HGA在地下水數(shù)據(jù)管理中的應用研究
——以肥城市為例

，保祥，吉圣，

(1.濟南大學，山東 濟南 250022；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013；3.山東省肥城市水資源辦公室，山東 肥城 271600)

水資源短缺和環(huán)境污染問題受到全社會的高度關(guān)注，而地下水對于經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要性也日益凸顯。在以往的水資源管理階段，往往只關(guān)注“看得見”的地表水，卻常常忽視“看不見”的地下水給人們帶來的災難。局部地區(qū)地下水超采嚴重，引起地面沉降、地面塌陷和地裂縫；地下水位持續(xù)下降導致海(咸)水入侵、濕地退化、水生生物消亡以及地下水污染等問題[1-2]。為了更好的保護和利用地下水，監(jiān)管地下水動態(tài)變化過程，進一步作出地下水資源評價，采用專門的地下水管理軟件對地下水數(shù)據(jù)進行管理是十分必要的。

地下水監(jiān)測經(jīng)常伴隨著大量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，由于各種客觀原因的限制，采集取樣時各種原始記錄不同、數(shù)據(jù)來源方式的不同，各單位的數(shù)據(jù)保管方式不同，電子資料和紙質(zhì)資料并存，各種類型以及不同年份的資料混雜，這無形之中對后期數(shù)據(jù)的整理及處理帶來諸多麻煩，將耗費大量的人力時間。

20世紀60年代之前，主要是單純的紙質(zhì)文件管理；20世紀60年代末期至21世紀初期，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，主要使用電子數(shù)據(jù)文件管理；21世紀至今，主要是數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡云管理階段[3]。從20世紀50年代，我國開始進行地下水監(jiān)測，至今地下水監(jiān)測工作進入穩(wěn)步提高階段，監(jiān)測站網(wǎng)密度穩(wěn)步提高，基于信息化開發(fā)了地下水監(jiān)測信息服務系統(tǒng)[4]。傳統(tǒng)的地下水信息管理方式僅僅是將紙質(zhì)的信息記錄轉(zhuǎn)變成為電子文件存放，并沒有伴隨著先進技術(shù)的進步而應用到實際工作中去。國外對于生態(tài)環(huán)境的重視以及版權(quán)意識往往也催生出更加方便、高效、快捷的軟件及應用，大大節(jié)省了人力，對地下水信息科學管理起到了促進作用[5]。曹小虎基于德國RIbeka公司的GW-Base軟件，結(jié)合GIS，二次開發(fā)出山西省地下水信息管理系統(tǒng)[6]，Jo o Paulo Lobo-Ferreira通過HGA構(gòu)建了葡萄牙Torres Vedras地區(qū)的主要水文地質(zhì)剖面圖，確立了三個主要含水層[7]；孫佳瑋等利用HGA構(gòu)建了大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)，為當?shù)氐叵滤芾硖峁?shù)據(jù)和技術(shù)支持[8]。

過去的地下水管理方式僅僅是水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的簡單收集、整理、編輯等基礎的操作。簡單的人工操作并不能清晰、直觀的展示地下水數(shù)據(jù)的狀態(tài)及其特性，計算機的飛速發(fā)展以及各種軟件的開發(fā)，為方便、高效地對地下水管理提供了可能。本次研究利用HGA對肥城市地下水各項數(shù)據(jù)進行整合分類，形成一個完整的肥城市地下水信息管理系統(tǒng)，為今后肥城市地下水資源管理提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 HGA概況

水文地質(zhì)分析軟件Hydro Geoanalyst(簡稱HGA)，是加拿大斯倫貝榭水務公司(Schlumberger Water Services)公司開發(fā)的一款專門用于地下水數(shù)據(jù)管理及三維可視化的軟件。HGA作為一個專業(yè)的地下水信息管理軟件，有關(guān)地下水的信息都能錄入，也可根據(jù)實際情況人為增減基本的數(shù)據(jù)項，基于MS-SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，快捷編譯檢索，并且可利用地質(zhì)信息進行三維可視化，為相關(guān)工作人員提供更方便的視角去了解研究區(qū)[9]。其專業(yè)性的功能可以適用于現(xiàn)場技術(shù)人員、數(shù)據(jù)管理人員、地質(zhì)學家、水文地質(zhì)學家、地質(zhì)化學家、地下水建模者以及政府報告等，具有相對較大的受用面。自2008年發(fā)布以來已升級到2016.1版本，目前北水國際公司已將HGA引入中國，提供軟件購買及相應的培訓服務。

