張 艷,徐 斌
(1.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與國土資源學(xué)院,陜西西安 710054;2.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054)
信息技術(shù)支持下的灌區(qū)地下水水質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)
張 艷1,徐 斌2
(1.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與國土資源學(xué)院,陜西西安 710054;2.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安 710054)
運(yùn)用系統(tǒng)工程和軟件工程的方法,將智能終端和3S集成技術(shù)引入地下水水質(zhì)調(diào)查研究中,構(gòu)建了基于3S的地下水水質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)模型,并進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該方法運(yùn)用在陜西省涇惠渠灌區(qū)地下水水質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)工作中,較傳統(tǒng)方法工作量小,調(diào)查精度高,評(píng)價(jià)結(jié)果可靠,數(shù)據(jù)管理可持續(xù)性強(qiáng),提高了地下水水質(zhì)調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)的工作效率。
地下水;水質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià);智能終端;GIS;涇惠渠灌區(qū)
地下水是水資源的一個(gè)重要組成部分,受原生地球化學(xué)環(huán)境和人類活動(dòng)的共同影響,地下水水質(zhì)表現(xiàn)出區(qū)域分布和演化的特點(diǎn)。特別是隨著人類活動(dòng)范圍和強(qiáng)度的增大,在大規(guī)模開發(fā)利用地下水資源的同時(shí)使地下水受到不同程度的污染,并引發(fā)了一系列不良后果[1]。為了掌握地下水水資源質(zhì)量狀況,開展水質(zhì)調(diào)查工作。嵌入式GIS和智能終端技術(shù)的發(fā)展為水質(zhì)調(diào)查工作提供了新的思路和更強(qiáng)的技術(shù)支持。本文就IT/RS/GIS/GPS等信息集成技術(shù)在地下水調(diào)查評(píng)價(jià)中的應(yīng)用技術(shù)流程和集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)問題進(jìn)行研究。
IT/GIS/RS/GPS集成技術(shù)是遙感(remote sensing,RS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)、全球定位系統(tǒng)(global positional system,GPS)、智能終端(intelligent terminal,IT)幾門學(xué)科在平行發(fā)展的進(jìn)程中,逐漸綜合應(yīng)用的技術(shù)[2]。
GPS是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量導(dǎo)航的技術(shù)。RS是指遠(yuǎn)距離不直接接觸物體而取得其信息的現(xiàn)代化探測(cè)技術(shù)。GIS是一種采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。
嵌入式GIS(embeddedGIS)是集成GIS功能的嵌入式系統(tǒng)。智能終端是集中了計(jì)算、電話、傳真和網(wǎng)絡(luò)等多種功能為一體的一種嵌入式設(shè)備,體積小、重量輕、便于攜帶、功能強(qiáng)大。智能終端具有良好的軟硬件可擴(kuò)充能力,還具備移動(dòng)性,給GIS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(chǔ)GPS數(shù)據(jù),而且能實(shí)現(xiàn)野外實(shí)時(shí)成圖,實(shí)現(xiàn)調(diào)查的直觀性和便攜性。
地下水水質(zhì)調(diào)查是地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)、地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、水資源保護(hù)的基礎(chǔ)工作。
工作程序如下:準(zhǔn)備工作(收集研究區(qū)自然地理、水文地質(zhì)、地貌等概況)——外業(yè)水樣采集——內(nèi)業(yè)水樣分析——分析地下水水化學(xué)成分的區(qū)域分布變化特征——水質(zhì)評(píng)價(jià)——提出防污對(duì)策。
野外調(diào)查和采集水樣是水質(zhì)評(píng)價(jià)的首要條件和基礎(chǔ),它包括空間位置的采集和屬性信息采集兩部分。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中,水樣采集人員在采樣點(diǎn)借助紙制地圖和羅盤定位,記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和其他相關(guān)的水位等數(shù)據(jù)信息,回到室內(nèi)將記錄信息錄入電腦,結(jié)合其他信息進(jìn)行匯總。傳統(tǒng)方法定位精度不高,而且可能會(huì)因?yàn)槿藶樵蛟斐射浫脲e(cuò)誤,嚴(yán)重的甚至需要重新進(jìn)行取樣采集。因此,很有必要利用先進(jìn)的信息采集手段和工具作為野外調(diào)查和水樣采集的基礎(chǔ)支持,實(shí)現(xiàn)野外調(diào)查和水樣采集過程的數(shù)字化、科學(xué)化、規(guī)范化。
