GW－Base地下水管理系統(tǒng)軟件的應用

魏曉燕，張保祥，李旺林

(1.濟南大學資源與環(huán)境學院，山東濟南250022;2.山東省水利科學研究院，山東濟南250013)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。近些年，我國在保護地表水方面做了很多工作，但對地下水的保護關注不夠，局部地區(qū)地下水超采嚴重，并導致地下水水位持續(xù)下降，引起地面沉降、生態(tài)退化、地下水污染等問題［1－2］。為了防止地下水過度開采和污染，及時掌握和了解地下水動態(tài)變化過程及趨勢，建立統(tǒng)一、完整的地下水監(jiān)測管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。

我國地下水監(jiān)測經(jīng)歷了20世紀50至60年代的起步階段、70年代初至80年代的快速發(fā)展階段、90年代的積極探索階段及進入21世紀的穩(wěn)步提高階段［3］，積累至今已獲得大量的水物理及水化學基礎資料。地下水監(jiān)測只是了解掌握地下水動態(tài)的第一步，面對豐富的地下水數(shù)據(jù)，地下水信息管理系統(tǒng)設計［4－5］是必不可少的。

隨著計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術和網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，地下水信息管理系統(tǒng)主要經(jīng)歷了文件管理階段(19世紀60年代之前)、數(shù)據(jù)庫管理階段(19世紀60年代末期至21世紀)以及21世紀的網(wǎng)絡管理階段。為了使信息管理技術取得長遠的發(fā)展，國內(nèi)外一些水文機構改進了以往基于GIS的地下水信息管理系統(tǒng)方法。山西?。?］(2010年)、山東省(2012年)等地將德國GW－Base地下水信息管理系統(tǒng)軟件運用在當?shù)氐叵滤當?shù)據(jù)管理中。借助該軟件及地下水自動監(jiān)測設備，能夠提高區(qū)域地下水信息采集、傳輸?shù)臅r效性和自動化水平［7］，實現(xiàn)監(jiān)測與信息管理一體化。

1 GW－Base簡介

1.1 GW－Base的開發(fā)歷史

GW－Base地下水管理系統(tǒng)軟件是德國Ribeka公司研制出的一個專門設計用來幫助監(jiān)測人員管理分析地下水數(shù)據(jù)的工具，該軟件能夠完成地下水數(shù)據(jù)的收集、傳輸、整理、入庫、查詢、提取以及通過這些數(shù)據(jù)對監(jiān)測區(qū)的水資源進行評價，實現(xiàn)監(jiān)測和分析的有效結合。Ribeka公司自1995年成立以來主要開發(fā)研制地表水和地下水管理軟件，2007年GW－Base 7.0引進中國市場，2011年已將GW－Base軟件升級至GW－Base 8.0版本，該版本有英文、德文、中文三種界面，并且包含了多個擴展模塊，使地下水資料的分析展示更加靈活化、多樣化。

1.2 GW －Base的特點

基于MIS(管理信息系統(tǒng))+GIS的地下水管理系統(tǒng)只是做到對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行簡單的匯總、統(tǒng)計和呈現(xiàn)，并不能對數(shù)據(jù)中的有效信息進行充分的挖掘和利用。GW－Base軟件在形式上也采用了MIS+GIS的結構，但是經(jīng)多年研究形成了處理地下水數(shù)據(jù)的一系列數(shù)學模型，借助這些數(shù)學模型，所獲得的地下水的監(jiān)測數(shù)據(jù)才能發(fā)揮其最大價值。另外，GW－Base軟件不僅可以管理地下水水物理和水化學信息，同時還可以管理研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)信息以及監(jiān)測井信息等，提供了地下水資源管理的新形式，提高了水資源信息管理的完整性。

2 GW－Base在地下水數(shù)據(jù)管理中的應用

GW－Base具有專業(yè)的數(shù)據(jù)庫模型，可以安全、有效地監(jiān)控地下水;GW－Base具有清晰的結構布局，監(jiān)測人員能夠較快的掌握數(shù)據(jù)結構并對其進行分析。本文以肥城盆地地下水數(shù)據(jù)管理為例，詳細介紹GW－Base軟件的功能、用途和實際應用等。

肥城盆地位于魯中南山區(qū)、泰山西麓，是獨立地質(zhì)構造單元，具有獨立的補給與排泄系統(tǒng)。目前，深層地下水已成為肥城盆地范圍內(nèi)最主要的供水水源，為了及時掌握和了解該區(qū)域地下水動態(tài)變化過程及趨勢，建立統(tǒng)一、完整的地下水管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。