1.1 HGA的特點及主要模塊構(gòu)成

在我國現(xiàn)行的地下水信息管理工作中，往往測得的數(shù)據(jù)收集整理之后只是簡單地制表分類存儲在硬盤里，某種程度上方便了查閱，但與過去文件式的管理無差別?；贛icrosoft SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)，結(jié)合GIS，HGA經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，功能不斷強大，界面更加美觀，性能持續(xù)優(yōu)化，已日臻成熟，不僅能提供數(shù)據(jù)存儲，而且能根據(jù)所填充的數(shù)據(jù)提供相應的模塊并有針對性的生成各類圖表，將文字、數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖表數(shù)據(jù)，深度挖掘了數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系及所包含的信息，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化。

根據(jù)功能不同，HGA的模塊大致可以分為三類：

(1)數(shù)據(jù)存儲與管理模塊：站點(Station Group)、查詢(Queries)；(2)數(shù)據(jù)可視化模塊：時間序列圖(Time Series Plots)、鉆孔文件(Well Profile)、地圖工程(Map Project)、剖面圖(Cross-Section)、場景圖(Scenes)、報告編輯器(Report Editor Reports)、文檔報告(Office Report)；⑶輔助模塊：模板編輯器(Template manager)：用來定義數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)所獲取的研究區(qū)數(shù)據(jù)進行調(diào)整；快速檢查(quick checker)：對被導入的數(shù)據(jù)進行快速的驗證，不符合要求的數(shù)據(jù)給出紅色嘆號的警告；巖性規(guī)范(material specification)：提供了多種巖性的示例，并可自主創(chuàng)建編輯新的巖性示例；備忘錄(Event Planning)：用來記錄各種事件或制定計劃；導入數(shù)據(jù)模板設計器(EDD Template Designer)：設計快速導入模板；三維插值(3D Interpolation)：可進行三維羽狀物的定義及生成。

1.2 HGA與其他軟件的交互性

Schlumberger作為專門從事與地下水資源和環(huán)境有關(guān)的計算軟件與硬件開發(fā)和技術(shù)咨詢工作的國際化公司，研發(fā)了包含地下水流及溶質(zhì)運移模擬軟件Visual ModFlow、抽水試驗數(shù)據(jù)解譯軟件AquiferTest、地下水水化學分析軟件AquaChem在內(nèi)的幾十款水文地質(zhì)專業(yè)軟件及多種地下水自動監(jiān)測設備。借助于WHS(Waterloo Hydrogeologic Software)的統(tǒng)一標準，這些軟件之間可以靈活地互相轉(zhuǎn)換利用數(shù)據(jù)，具有良好的交互性，來進行數(shù)據(jù)管理、分析以及可視化。

HGA可以利用各種不同的數(shù)據(jù)形式，通用性及兼容性都較好。某些軟件可用的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單調(diào)整即可方便快捷導入HGA里使用；HGA通過對導入的數(shù)據(jù)進行處理之后也可供其他軟件使用。例如，AquaChem可利用HGA中的水化學信息和水質(zhì)信息來進行繪圖、統(tǒng)計計算及分析；HGA中井及水位信息的界面內(nèi)直接調(diào)用Aquifer Test，將此分組的數(shù)據(jù)資料在Aquifer Test中打開進行含水層的分析，分析后計算得出的導水系數(shù)、釋水系數(shù)也可保存在HGA的數(shù)據(jù)庫中；一些關(guān)鍵性的參數(shù)數(shù)據(jù)可以從HGA中導出，運用在Visual MODFLOW中，HGA中生成的橫截面數(shù)據(jù)可直接導入用于模型網(wǎng)格的創(chuàng)建等。HGA在地圖工程中，可導入由ArcGIS生成的shape文件來進行地圖編輯，同時通過作圖生成的文件也可導入ArcGIS中進行編輯。

HGA工作流程見圖1。

圖1 HGA工作流程

2 HGA數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、導入及分類

HGA支持多種管理項的數(shù)據(jù)輸入，并提供可擴展性，同時支持多種文件類型的數(shù)據(jù)導入，例如excel表格、圖片、zip_hga壓縮文件、LAS文件及Diver自動監(jiān)測設備所產(chǎn)生的文件。

