地下水監(jiān)測模擬與系統(tǒng)應用平臺思路探討

劉劍達

(河北省承德水文水資源勘測局， 河北 承德 067000)

地下水監(jiān)測模擬與系統(tǒng)應用平臺思路探討

劉劍達

(河北省承德水文水資源勘測局， 河北 承德 067000)

本文闡述了國內外關于地下水監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，強調采用先進的三維可視化以及數(shù)值模擬等高新技術，以承德市地下水監(jiān)測模擬系統(tǒng)平臺為研究目標，開展地下水系統(tǒng)模擬與應用系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)地下水體及含水層空間結構的多維描述和清晰透視，以仿真的形式再現(xiàn)地下水位和降落漏斗的動態(tài)變化，實現(xiàn)區(qū)域地下水資源快速分析、計算和評價，最大限度地增強含水層空間分析和地下水資源評價的準確性，為地下水管理向動態(tài)管理、精細管理和可視化管理提供支撐。

地下水； 監(jiān)測模擬； 系統(tǒng)應用； 承德市

地下水監(jiān)測是水文工作的重要內容，是一項長期的基礎性、公益性事業(yè)。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展、水資源大規(guī)模的開發(fā)利用和管理需求的不斷提高，全國地下水監(jiān)測管理工作已逐步走向正規(guī)化、規(guī)范化的軌道，在工農業(yè)生產、城鎮(zhèn)供水、環(huán)境保護以及抗旱減災過程中發(fā)揮了積極的作用。

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，地下水的長期不合理開發(fā)利用以及人類活動對自然環(huán)境影響的加劇，引發(fā)了地下水位下降、河道斷流趨勢加重、湖泊濕地萎縮、泉水干涸、海水入侵、水質污染等一系列生態(tài)環(huán)境問題。地下水監(jiān)測是認識和掌握地下水動態(tài)變化特征、分析評價地下水資源、制定合理開發(fā)利用與有效保護措施、減輕和防治地下水污染及其相關生態(tài)環(huán)境等問題的重要基礎。

1 國內外研究現(xiàn)狀

地下水監(jiān)測是獲得第一手水文地質信息的有效手段，在地下水管理中具有不可替代的作用[1]。在國外，地下水監(jiān)測從監(jiān)測的目的上來考慮，如歐洲一些國家主要是從規(guī)劃管理長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括基站、水量、水質等要素[2]；美國主要是地下水數(shù)據(jù)貯存與檢索系統(tǒng)開發(fā)，建立地下水數(shù)據(jù)庫[3]；美國的 Brigham Young University 環(huán)境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程實驗工作站綜合開發(fā)的地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Modeling System)，用于地下水模擬的圖形界面軟件，大大簡化了建模模擬過程[4]?？偠灾?，在西方發(fā)達國家，地下水監(jiān)測系統(tǒng)研究比較早，相應的監(jiān)測規(guī)范比較完善，能更好全面地對地下水開發(fā)利用與保護形成一個完整的體系。

在國內，我國環(huán)境保護部門對地下水監(jiān)測工作起步相對較晚，還沒有形成較完整的地下水環(huán)境監(jiān)測體系，而且大多的監(jiān)測井主要以地下水源地監(jiān)測為主[5]。比如，王寧濤等[6]建立福建龍巖市馬坑鐵礦礦區(qū)地下水監(jiān)測與預警系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的提取與分析功能；李瑞[7]利用圖形用戶界面開發(fā)地下水模擬系統(tǒng)，并集成了徑向基函數(shù)配點法和有限元法來計算地下水模型問題。隨著計算技術發(fā)展，監(jiān)測模擬模型得到廣泛應用，目前被廣泛應用于地下水和地表水的水量、水質模擬和預測。

2 基本概況

承德地處河北省東北部，位于華北和東北兩個地區(qū)的連接過渡地帶，境內有灤河、潮河、遼河、大凌河四大水系，地表水資源量為18.74億m3[8]，地下水資源量為17.1億m3，年降雨量為402.3～882.6mm，降雨分布具有干濕界限分明的季節(jié)變化特點，是京津唐的重要水源地。承德屬季風氣候區(qū)，風向的變化具有明顯的季節(jié)性，年平均氣溫的分布是由北向南增高，7月最熱，8月溫度開始下降，1月最冷。