2.1 數(shù)據(jù)管理

(1)數(shù)據(jù)管理

GW－Base軟件能夠管理的數(shù)據(jù)包括:水位數(shù)據(jù)、地形及地質(zhì)數(shù)據(jù)、取樣和分析數(shù)據(jù)、地圖和文件等，每一項又包括多個子項目，詳見表1。還可以按需求查看、刪減數(shù)據(jù)。

表1 GW－Base軟件管理數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

(2)數(shù)據(jù)輸入

將匯總得到的肥城盆地地下水水位數(shù)據(jù)、地形及地質(zhì)數(shù)據(jù)、取樣和分析數(shù)據(jù)等制成Excel、TXT或ASCII文件(csv文件)，導入GW－Base軟件，也可以手動輸入。

(3)數(shù)據(jù)查詢

通過GW－Base軟件提供的復雜數(shù)據(jù)的查詢功能，可以查詢地下水水位、埋深、取樣和分析結果等。另外，方便監(jiān)測人員查詢到地下水水位低于某一定數(shù)的值，或某一時刻所有的監(jiān)測值，或利用閾值工具進行在單一參數(shù)以及組合參數(shù)之間查詢，例如，查詢肥城盆地所有采集到的樣品中的硝酸鹽濃度在5.0 mg/L之下并且硫酸鹽濃度在150 mg/L之下時監(jiān)測井編號及監(jiān)測時間。除此之外，所有查詢結果能夠以Excel文件或報告形式輸出。

(4)數(shù)據(jù)輸出與報告生成

GW－Base軟件具有輸出功能，以Excel文件形式輸出之前輸入的水位及取樣分析等數(shù)據(jù)，或者直接輸出到GW－web中，也可以輸出GW－Bas軟件識別的mdb格式文件。另外，為了方便定期提交報告，可以創(chuàng)建、修改和管理GW－Base報告模板，完成報告并打印輸出。

2.2 采樣管理

通過使用取樣日歷，可以對未來肥城盆地地下水采樣的任務和日期有著明確規(guī)劃，簡化了大量數(shù)據(jù)分析、取樣、實驗、研究項目及日期的管理的工作，用Excel表格將需要分析的數(shù)據(jù)發(fā)送到實驗室，實驗室返回的數(shù)據(jù)可直接導入到GW－Base數(shù)據(jù)庫中。

3 GW－Base生成圖像解釋

GW－Base可以提供多種圖形評估和展示地下水數(shù)據(jù)的工具，這些工具可以根據(jù)客戶需要對圖層進行定制，并自動生成時間序列圖、等值線圖、柱形圖、餅狀圖、堆疊圖、水化學圖、水文地質(zhì)剖面圖等。監(jiān)測人員可以直接將結果以圖形(BMP、EMF、WMF)或者PDF文件的形式輸出，并增加成圖相關信息如編號、制圖、標題等。

(1)時間序列圖

利用GW－Base系統(tǒng)軟件可以繪制肥城盆地地下水水位及各水化學某元素濃度的時間序列圖表，并且自動計算和匯總參數(shù)并設定監(jiān)測標準值。如圖1所示，即表示肥城盆地內(nèi)省級監(jiān)測井S－33A從1980年到2012年的地下水埋深變化情況。

圖1 時間序列圖

(2)等值線圖

GW－Base系統(tǒng)也可以根據(jù)水位、埋深、降雨、水溫和各種水化學指標等創(chuàng)建肥城盆地

地下水等值線圖，可選擇的插值方法有克里格插值法、反距離加權插值法和線性插值法。能夠直接生成被ArcGIS等軟件識別的SHAPE格式圖元件，便于后期的圖形處理加工。圖2表示1995年3月1號選用克里格插值法做出的肥城盆地地下水位等值線圖。

(3)柱形圖、餅狀圖

GW－Base系統(tǒng)可以提取肥城盆地內(nèi)某一時刻的地下水中某一元素或某些元素的濃度，用柱形圖或餅狀圖表示。圖3(a)、(b)分別用柱形圖、餅狀圖表示2011年10月1號肥城盆地內(nèi)7個省級監(jiān)測井監(jiān)測得到的地下水中鈣(Ca)、氯(Cl)及硫酸鹽(SO4)濃度。

圖2 地下水位等值線圖

圖3 (a) 地下水水質(zhì)柱形圖

圖3 (b) 地下水水質(zhì)餅狀圖

(4)堆疊圖

堆疊圖是時間序列圖與柱形圖合并后的復合圖，表示某一眼井在某個時段內(nèi)某一項或某幾項化學元素的濃度變化。圖4表示從1999年9月1號至2011年10月1號省級監(jiān)測井S－33A地下水中鈣、氯及硫酸鹽的濃度變化情況。圖中堆疊圖每一元素的高度代表該元素在這一時刻的濃度，堆疊圖的總高度是各元素濃度的總和，從圖中可以看出某一時刻樣品中鈣、氯及硫酸鹽的濃度總和與各自濃度，以及從1999年至2011年每一元素的濃度變化情況。