2.1 數(shù)據(jù)輸入

2.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在基于HGA創(chuàng)建的肥城市地下水信息管理系統(tǒng)中，所有的地下水數(shù)據(jù)都依托于二維地理坐標點存儲，每個點的數(shù)據(jù)目錄下都包含有9大類數(shù)據(jù)，導入數(shù)據(jù)時可根據(jù)研究區(qū)實際所取得的資料有選擇性的進行導入。另外，軟件本身也提供了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的修改及可定制，利用模板編輯器即可編輯數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)。表1為該系統(tǒng)默認支持導入的數(shù)據(jù)類型。

除了以上列舉的管理數(shù)據(jù)項之外，也可根據(jù)實際需要添加或刪除數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來自定義數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模板，滿足實際工作需要。

2.1.2 導入方法

HGA共有三種導入數(shù)據(jù)的方法：(1)通過站點數(shù)據(jù)列表單個逐項地完成所有數(shù)據(jù)的輸入；(2)借助于先進的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Data Transfer System)，將數(shù)據(jù)分類，按照格式要求整理好數(shù)據(jù)，選擇導入的數(shù)據(jù)應該存儲在的位置，匹配各項信息，即可完成導入。另外，可根據(jù)用戶自己的需要，可以創(chuàng)建信的數(shù)據(jù)庫模板或者是在現(xiàn)有的模板之上改進或完善，以滿足實際工作需求。(3)傳統(tǒng)的導入方法，使得每一類數(shù)據(jù)都需要有單獨的文件導入，若數(shù)據(jù)種類較多，導入過程需重復多次，費時費力。也可運用EDD Template Designer工具，高速、有效地導入研究區(qū)的數(shù)據(jù)。首先根據(jù)研究區(qū)實際取得資料生成本次工作的數(shù)據(jù)模板，將各類數(shù)據(jù)寫入模板，利用Quick Checker驗證數(shù)據(jù)是否有效，生成壓縮文件，整體導入HGA中[10]。這樣僅需要一次即可把所有數(shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)庫，也不需要再進行數(shù)據(jù)的匹配與位置的選擇等步驟，簡化了數(shù)據(jù)導入繁瑣的過程，提高了工作效率。

表1 地下水信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所支持數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)分類

完成導入數(shù)據(jù)之后，在站點列表(Station Group)里，所有點及數(shù)據(jù)就保存在這個模塊也就是該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，這是所有工作完成的基礎，在此之后就需要有目的的將數(shù)據(jù)篩選分類并保存結(jié)果，在后續(xù)的數(shù)據(jù)可視化中會用到。

這種分類查詢是通過Queries模塊來實現(xiàn)的。通過Microsoft SQL Server專業(yè)數(shù)據(jù)庫語句，結(jié)合邏輯表達式和運算符，進行限定條件來篩選出符合條件的站點并自動成為一組目錄生成在檢索菜單下，這樣就可以對數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)進行有效管理和快速檢索。需要查閱時僅需點擊該條目錄，即可顯示出限制符合條件的站點及相應數(shù)據(jù)。

3 HGA在肥城市地下水信息管理中的應用

肥城市隸屬山東省泰安市，地處山東中部、泰山西麓，全境南北縱距最長48.0 km，東西橫距最寬37.5 km，總面積1277.3 km2。地形基本趨勢是東高西低、北高南低，由東北向西南傾斜，中部隆起。北部形成以肥城盆地為特征的康匯平原，南部形成以大汶口盆地為特征的汶陽平原。肥城市屬華北型沉降構(gòu)造，區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖基底上沉積了淺海相、海陸交互及陸相地層，有前震旦系泰山群、寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系、第四系等。境內(nèi)主要有第四系孔隙水含水巖組、石炭系灰?guī)r及巖溶裂隙水含水巖組、寒武系和奧陶系巖溶裂隙水含水巖組、前震旦系泰山群花崗片麻巖裂隙水含水巖組。

本次研究中，Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎，通過GIS依托于二維地理坐標點將相應的地下水數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，該研究主要收集整理了肥城市地下水位、地下水質(zhì)、鉆孔柱狀圖等資料。其中水位資料均以埋深表達，水質(zhì)檢驗報告主要檢測項包括pH、TDS、電導率、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-、NO3-、NO2-、NH4+高錳酸鹽指數(shù)、總硬度等。

