基于Surfer的聊城市地下水埋深分析及對(duì)策建議

陳成勇,鄭 蕾,姜明新,楊緒超

(聊城市水文中心,山東 聊城 252000)

0 引 言

地下水是重要的水資源之一,被廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市供水等領(lǐng)域。地下水埋深是地下水研究中重要的參數(shù)之一,它直接反映地下水資源的變化情況。人類活動(dòng)、氣候變化等因素導(dǎo)致的地下水埋深變化,對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。

近年來(lái),地下水埋深研究在技術(shù)手段、監(jiān)測(cè)方法和應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了重要進(jìn)展。傳統(tǒng)的地下水埋深監(jiān)測(cè)方法主要是基于人工記錄,存在著數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定、耗時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題?，F(xiàn)在,隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、智能傳感器等技術(shù)的應(yīng)用,自動(dòng)化、遠(yuǎn)程遙測(cè)的地下水埋深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸成為主流,這些系統(tǒng)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程管理,提高了監(jiān)測(cè)效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性?；跀?shù)學(xué)模型的地下水埋深研究也取得了一定進(jìn)展。例如,利用數(shù)值模擬方法,可以模擬地下水埋深的空間分布和時(shí)間變化規(guī)律,有效地解決一些難以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的問(wèn)題[1-2]。同時(shí),結(jié)合人工智能技術(shù),可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地下水埋深的變化趨勢(shì),在水資源管理、環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃、災(zāi)害防控等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

因此,及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行地下水埋深分析,對(duì)于研究地下水埋深的變化趨勢(shì)和規(guī)律,推動(dòng)地下水資源管理和保護(hù)、預(yù)防地下水災(zāi)害、維護(hù)生態(tài)平衡等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。Surfer軟件是一種強(qiáng)大的地球科學(xué)數(shù)據(jù)可視化和分析工具,內(nèi)置的多種插值算法可以將離散的地下水觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的等值線或三維網(wǎng)格模型等形式,直觀地展示地下水埋深的空間分布特征,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化,廣泛應(yīng)用于地下水資源的研究分析。

目前關(guān)于聊城市地下水埋深的研究相對(duì)較少,且未見(jiàn)有通過(guò)3D模型來(lái)展示的案例。文章運(yùn)用Surfer15軟件,選取聊城市境內(nèi)248眼地下水井2022年的平均地下水埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,形成二維平面圖、三維立體圖的研究成果,賦予地下水埋深立體、直觀的視覺(jué)效果,以期為地下水資源管護(hù)策略的制定提供更加科學(xué)的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

聊城市位于山東省西部,地處冀魯豫三省交界處,是黃河下游的重要城市之一,境內(nèi)有黃河、金堤河、徒駭河、馬頰河、漳衛(wèi)河、京杭大運(yùn)河等河流和北方最大的內(nèi)陸湖泊—東昌湖,區(qū)域主要地貌類型為黃河沖積平原,地勢(shì)西南高、東北低。聊城市主要含水巖組為第四系松散巖類孔隙含水巖組,僅在南部黃河北岸零星分布奧陶系裂隙巖溶含水巖組。地下含水層在空間分布上結(jié)構(gòu)復(fù)雜、置疊交錯(cuò)、具有明顯的垂直分帶性,埋深區(qū)間0～30 m,巖性可分為壤土與砂壤土互層和細(xì)砂、粉細(xì)砂層,細(xì)砂、粉細(xì)砂厚度大、顆粒粗、含水性強(qiáng)、分布穩(wěn)定,是儲(chǔ)存潛水-微承壓水的主要層位[3]。《2021年度聊城市水資源公報(bào)》顯示,聊城市水資源總量約為31.9億m3,其中地表水資源量約為15.6億m3,地下水資源與地表水資源不重復(fù)量約為16.3億m3。

然而,隨著城市經(jīng)濟(jì)和人口增長(zhǎng)以及氣候變化等因素的影響,聊城市地下水資源面臨過(guò)度開(kāi)采、水位下降、環(huán)境污染等一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題。因此,準(zhǔn)確科學(xué)的地下水研究分析對(duì)于了解地下水的流動(dòng)、儲(chǔ)存和量質(zhì)轉(zhuǎn)變的復(fù)雜水文過(guò)程,幫助確定潛在的過(guò)度開(kāi)發(fā)區(qū)域,并提供關(guān)于如何可持續(xù)管理地下水資源的信息,分析評(píng)估農(nóng)業(yè)或工業(yè)等潛在的污染源對(duì)公眾健康構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)方面作用明顯,而這些分析結(jié)果對(duì)于精準(zhǔn)制定、實(shí)施地下水資源管護(hù)策略,規(guī)劃保護(hù)公眾健康和確保飲用水供應(yīng)安全的戰(zhàn)略,保障聊城市地下水資源利用的健康有序發(fā)展顯得尤為重要。