(5)水化學圖

GW－Base也有類似于AquaChem軟件的功能，可以利用Piper三線圖判斷地下水水質(zhì)變化，圖中可以表示地下水中陽離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)與陰離子(Cl－、HCO3－、SO42－、NO3－)的百分比含量。圖5表示肥城盆地2011年10月1號省級監(jiān)測井S－33A、S－61A和S－110A監(jiān)測所得的水化學圖。

(6)水文地質(zhì)剖面圖

水文地質(zhì)剖面圖是反映某一地段在一定垂直深度內(nèi)水文地質(zhì)條件的圖件。它主要反映含水層的埋藏與分布，地下水位及地下水的補給、徑流、排泄情況，地下水化學類型及其垂向變化等。GW－Base軟件可以根據(jù)已錄入擴展模塊GW－Bore數(shù)據(jù)庫中的地質(zhì)信息，自定義連接監(jiān)測井的剖面線，自動繪制水文地質(zhì)剖面圖。

圖4 地下水水質(zhì)堆疊圖

圖5 地下水水化學圖

4 GW－Base擴展模塊

GW－Base有多個擴展模塊，其主要功能與用途詳見表2。借助這些擴展模塊，能夠使得研究區(qū)地下水資料的分析展示更加靈活化、形象化。以GW－Bore模塊在肥城盆地中的應用，介紹該軟件的主要功能。

表2 GW－Base地下水管理系統(tǒng)擴展模塊一覽表

借助GW－Bore模塊將肥城盆地內(nèi)收集到的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和技術參數(shù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，用來管理盆地內(nèi)的鉆孔和成井數(shù)據(jù)。肥城盆地內(nèi)收集到的69個生產(chǎn)井柱狀圖可以存儲在GWBore建立的一個項目中，由生產(chǎn)井的點坐標確定各個生產(chǎn)井的位置分布并繪制肥城盆地剖面圖及生產(chǎn)井柱狀圖。繪制的生產(chǎn)井柱狀圖如圖6所示，圖中顯示生產(chǎn)井P－62A所在區(qū)域的水文地質(zhì)信息(水井地質(zhì)剖面、地質(zhì)年代、靜水位、含水層位置及取樣點位置等)及鉆孔信息(鉆孔深度、開孔及終孔直徑、井壁管直徑、套管位置、回填情況等)。

圖6 GW－Bore鉆孔柱狀圖示意圖

5 結語

肥城盆地地下水監(jiān)測管理信息系統(tǒng)是建立在地下水信息數(shù)據(jù)庫基礎之上的，利用GW－Base地下水管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)地下水信息的存儲、管理、查詢、分析和輸出等。GW－Base地下水管理系統(tǒng)軟件簡單易學，可以同時管理地下水水物理、水化學信息、地形地質(zhì)信息以及監(jiān)測井信息等，能夠提高水利部門的工作效率和水資源信息管理的完整性。GW－Base可以輸出多種格式的文件，與ArcGIS、Arcmap等軟件相結合，更加靈活地分析展示地下水信息。

GW－Base所具有的諸多功能和特點，決定了該軟件能夠廣泛應用于水利部門、環(huán)保部門、自來水公司、垃圾填埋場等與地下水相關機構的地下水數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、分析和管理。結合ArcGIS軟件使系統(tǒng)搭建覆蓋整個研究區(qū)域的水務一體化管理信息系統(tǒng)平臺，為動態(tài)及時掌握區(qū)域水資源及其開發(fā)利用總體狀況提供了準確的依據(jù)，為實行最嚴格水資源管理制度提供了技術保障。

［1］吳麗英.地下水資源管理中存在的問題及解決方法［J］.地下水，2011，5，33(3):26 －27.

［2］羅蘭.我國地下水污染現(xiàn)狀與防治對策研究［J］.中國地質(zhì)大學學報(社會科學版)，2008，3，8(02):72 －75.

［3］王愛平，楊建青，楊桂蓮等.我國地下水監(jiān)測現(xiàn)狀分析與展望［J］.水文，2010，12.30(6):53 －56.

［4］柳華武，齊 晶.區(qū)域地下水信息管理系統(tǒng)設計初探［J］.地下水，2010，7，32(4):97 －98.

［5］彭九敏.承德市城市水資源實時監(jiān)控和管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.電子科技大學，2012.

［6］曹小虎，崔軍明，趙艷鋒.德國GW－Base地下水管理系統(tǒng)的應用研究［J］.水利信息化，2010，5:50 －52.

［7］田景宏，許立燕.地下水資源監(jiān)測分析管理技術［J］.中國水利，2007(22):69.