在HGA中，不同的模塊提供了不同的圖件評估和展示地下水數(shù)據(jù)的工具，這些工具可以根據(jù)用戶需要對所生成圖表進行編輯，并簡便地生成時間序列圖、鉆孔柱狀圖、地貌圖、水文地質(zhì)剖面圖、等值線圖以及三維污染羽等。在任一模塊中，均包含有導出項，可以將所得到的圖件以圖片(jpg或bmp)、表格或演示文稿等形式導出，并在系統(tǒng)內(nèi)部集成了多種報告模板，使用時僅需選定模板，即可輸出為相應的格式。同時，允許用戶自定義模板，生成自定制報告界面。

3.1 時間序列圖

利用HGA軟件可以繪制肥城市地下水水位及各水化學某離子濃度的時間序列圖表。如圖2所示，即表示肥城市某省級監(jiān)測井從1980-2012年的地下水埋深變化情況。

圖2 肥城市某省級監(jiān)測井地下水位埋深時間序列圖

3.2 鉆孔柱狀圖及水文地質(zhì)剖面圖

根據(jù)導入的鉆孔土壤取樣數(shù)據(jù)和井壁管長度及直徑生成鉆孔柱狀圖，如圖3所示為肥城市某公司水源井柱狀圖，刻度表示以井口為0，重力方向為正。在查詢里篩選出所有鉆孔資料，在地圖管理其中將鉆孔數(shù)據(jù)導入地圖，定義水文地質(zhì)剖面線。在此剖面線上的多個鉆孔柱狀圖組合即可生成水文地質(zhì)剖面圖(圖4)，此水文地質(zhì)剖面包括了不同深度7個鉆孔信息。以每個剖面圖相同的鉆孔作為連接點，就像拼圖一樣，多條水文地質(zhì)剖面圖組合，可以得到水文地質(zhì)剖面三維視圖(圖5)，并可在其中加入鉆孔、地圖、污染羽等數(shù)據(jù)。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、排泄情況及其垂向變化等[11]。

圖3 典型鉆孔剖面圖

圖4 水文地質(zhì)剖面圖

圖5 水文地質(zhì)三維剖面圖

3.3 等值線圖

HGA可根據(jù)地表高程、水位、埋深和各種離子濃度等指標創(chuàng)建各類等值線圖，可選擇的插值方法有反距離加權(quán)插值法、自然臨界法和克里金插值法。能夠直接生成被ArcGIS軟件識別的Shape格式圖文件，便于后期的圖形處理加工。

4 結(jié)語

HGA由于其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多樣化和多模塊化的設計，可以滿足地下水資源管理、礦產(chǎn)行業(yè)、環(huán)境地質(zhì)、地下水建模以及氣象研究等行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的使用需求，對數(shù)據(jù)進行有效的管理。

基于HGA地下水資源數(shù)據(jù)管理軟件，整合了肥城市地下水相關(guān)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了肥城市地下水數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)地下水數(shù)據(jù)的存儲、管理、維護、查詢、分析以及可視化等功能，功能全面，集成度高，為未來的更高密度的地下水監(jiān)測工作提供了支撐平臺。解決了以往工作時數(shù)據(jù)存放雜亂、獲取困難、管理不規(guī)范和利用效率低等問題，對水資源信息管理時的不足之處提出了解決方法，可以有效的提高相關(guān)從業(yè)人員在地下水管理過程中的工作效率，簡化了工作流程。

在該系統(tǒng)中，能夠根據(jù)所導入數(shù)據(jù)，結(jié)合MS-SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提供了多種圖表的繪制和數(shù)據(jù)展示的工具。能夠方便、快捷地生成地下水水位及水質(zhì)的時間序列圖、等值線圖，展示了其動態(tài)變化規(guī)律和空間分布特征；也可快速、精確地生成鉆孔剖面圖，尤其是生成水文地質(zhì)剖面圖及其三維視圖更為方便，為從業(yè)人員了解研究區(qū)水文地質(zhì)條件、補給徑流條件提供了更準確的視角。該系統(tǒng)的構(gòu)建以及應用，能為地下水資源評價、科學管理及環(huán)境地質(zhì)問題的研究和污染防治提供科學依據(jù)，并最終為實施最嚴格水資源管理提供信息平臺和技術(shù)支撐。

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