基于ArcGIS的巖石隧道水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理與建模

閻 一 瀾

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

0 引言

隧道工程在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)[1]?？茖W(xué)的不斷發(fā)展對(duì)水文數(shù)據(jù)的管理提出了越來越高的要求。如果數(shù)據(jù)雜亂無章，則會(huì)對(duì)工程造成不利影響。因此，制定數(shù)據(jù)的統(tǒng)一描述標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。在巖土工程領(lǐng)域，相關(guān)國(guó)際組織已經(jīng)發(fā)布了一些規(guī)范，這些規(guī)范為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化提供了良好的指導(dǎo)，但它們尚未涵蓋隧道水文地質(zhì)方面，因此需要進(jìn)一步修訂和完善。GIS可以為工程中的實(shí)時(shí)信息采集和決策分析提供有效的工作平臺(tái)[2]。將經(jīng)過規(guī)范化的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS，有利于水文地質(zhì)模型的建立和水文數(shù)據(jù)的分析。

1 巖石隧道水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

1.1 分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)

由于軟件開發(fā)商不同，各公司會(huì)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)格式和命名規(guī)則來實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)管理目的，給信息共享帶來了困難，這就需要一套統(tǒng)一的分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)工作應(yīng)遵循可擴(kuò)展性原則，確保所需信息可以成功導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[2]。各類要素都使用數(shù)字進(jìn)行編碼，沒有下級(jí)文件的代碼填充為“0”。元素編碼結(jié)構(gòu)如表1所示，按它們的從屬關(guān)系順序分為一級(jí)分類、二級(jí)分類、三級(jí)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(jié)構(gòu)

表2 巖石隧道水文地質(zhì)信息分類和編碼

1.2 數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)交換通常需要在多個(gè)軟件之間進(jìn)行，即數(shù)據(jù)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(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換方法，規(guī)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(zhì)數(shù)據(jù)可分為文本數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)以及多媒體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表包括以下部分：數(shù)據(jù)組名稱、標(biāo)題字段、字段狀態(tài)、字段單位、字段類型和數(shù)據(jù)主體。字段狀態(tài)包含三種類型：KEY(#)，REQUIRED(R)，OTHER(O)。KEY字段數(shù)據(jù)組必須包含標(biāo)有#的字段，并且該字段的值不能重復(fù)。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(shù)據(jù)表格為例，說明了字段存儲(chǔ)方法。

表3 鉆孔數(shù)據(jù)表

2 隧道水文地質(zhì)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(zhì)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后將這些規(guī)范化的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS中以建立完整的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。將DWG文件轉(zhuǎn)換為Shapefile格式時(shí)，ArcGIS會(huì)根據(jù)實(shí)體類型讀取數(shù)據(jù)，并將每個(gè)DWG實(shí)體轉(zhuǎn)換為要素類，包括點(diǎn)、線、多邊形、文本注記、多面體等。利用ArcGIS中的識(shí)別工具，點(diǎn)擊查看窗口中的各種要素，系統(tǒng)會(huì)彈出該要素的屬性記錄框。點(diǎn)元素通常指鉆孔、泉點(diǎn)、水文監(jiān)測(cè)站等；線元素包括隧道線路、水文地質(zhì)界線、等高線等；面元素是指居民區(qū)、水源保護(hù)區(qū)、水庫(kù)等。

2.2 三維建模

三維水文地質(zhì)建模是一種利用計(jì)算機(jī)科學(xué)將虛擬三維環(huán)境中的空間信息管理、空間預(yù)測(cè)和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)工具結(jié)合起來進(jìn)行水文分析的技術(shù)。在隧道工程中，地下水是影響隧道施工安全、工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素[4]。因此，建立隧址區(qū)的三維水文地質(zhì)模型對(duì)于涌水位置和涌水量的評(píng)估具有重要意義。具體步驟如下：

1)把研究區(qū)的衛(wèi)星影像圖加入ArcGIS中，把生成的等高線設(shè)置為20 m間距。

2)將隧道水文地質(zhì)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(diǎn)，并為這些點(diǎn)添加空間坐標(biāo)系以獲得它們的三維坐標(biāo)，這樣就得到了代表地表水位的大量點(diǎn)元素。

3)對(duì)上述離散點(diǎn)進(jìn)行克里金插值，得到一個(gè)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(diǎn)的地下水位估計(jì)值，然后用實(shí)測(cè)的地下水位值減去估計(jì)的水位值以得到誤差。接下來，以鉆孔和泉點(diǎn)實(shí)際空間位置的X和Y坐標(biāo)作為新的X和Y坐標(biāo)，以誤差值為Z坐標(biāo)來創(chuàng)建新的點(diǎn)要素。對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)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(jì)算器，疊加?xùn)鸥?和柵格2，得到修正后的地下水位柵格圖。將其導(dǎo)入ArcScene并進(jìn)行拉伸，就生成了最終的地下水位三維效果圖。

3 實(shí)際案例研究

3.1 云南老營(yíng)隧道概況

寶山至瀘水高速公路位于云南省西北部，老營(yíng)特長(zhǎng)隧道是該高速公路上的一個(gè)控制工程，跨越多個(gè)區(qū)域斷層。隧道周圍有較多飲用水源。由于隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，所以需要對(duì)隧址區(qū)進(jìn)行特殊的水文地質(zhì)調(diào)查，以評(píng)估地表水和地下水的影響。

3.2 空間分析

數(shù)字高程模型簡(jiǎn)稱為DEM，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)對(duì)地面上的地形進(jìn)行數(shù)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(jié)提到的方法。在提取河流和等高線的交點(diǎn)之后，操作人員可以查看屬性表中交點(diǎn)的三維坐標(biāo)?？死锝鸩逯敌Ｕ脑敿?xì)數(shù)據(jù)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(shí)別工具點(diǎn)擊任意空間點(diǎn)，可查看該點(diǎn)的地下水位值。

表4 克里金插值校正結(jié)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(zhuǎn)換為三維，然后把“輸入表面”設(shè)置為“柵格3”。點(diǎn)擊3D Analyst工具條上的剖面圖標(biāo)按鈕，ArcGIS會(huì)沿隧道線路生成地下水位剖面線，如圖2所示。橫坐標(biāo)表示隧道里程，縱坐標(biāo)表示高程。由圖2可知，隧道東側(cè)的含水情況較為復(fù)雜。在隧道施工過程中，應(yīng)采取相應(yīng)的防排水措施，例如：在初期支護(hù)背后埋設(shè)盲管引排，在型鋼間留置排水槽等等。

4 結(jié)論與展望

通過分析可以得出以下結(jié)論：1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化可使數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的格式進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用，確保工程管理更加高效有序;2)GIS作為一個(gè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，可以為工程數(shù)據(jù)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(jìn)一步研究與改進(jìn)的方面，筆者建議：1)巖石隧道水文地質(zhì)數(shù)據(jù)的分類編碼有待進(jìn)一步完善，以加強(qiáng)數(shù)字化管理;2)在隧道工程的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而不僅僅局限于一個(gè)特定的階段;3)結(jié)合云GIS服務(wù)，有效利用地理空間信息，并采用相應(yīng)的智能控制手段，實(shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享。