水質(zhì)調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集工作包括兩部分工作:①資料準(zhǔn)備,在地下水水質(zhì)調(diào)查內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中,利用調(diào)查區(qū)遙感影像或已有大比例尺地形圖制作符合移動(dòng)GIS格式的工作底圖;②野外采樣和調(diào)查工作,利用智能終端上集成的GPS,進(jìn)行空間定位,測(cè)定采樣點(diǎn)(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(xiàn)場(chǎng)獲得的采樣點(diǎn)相關(guān)地質(zhì)信息、地貌信息、水文地質(zhì)信息等屬性信息現(xiàn)場(chǎng)錄入采集系統(tǒng),存儲(chǔ)于地下水水質(zhì)野外采集數(shù)據(jù)庫,空間與屬性信息建立鏈接,可進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。同時(shí),利用掌上電腦自帶的攝像頭記錄周圍環(huán)境信息,可為水質(zhì)評(píng)價(jià)分析等工作參考。野外數(shù)據(jù)采集工作流程如圖1所示。
圖1 野外數(shù)據(jù)采集流程
地下水水質(zhì)調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于嵌入式操作系統(tǒng)的PPC軟件,采用單機(jī)模式,通過輔助通訊工具與PC機(jī)通訊。整個(gè)系統(tǒng)基于組件式開發(fā),包括GPS、通訊組件、嵌入式GIS組件和數(shù)據(jù)庫訪問組件;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是基于文件的,包括空間數(shù)據(jù)文件,屬性存儲(chǔ)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(wù)器直接通訊[3]。整個(gè)系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示。
圖2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于桌面的GIS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),通過串口或數(shù)據(jù)線方式接收外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)所獲取的外業(yè)數(shù)據(jù)(包括空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)),進(jìn)行組織管理。
該系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)查及成果數(shù)據(jù)信息的管理,包括對(duì)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理的功能,以及對(duì)分析處理的綜合性專題圖件進(jìn)行管理,并建立與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián),形成以地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)管理和地下水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析為目的的系統(tǒng)。水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析主要包括常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析、空間統(tǒng)計(jì)分析及水化學(xué)分析功能。
另外,系統(tǒng)設(shè)置了空間信息管理目錄窗口,它是系統(tǒng)的圖層管理入口,負(fù)責(zé)圖層的創(chuàng)建、刪除、添加、修改、調(diào)整等。
依據(jù)《西北地下水資源勘察評(píng)價(jià)空間數(shù)據(jù)庫工作指南》[4],把地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫分為圖形數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。各類信息以圖層的形式組織與管理。屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫之間通過唯一的地物標(biāo)識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。屬性數(shù)據(jù)庫采用E-R圖等方式進(jìn)行設(shè)計(jì),以數(shù)據(jù)表格的形式存放,主要包括內(nèi)容見地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)圖,如圖3所示。
地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法主要包括一般統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)、綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)、F值法評(píng)價(jià)、模糊綜合評(píng)判法、層次分析法評(píng)價(jià)及灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)等。地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)將GIS的多項(xiàng)組件和專業(yè)水質(zhì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行耦合,對(duì)地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