3 地下水應用監(jiān)測系統(tǒng)平臺思路

地下水系統(tǒng)模擬與開發(fā)主要建設內容包括：數(shù)據(jù)庫建設、地下水模型建設、業(yè)務應用系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)集成。地下水系統(tǒng)模擬總體框架如圖1所示。

圖1 地下水系統(tǒng)模擬總體框架

3.1 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫用于統(tǒng)一存儲、管理典型區(qū)域地下水相關各類數(shù)據(jù)，根據(jù)項目實際需要，新建地理空間數(shù)據(jù)庫、地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、地下水模型成果數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)庫。地下水管理數(shù)據(jù)庫建設內容如圖2所示。

圖2 地下水管理數(shù)據(jù)庫建設內容

3.2 地下水模型

根據(jù)河北省地區(qū)地質構造與地下水分布情況，建立承德地區(qū)地下水數(shù)值模擬模型，模擬現(xiàn)狀年地下水流場情況，評價分析區(qū)域地下水資源量，并運用該模型預測不同環(huán)境下地下水位的動態(tài)變化趨勢，為業(yè)務應用系統(tǒng)的建設提供決策支持。

3.2.1 水文地質概念模型

合理概化區(qū)域水文地質條件，包括含水層實際的邊界模型、內部結構、滲透性質、水力特征和補給、排泄條件等，建立水文地質概念模型，為建立地下水流數(shù)值模擬模型提供依據(jù)。

3.2.2 數(shù)值模型建立和參數(shù)率定

在水文地質概念模型基礎上，運用地下水模型軟件GMS建立模擬區(qū)地下水流數(shù)值模型，通過流場和典型觀測孔水位過程線的擬合，識別水文地質條件和參數(shù)，分析區(qū)域內地下水均衡狀況。

3.2.3 模型應用

利用地下水數(shù)值模型，評價模擬區(qū)地下水補給資源量、可開采資源量，計算給定地下水開發(fā)利用條件下地下水流場和水位變化趨勢。

3.3 業(yè)務應用系統(tǒng)開發(fā)

業(yè)務應用系統(tǒng)是實現(xiàn)地下水體及其賦存環(huán)境的三維空間可視化透視，以多維的方式集中展現(xiàn)地下水各類監(jiān)測信息、模擬信息、預測決策信息等，并對所生成的三維地表環(huán)境、鉆孔和地質體進行動態(tài)分析和評價，以仿真形式從多角度預測各種變化環(huán)境條件下地下水流場和降落漏斗的時空動態(tài)變化過程，實現(xiàn)任意區(qū)域的地下水資源快速分析計算。承德地區(qū)地下水業(yè)務系統(tǒng)開發(fā)主要是從地質結構管理、地下水位管理和地下水資源動態(tài)評價3部分探討。

3.3.1 地質結構管理

建立承德地區(qū)三維地質結構系統(tǒng)，重現(xiàn)平原區(qū)淺層水含水層的地層界面、屬性、走向和地質體的空間形態(tài)和組合關系。通過地質結構三維可視化與分析系統(tǒng)的建立以及強大的可視化功能的體現(xiàn)，將地質體及其形態(tài)構造直觀展現(xiàn)在決策者和管理人員的面前，最大限度地增強地質分析的直觀性和準確性，提高對難以想象的復雜地質條件的理解和判別,減少對地下水含水層結構認識的盲目性和抽象性。

3.3.2 地下水位管理

基于三維地質結構，利用地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立地下水模型,以仿真的形式從多維角度再現(xiàn)現(xiàn)狀條件下地下水位情況，預測變化環(huán)境條件下地下水位、降落漏斗的時空動態(tài)變化，實現(xiàn)地下水各類空間要素的屬性查詢和分析評價，以及地下水流場可視化和評價結果的圖像表達和屏幕輸出。

3.3.3 地下水資源動態(tài)評價

基于三維地質和三維地下水流場的可視化構建和表達，實現(xiàn)現(xiàn)狀及變化環(huán)境條件下的區(qū)域地下水資源量的查詢和評價。結合三維地下水滲流系統(tǒng)中各條件下地下水流場的變化，計算區(qū)域地下水資源量，包括地下水總資源量、可開采量、開采量、總補給量、排泄量、蓄變量、超采量等，實現(xiàn)地下水開采強度、地下水位變幅等的查詢和統(tǒng)計分析，具體評價分析結果見下表。