本次研究采集2022年聊城市248眼地下水井的平均埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 聊城市地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)

2 結(jié)果輸出

2.1 繪制二維等值線圖

1)建立后綴為“.DAT”格式的數(shù)據(jù)文件,用記事本打開(kāi),將聊城市地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的經(jīng)度、緯度和地下水埋深數(shù)值輸入文件,各數(shù)據(jù)之間用一個(gè)空格隔開(kāi),待用。

2)制作GRD格式文件,打開(kāi)Surfer15軟件,通過(guò)“網(wǎng)格”、“數(shù)據(jù)網(wǎng)格化”添加“DAT”格式的數(shù)據(jù)文件,當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)對(duì)話框時(shí),其中網(wǎng)格線的幾何特征表示X方向、Y 方向區(qū)域底圖的最大外邊界經(jīng)緯度值,建議將基底圖層包含在內(nèi)[4]?？死锝鸩逯捣ń?jīng)常被網(wǎng)格化算法所采用,在分析了Surfer 自帶的12 種插值方法優(yōu)缺點(diǎn),并借鑒梁鑫等,馬寶成等研究的情況后,選用克里金法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化操作,在設(shè)置好生產(chǎn)文件后點(diǎn)擊“確定”按鈕,生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)GRD 格式數(shù)據(jù)文件[5]。

3)在“主頁(yè)”下選擇“等值線圖”,選擇上一步制作的GRD數(shù)據(jù)文件,生成新的二維平面等值線圖。

4)選中上一步生成的二維平面等值線圖,在“主頁(yè)”中選擇“圖層”下的“基底層”按鈕,導(dǎo)入ESRI Shapefile文件格式的聊城市行政區(qū)域基底層,形成復(fù)合等值線圖。

5)生成地下水流向,選擇“主頁(yè)”、“專業(yè)圖”下的“單因素網(wǎng)格矢量圖”,生成流向箭頭,并根據(jù)實(shí)際情況更改流向箭頭的密度。

經(jīng)過(guò)以上步驟形成帶有地下水流場(chǎng)的聊城市地下水埋深等值線圖,并在聊城市中部橫向繪制地下水埋深剖面圖,如圖2所示。

圖2 聊城市地下水埋深等值線圖及剖面圖

2.2 繪制三維曲面等值線圖

在“主頁(yè)”中選擇“3D曲面圖”,選擇已制作好的GRD數(shù)據(jù)文件,生成三維曲面圖。選中生成的三維曲面圖,在“主頁(yè)”中選擇“圖層”下的“基底層”按鈕,導(dǎo)入ESRI Shapefile文件格式的聊城市行政區(qū)域基底層,并疊加之前制作的帶有地下水流場(chǎng)的地下水埋深等值線圖可以形成復(fù)合三維曲面圖。

三維曲面等值線圖在顯示地下水埋深方面優(yōu)勢(shì)明顯,它提供了地下水埋深值在特定區(qū)域內(nèi)變化的直觀表示。三維曲面等值線圖具有清晰的視覺(jué)效果,與傳統(tǒng)的二維(2D)地圖相比,能更準(zhǔn)確的識(shí)別、展示地下水位的形狀和深度,為了解地下水系統(tǒng)的行為提供有價(jià)值的信息,同時(shí)可以用顏色編碼或陰影來(lái)表示地下水的埋深,使之易于解釋數(shù)據(jù)。

通過(guò)提供更精確易懂的地下水埋深表現(xiàn)形式,三維曲面等值線地圖可以幫助水行政主管部門確定地下水取用可能導(dǎo)致地面沉降等問(wèn)題的具體區(qū)域,或者實(shí)施地下水補(bǔ)給效果更佳的區(qū)域。同時(shí),加強(qiáng)科學(xué)家、水利工程師和公眾之間的交流,促進(jìn)對(duì)地下水資源管理戰(zhàn)略的討論。

