基于ArcGIS的巖石隧道水文地質數據的管理與建模

閻 一 瀾

(同濟大學，上海 200092)

0 引言

隧道工程在設計、施工、運營和維護過程中會產生大量的水文地質數據[1]。科學的不斷發展對水文數據的管理提出了越來越高的要求。如果數據雜亂無章，則會對工程造成不利影響。因此，制定數據的統一描述標準至關重要。在巖土工程領域，相關國際組織已經發布了一些規范，這些規范為數據標準化提供了良好的指導，但它們尚未涵蓋隧道水文地質方面，因此需要進一步修訂和完善。GIS可以為工程中的實時信息采集和決策分析提供有效的工作平臺[2]。將經過規范化的數據導入ArcGIS，有利于水文地質模型的建立和水文數據的分析。

1 巖石隧道水文地質數據的標準化

1.1 分類和編碼標準

由于軟件開發商不同，各公司會根據不同的數據格式和命名規則來實現其數據管理目的，給信息共享帶來了困難，這就需要一套統一的分類和編碼標準。這項工作應遵循可擴展性原則，確保所需信息可以成功導入數據庫系統[2]。各類要素都使用數字進行編碼，沒有下級文件的代碼填充為“0”。元素編碼結構如表1所示，按它們的從屬關系順序分為一級分類、二級分類、三級分類等等。表2展示了巖石隧道水文信息模型的一部分分類名稱和代碼。

表1 要素編碼結構

表2 巖石隧道水文地質信息分類和編碼

1.2 數據交換標準

數據交換通常需要在多個軟件之間進行，即數據輸入和輸出接口需滿足各種軟件的要求[3]。為了減小接口的壓力，有必要提出一種統一的數據交換方法，規定文件的傳輸和存檔形式。就組織形式而言，巖石隧道的水文地質數據可分為文本數據、圖形數據以及多媒體數據。數據表包括以下部分：數據組名稱、標題字段、字段狀態、字段單位、字段類型和數據主體。字段狀態包含三種類型：KEY(#)，REQUIRED(R)，OTHER(O)。KEY字段數據組必須包含標有#的字段，并且該字段的值不能重復。REQUIRED字段必須有值并且不能為空。OTHER字段可以為空值。表3以鉆孔數據表格為例，說明了字段存儲方法。

表3 鉆孔數據表

2 隧道水文地質模型的建立

2.1 信息顯示和查詢

首先，操作者需要整理各種水文地質數據并對其進行標準化，然后將這些規范化的數據導入到ArcGIS中以建立完整的數據庫系統。將DWG文件轉換為Shapefile格式時，ArcGIS會根據實體類型讀取數據，并將每個DWG實體轉換為要素類，包括點、線、多邊形、文本注記、多面體等。利用ArcGIS中的識別工具，點擊查看窗口中的各種要素，系統會彈出該要素的屬性記錄框。點元素通常指鉆孔、泉點、水文監測站等；線元素包括隧道線路、水文地質界線、等高線等；面元素是指居民區、水源保護區、水庫等。

2.2 三維建模

三維水文地質建模是一種利用計算機科學將虛擬三維環境中的空間信息管理、空間預測和地質統計工具結合起來進行水文分析的技術。在隧道工程中，地下水是影響隧道施工安全、工程質量和結構穩定性的重要因素[4]。因此，建立隧址區的三維水文地質模型對于涌水位置和涌水量的評估具有重要意義。具體步驟如下：

1)把研究區的衛星影像圖加入ArcGIS中，把生成的等高線設置為20 m間距。

2)將隧道水文地質平面圖中的河流圖層加載到ArcGIS中，提取河流圖層和等高線圖層的交點，并為這些點添加空間坐標系以獲得它們的三維坐標，這樣就得到了代表地表水位的大量點元素。

3)對上述離散點進行克里金插值，得到一個初步的地下水位柵格圖，記為柵格1。

4)從初步得到的地下水位柵格圖中查找鉆孔和泉點的地下水位估計值，然后用實測的地下水位值減去估計的水位值以得到誤差。接下來，以鉆孔和泉點實際空間位置的X和Y坐標作為新的X和Y坐標，以誤差值為Z坐標來創建新的點要素。對這些點進行克里金插值，得到誤差柵格圖，記為柵格2。

5)使用ArcGIS的柵格計算器，疊加柵格1和柵格2，得到修正后的地下水位柵格圖。將其導入ArcScene并進行拉伸，就生成了最終的地下水位三維效果圖。

3 實際案例研究

3.1 云南老營隧道概況

寶山至瀘水高速公路位于云南省西北部，老營特長隧道是該高速公路上的一個控制工程，跨越多個區域斷層。隧道周圍有較多飲用水源。由于隧址區的地質構造和水文地質條件復雜，所以需要對隧址區進行特殊的水文地質調查，以評估地表水和地下水的影響。

3.2 空間分析

數字高程模型簡稱為DEM，是通過有限的地形高程數據對地面上的地形進行數字模擬而得到的模型。地下水位三維效果圖的建立采用2.2節提到的方法。在提取河流和等高線的交點之后，操作人員可以查看屬性表中交點的三維坐標。克里金插值校正的詳細數據如表4所示。最后，在ArcScene中生成的地下水位三維效果圖如圖1所示，使用識別工具點擊任意空間點，可查看該點的地下水位值。

表4 克里金插值校正結果

隧道線路圖層可用于生成地下水位剖面圖。首先，要將代表隧道的線要素從二維轉換為三維，然后把“輸入表面”設置為“柵格3”。點擊3D Analyst工具條上的剖面圖標按鈕，ArcGIS會沿隧道線路生成地下水位剖面線，如圖2所示。橫坐標表示隧道里程，縱坐標表示高程。由圖2可知，隧道東側的含水情況較為復雜。在隧道施工過程中，應采取相應的防排水措施，例如：在初期支護背后埋設盲管引排，在型鋼間留置排水槽等等。

4 結論與展望

通過分析可以得出以下結論：1)數據標準化可使數據以統一的格式進行存儲和調用，確保工程管理更加高效有序;2)GIS作為一個數據倉庫，可以為工程數據的查詢和顯示帶來方便;3)通過繪制沿隧道的剖面線，可以判斷隧道的含水情況，從而制定合理的隧道排水措施。

本文還存在一些需要進一步研究與改進的方面，筆者建議：1)巖石隧道水文地質數據的分類編碼有待進一步完善，以加強數字化管理;2)在隧道工程的整個生命周期內實現數據的標準化和信息的動態監測，而不僅僅局限于一個特定的階段;3)結合云GIS服務，有效利用地理空間信息，并采用相應的智能控制手段，實現廣泛的數據共享。