承德市地下水開采資源保證程度表

3.4 數(shù)據(jù)庫、地下水模型與業(yè)務應用系統(tǒng)集成

地下水三維仿真模擬系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫、地下水模型與業(yè)務應用系統(tǒng)三個相對獨立的部分，其中業(yè)務應用系統(tǒng)中的地質結構管理模塊、地下水位管理模塊中的地下水監(jiān)測井和現(xiàn)狀水位展示可以直接訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而地下水位管理模塊中的變化環(huán)境下水位展示以及地下水資源動態(tài)評價模塊需要與地下水模型進行耦合，通過模型運算生成模擬結果，為模塊提供數(shù)據(jù)支持；業(yè)務應用系統(tǒng)與模型之間通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)與模型數(shù)據(jù)接口如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)與模型數(shù)據(jù)接口框圖

4 結 語

加強地下水監(jiān)測模擬是貫徹落實黨和國家重要治水思路，加強水生態(tài)文明建設，保障國家水安全的戰(zhàn)略性、基礎性、長期性工作。結合河北省現(xiàn)有地下水分布與開發(fā)形式，建立比較完整的承德市地下水監(jiān)測站網(wǎng)，實現(xiàn)對地下水動態(tài)的有效監(jiān)測，以及對大型平原、盆地及巖溶山區(qū)地下水動態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控和地下水監(jiān)測點的實時監(jiān)控；為各部門和社會提供及時、準確、全面的地下水動態(tài)信息，滿足科學研究和社會公眾對地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置、科學管理地下水資源，保護生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質服務，為水資源可持續(xù)利用和國家重大戰(zhàn)略決策提供基礎支撐，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 戴長雷，遲寶明，林嵐,等.基于GIS的地下水監(jiān)測管理信息系統(tǒng)(GMSMIS)分析與設計[J].遙感技術與應用，2005,20(6)：625-629.

[2] 楊建青，章樹安，陳喜,等.國內外地下水監(jiān)測技術與管理比較研究[J].2013,33(3)：18-24.

[3] 陳夢熊,馬鳳山.中國地下水資源與環(huán)境[M].北京：地震出版社,2002.

[4] 魏明海，劉偉江，白福高,等.國內外地下水環(huán)境監(jiān)測工作研究進展[J].環(huán)境保護科學，2016,42(5)：15-18.

[5] 周東，楊忠山，楊建青,等.地下水模擬與預測一體化平臺構建[J].水文，2009,29(6)：40-45.

[6] 王寧濤,譚建民,閆舉生，等.礦區(qū)地下水監(jiān)測與預警系統(tǒng)研究——以福建省龍巖市馬坑鐵礦為例[J].安全與環(huán)境工程，2011,18(1)：95-100.

[7] 李瑞.基于MATLAB的地下水模擬系統(tǒng)開發(fā)研究[D].大連：遼寧師范大學，2014.

[8] 袁杰，張向宇，張曉紅.承德地區(qū)地下水分布特征即動態(tài)變化趨勢分析[J].地下水，2013,35(4)：88-89.

Discussion on groundwater monitoring simulation and system application platform thinking

LIU Jianda

(HebeiChengdeHydrologicalWaterResourcesSurveyBureau,Chengde067000,China)

In the paper, the research status of groundwater monitoring system at home and abroad is described. It is emphasized that advanced 3D visualization, numerical simulation and other high-tech techniques are adopted. Chengde groundwater monitoring situation system platform is regarded as the research object for groundwater system simulation and application systems development, thereby realizing multi-dimensional description and clear presentation of groundwater and aquifer space structure. Groundwater level and depression cone dynamic changes are reproduced in the form of simulation, thereby realizing quick analysis, calculation and evaluation of groundwater resources in the area, and maximally enhancing the accuracy of aquifer space analysis and groundwater resources evaluation. Support can be provided for groundwater dynamic management, refined management and visual management.

groundwater; monitoring simulation; system application; Chengde

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.08.009

TV211.2

A

2096-0131(2017)08- 0029- 04