首先設(shè)置評(píng)價(jià)指標(biāo),從地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫中提取采樣點(diǎn)的分析數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際情況選用合適的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果生成匯總表,錄入水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫,并通過一定標(biāo)識(shí)與空間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。評(píng)價(jià)結(jié)果以圖表等形式可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、制圖、報(bào)表打印和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。系統(tǒng)流程圖見圖4。
涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部,灌區(qū)西、南、東分別有涇河、渭河、石川河,北接渭北黃土臺(tái)垣,清峪河呈東西向穿越灌區(qū)北部。灌區(qū)東西長(zhǎng)約70km,南北最寬20km,總面積約為1233km2。
圖3 地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)
圖4 系統(tǒng)流程
灌區(qū)開發(fā)利用地下水資源至今已有50多年的歷史?,F(xiàn)有農(nóng)用機(jī)井1.39萬眼(其中配套機(jī)井1.32萬眼),渠井雙灌面積7.33萬hm2。1997年實(shí)際供水量2.39億m3,提水能力接近3億m3。近年來,由于灌區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及農(nóng)村生活廢水大量排放,加之污水治理設(shè)施建設(shè)滯后,使淺層地下水遭到不同程度的污染。特別是長(zhǎng)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(chǎng)水流方向,造成劣質(zhì)地下水匯流區(qū)內(nèi)。
本次研究外業(yè)采樣運(yùn)用了外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為輔助設(shè)備,直接通過掌上電腦自帶的GPS定位采樣點(diǎn)的位置信息,并標(biāo)注到工作底圖,一些相關(guān)井位屬性信息直接錄入基于PDA的地下水水質(zhì)調(diào)查野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。相比較以往傳統(tǒng)方法,節(jié)省了工作量,提高了外業(yè)調(diào)查精度。
本次研究所涉及的地下水水樣取樣時(shí)間是2007年11月,采樣地點(diǎn)位于陜西省涇惠渠灌區(qū),本次采樣遵循有效覆蓋原則選取了灌區(qū)內(nèi)的25個(gè)水井。所取水樣均為潛水。對(duì)水樣中“六大離子”,以及一些微量組分的濃度進(jìn)行了測(cè)試。它們的測(cè)試結(jié)果可以反映出灌區(qū)內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)水化學(xué)的特征,以及水質(zhì)污染程度,是灌區(qū)地下水水化學(xué)成分區(qū)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(qū)取樣位置
3.3.1 水化學(xué)區(qū)域特征分析
本次水樣的室內(nèi)分析主要分析了水質(zhì)樣品中的一些常規(guī)離子,測(cè)定項(xiàng)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(zhì)調(diào)查內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)下,進(jìn)行了水化學(xué)區(qū)域特征分析。生成結(jié)果圖件如圖6,表示的是 ρ(SO2-4)區(qū)域變化圖。
圖6 ρ(SO2-4)的區(qū)域分布
由圖6可以明顯看出涇惠渠灌區(qū)內(nèi)ρ(SO2-4)變化范圍為149.41~868.33mg/L,ρ(SO2-4)由灌區(qū)北部、中部向外圍有逐漸減小的趨勢(shì),灌區(qū)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(qū)域 ρ(SO2-4)都在150~450mg/L之間。灌區(qū)北部和中部即三原縣、高陵縣東北以及臨潼區(qū)西北部形成了一個(gè)斜三角區(qū)域,該區(qū)的 ρ(SO2-4)普遍高于灌區(qū)的其他地區(qū),在三原縣西張管理站附近以及坡西管理站附近出現(xiàn)了ρ(SO2-4)高于700mg/L的橢圓形區(qū)域,是整個(gè)灌區(qū)內(nèi) ρ(SO2-4)最高的區(qū)域;灌區(qū)西部及東部的外圍地區(qū)ρ(SO2-4)較低,其中分別形成了4個(gè) ρ(SO2-4)低于 250mg/L的環(huán)狀區(qū)域,即涇陽縣楊府站附近、高陵縣彭里站附近、臨潼區(qū)櫟陽站附近和閻良區(qū)的閻良分站附近,是整個(gè)灌區(qū)內(nèi)ρ(SO2-4)最低的4個(gè)地區(qū)。由地質(zhì)條件分析,涇惠渠灌區(qū)中部及偏北部地區(qū)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(qū)域硫酸根離子大量富集。
3.3.2 評(píng)價(jià)因子濃度現(xiàn)狀
根據(jù)具體分析評(píng)價(jià)中篩選評(píng)價(jià)因子的需求,可通過分析各因子的現(xiàn)狀濃度以合理選取評(píng)價(jià)因子。2007年地下水評(píng)價(jià)因子舉例如下,圖7(a)為不同井號(hào)總硬度,圖 7(b)為不同井號(hào) ρ(SO2-4),其他各因子濃度不一一列舉。
圖7 不同井點(diǎn)評(píng)價(jià)因子質(zhì)量濃度分布
