的地下水體模型。最后，以Hygris-C為例論述地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)的開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：地下水；系統(tǒng)建模；地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)；可視化

前言

地下水資源是人類社會(huì)發(fā)展不可缺少的資源，隨著經(jīng)濟(jì)、工業(yè)化的發(fā)展，地下水資源保護(hù)和管理顯得尤為重要。如何構(gòu)建適合當(dāng)?shù)貐^(qū)域的地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)管理信息系統(tǒng)，如何選取合適的模型來構(gòu)建適合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)、水文狀況的系統(tǒng)建模，是我國(guó)地下水保護(hù)的研究方向之一。本文以德國(guó)北威州地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)Hygris-C (Hydrologisches Grundlagen-Informationssystem Grundwasser，地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng))為基礎(chǔ)，論述如何開發(fā)地下水水文基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)，并對(duì)關(guān)鍵對(duì)象建模進(jìn)行分析。

1 地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)建模過程

地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)的目標(biāo)[1]：（1）構(gòu)建帶有地下水狀況主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的地下水中心數(shù)據(jù)庫(kù)，包括地下水、原水水質(zhì)數(shù)據(jù)；（2）數(shù)據(jù)分析和結(jié)果提供；（3）地下水條件的評(píng)估和決策支撐。地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)的父對(duì)象包括水（Wasser）、水體（Gewsser）、污水（Abwasser）；對(duì)應(yīng)的子對(duì)象包括地下水監(jiān)測(cè)（GW）、地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)（GDB）、地下水圖件（KGW）、地下水日常管理事務(wù)（LGD）、原生水監(jiān)測(cè)（RW）。

對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行存取操作，還需要兩個(gè)中間層接口程序：（1）基于網(wǎng)絡(luò)的針對(duì)地下水和地下水供給的接口程序（WebGW）；（2）基于ArcGIS的地下水、水供給和水源保護(hù)區(qū)的專業(yè)信息系統(tǒng)接口程序（FIS GWW）。地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模如下圖1所示。

2 地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)建模

地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)提供一下關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息[1]：（1）基礎(chǔ)供水服務(wù)（地下水狀況）；（2）地下水監(jiān)測(cè)（地下水水質(zhì)）；（3）原生水監(jiān)測(cè)（水供給、水源保護(hù)區(qū)、飲用水監(jiān)測(cè)）；（4）數(shù)據(jù)提?。▉碜运Y源控制部門的專業(yè)數(shù)據(jù)）；（5）歐盟水框架協(xié)議（地下水體）。地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)模型如下圖2所示。

3 地下水監(jiān)測(cè)站模型

地下水監(jiān)測(cè)站設(shè)置的目的是觀測(cè)地下水位和地下水采樣。通過測(cè)量監(jiān)測(cè)井孔最高邊緣到地下水面之間距離，計(jì)算出高于海平面的水位以上到地表的距離。不同的監(jiān)測(cè)方案包括監(jiān)測(cè)地下水水質(zhì)、原生水水質(zhì)、排放源等。地下水監(jiān)測(cè)站獲取的重要數(shù)據(jù)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、自然地面、測(cè)量值、水位、地表距離，其中相對(duì)海平面水位計(jì)算是相對(duì)于海平面的測(cè)量點(diǎn)減去測(cè)量值，地表距離等于地表減去測(cè)量點(diǎn)再加上測(cè)量值。地下水監(jiān)測(cè)井的模型如下圖3所示[2]。

監(jiān)測(cè)站的組件和聯(lián)系如下圖4所示。

4 地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)Hygris-C應(yīng)用實(shí)例

Hygris-C是基于B/S模式的應(yīng)用系統(tǒng)，集成了GIS-Client功能模塊的WebGIS。基于Internet的地下水信息系統(tǒng)采用三層架構(gòu)模式：（1）應(yīng)用層（Hygris-C應(yīng)用程序、基于ArcGIS的應(yīng)用程序）；（2）中間層，又叫控制層，包括ArcGIS控制組件、地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)模型、地下水污染物遷移預(yù)測(cè)模型、數(shù)據(jù)輸入輸出控制、決策支撐；（3）物理層，主要指數(shù)據(jù)庫(kù)及其服務(wù)的提供，包括地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)、相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)、中央數(shù)據(jù)庫(kù)及服務(wù)等。德國(guó)北威州的地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序模型結(jié)構(gòu)圖如下圖5所示。

Hygris-C系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面如下圖6所示。

地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度、井孔數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)的可視化模擬如圖7所示。

在基于ArcGIS地形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的井孔直徑、高度、經(jīng)緯度、水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)等信息可以構(gòu)建三維可視化試圖，如圖8所示。

5 結(jié)論

地下水水文基礎(chǔ)信息系統(tǒng)的構(gòu)建，能實(shí)時(shí)、高效地對(duì)區(qū)域地下水資源狀況進(jìn)行監(jiān)控。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和環(huán)境信息學(xué)的發(fā)展，動(dòng)態(tài)、可視化模擬地下水質(zhì)量狀況已經(jīng)成為可能。地下水水質(zhì)建模、地下水污染物遷移建模等技術(shù)成熟，為地下水水文信息系統(tǒng)建模提供了理論和方法基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]PeterGaschick,Hydrologisches Grundlageninformationssystem Grundwasser Hygris-C[M], Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschtutz Nordrhein-Westfalen, NRW, PP.30-100

[2]Dr. Harald Friedrich,Dr. Wolfgang Leuchs, Peter Neumann,Grundwasserbericht2000Nordrhein-Westfalen[M], Ministerium für Umwelt und Naturschutz,Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen,NRW, PP.245-265.

[3]KITANIDIS, P. K. (1997): Introduction to Geostatistics: Applications to Hydrogeology;249 S.; New York.

[4]BUCHER, B. (1994): Optimierung von Grundwasser-Meβnetzen mit Kriging-Verfahren;in: Freiburger Schriften zur Hydrologie,3: 116 S.; Freiburg im Breisgau.

[5]GCI(1998):Grundwasser-Monitoring-System. Anwenderhandbuch zur Softwarev GCI-GMS; Knigs Wusterhausen.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文