圖件資料顯示以飲用水標(biāo)準(zhǔn)分析各因子濃度超標(biāo)情況,Fe、Cu、Zn沒有超標(biāo),其水質(zhì)因子實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值??傆捕戎挥?、2、5、23號(hào)4個(gè)井的水質(zhì)監(jiān)測(cè)值在飲用水標(biāo)準(zhǔn)以下,沒有超標(biāo);14號(hào)井的總硬度最高,超標(biāo)嚴(yán)重,超標(biāo)水樣占總水樣數(shù)的84%。氯化物超標(biāo)率為 52%,硫酸根超標(biāo)率為88%,硝酸根超標(biāo)率為80%,TDS超標(biāo)率為88%,Se超標(biāo)率為56%,Cr6+超標(biāo)率為36%,氟化物超標(biāo)率為64%。從空間上看,灌區(qū)中下游地區(qū)井各離子超標(biāo)情況嚴(yán)重,超標(biāo)井占多數(shù),1、2、5、23號(hào)等幾口深水井水質(zhì)相對(duì)較好。本次研究區(qū)選取的評(píng)價(jià)因子有 :總硬度、Cl-、Fe、Cu、Zn、SO2-4、NO3-、TDS 、F-、Se、Cr6+,其中有7個(gè)因子超標(biāo)的井?dāng)?shù)在50%以上,可以看出灌區(qū)大部分地區(qū)水質(zhì)較差。
利用以上分析得到的數(shù)據(jù)資料,在涇惠渠灌區(qū)地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)下,選用合適的地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)模型,對(duì)灌區(qū)地下水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次研究選用了F值評(píng)分法模型進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果錄入地下水水質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫中,并將評(píng)價(jià)結(jié)果以圖和表的形式輸出。
采用F值評(píng)分法對(duì)地下水進(jìn)行評(píng)價(jià),選取了11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo) :總硬度 、Cl-、SO2-4、NO-3、TDS 、Fe、Cu、Zn、Se、Cr6+、F-等作為評(píng)價(jià)因子[5-6]。
依據(jù)我國地下水質(zhì)量現(xiàn)狀、人體健康基準(zhǔn)值及地下水質(zhì)量保護(hù)目標(biāo),參照GB/T 14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》將地下水質(zhì)量劃分為5類:
Ⅰ類:主要反映地下水化學(xué)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(xué)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(zhǔn)值為依據(jù)。主要適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水。
Ⅳ類:以農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水要求為依據(jù)。除適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)用水外,適當(dāng)處理后可作生活飲用水。
Ⅴ類:不宜飲用,其他用水可根據(jù)使用目的選用。
表1中數(shù)值反映出研究區(qū)地下水評(píng)價(jià)結(jié)果。
表1 地下水質(zhì)量F值評(píng)分法評(píng)價(jià)結(jié)果
評(píng)價(jià)結(jié)果分析:F值評(píng)分法的評(píng)價(jià)結(jié)果中只有2號(hào)井的水質(zhì)級(jí)別為Ⅳ類,其余為Ⅴ類。由此可以看出,涇惠渠灌區(qū)地下水質(zhì)量普遍較差。
PDA與3S集成技術(shù)被引入到傳統(tǒng)的地下水水質(zhì)調(diào)查工作中,經(jīng)實(shí)際工作驗(yàn)證,具有優(yōu)越性和可行性。野外調(diào)查系統(tǒng)大大節(jié)省了工作量,提高了定位精度,提高了工作效率;內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)的管理提供了很好的平臺(tái);與地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)模型相結(jié)合的評(píng)價(jià)系統(tǒng)能方便、快捷、高效地進(jìn)行評(píng)價(jià),提高了評(píng)價(jià)的可靠度,并且可以把評(píng)價(jià)結(jié)果用圖、表形式直觀地表達(dá)出來。
建議采用以集成多種現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐的地下水水質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)模型,取代傳統(tǒng)的以手工為主的分散式的工作方法,為地下水水化學(xué)分析、地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)、地下水承載力研究、地下水污染研究等工作提供基礎(chǔ)保障。如何把時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型引入這一工作領(lǐng)域,建立時(shí)間序列數(shù)據(jù),建立基于GIS的地下水水化學(xué)組分預(yù)測(cè)和地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)模型,是進(jìn)行研究的下一個(gè)目標(biāo)。筆者相信信息技術(shù)在地下水水資源評(píng)價(jià)與保護(hù)中將具有更廣闊的應(yīng)用前景。
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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(xiàng)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(xué)工作。E-mail:zyzhangy@chd.edu.cn
2009-03-17 編輯:高渭文)