3 結(jié)果分析

從圖2(a)可以看出在聊城市的西部,地下水埋深等值線的密度較大,表明在此區(qū)域地下水埋深的數(shù)值變化較大,通過(guò)剖面圖2(b)可以看出聊城市的西部區(qū)域地下水埋深大于東部。

Surfer軟件輸出的二維平面圖對(duì)于地下水埋深空間分布及差異化的展示程度不充分,三維曲面圖的表達(dá)程度將會(huì)更高。三維曲面圖使“平躺”的地下水埋深數(shù)據(jù)“站起來(lái)”,顯示聊城市西部的地下水埋深要大于東部縣區(qū),在西部的臨清市、冠縣、莘縣已經(jīng)形成了明顯的地下水超采漏斗區(qū),結(jié)果與馮新華等人的表述一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

4.1 對(duì)策建議

地下水超采漏斗區(qū)的形成一般與地下水資源過(guò)度開(kāi)采、地表水等補(bǔ)給不足、過(guò)度采礦等人類活動(dòng)引起的地下水流動(dòng)受阻有關(guān),修復(fù)地下水超采漏斗區(qū)并恢復(fù)地下水生態(tài)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜而長(zhǎng)期的過(guò)程,需要各方面共同努力,采取綜合性的措施和技術(shù)。

1)合理的利用地下水資源是防止超采漏斗區(qū)形成的關(guān)鍵,同時(shí)也是修復(fù)超采漏斗區(qū)的基礎(chǔ)。需要建立科學(xué)的水資源管理體系,加強(qiáng)地下水資源調(diào)查和監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握地下水埋深變化情況,采取有效的管理和控制措施,限制過(guò)度開(kāi)采和浪費(fèi),確保地下水資源可持續(xù)利用。

2)通過(guò)開(kāi)展水資源調(diào)配、水利工程建設(shè)和保護(hù)水源地等措施優(yōu)化地下水補(bǔ)給,增加地下水的補(bǔ)給量,提高地下水埋深,恢復(fù)和保護(hù)地下水生態(tài)環(huán)境。

3)推廣節(jié)水技術(shù),通過(guò)改進(jìn)灌溉方式,降低灌溉用水量,減少灌溉的頻率和強(qiáng)度,減輕地下水資源的負(fù)擔(dān),恢復(fù)地下水水位。

4)實(shí)施水源置換、雨水收集利用等措施,減輕對(duì)地下水資源的依賴,恢復(fù)地下水資源量。

5)建立地下水生態(tài)修復(fù)體系,通過(guò)建設(shè)回灌池或?qū)嵤┤斯せ毓嗉夹g(shù)進(jìn)行人工補(bǔ)給、植被恢復(fù)、建設(shè)人工濕地等有效的地下水補(bǔ)給和生態(tài)修復(fù)手段,加地下水的補(bǔ)給量,提高地下水埋深,促進(jìn)地下水生態(tài)環(huán)境的修復(fù)和改善。

6)制定監(jiān)督計(jì)劃,跟蹤地下水保護(hù)措施和修復(fù)技術(shù)的效果,確保地下水資源恢復(fù)管理計(jì)劃達(dá)到既定目標(biāo)。同時(shí),通過(guò)滾動(dòng)式的水文評(píng)估,及時(shí)掌握補(bǔ)充地下水供應(yīng)、恢復(fù)地下水生態(tài)的程度,并適時(shí)優(yōu)化修復(fù)措施。

4.2 Surfer軟件的應(yīng)用展望

Surfer內(nèi)置的多種插值算法和處理工具,能夠?qū)Φ叵滤裆顢?shù)據(jù)進(jìn)行高效的處理和分析,并可通過(guò)可視化技術(shù)將地下水埋深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的等高線圖、三維表面圖和色斑圖等形式,更加準(zhǔn)確地揭示地下水埋深的空間分布規(guī)律和變化趨勢(shì),使得研究人員更容易理解和分析數(shù)據(jù)。同時(shí),軟件具有地圖、圖片、動(dòng)畫等多種輸出格式,方便用戶進(jìn)行結(jié)果的展示和分享。

Surfer軟件的應(yīng)用涵蓋了水文地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源評(píng)價(jià)等多個(gè)領(lǐng)域,并可與ArcGIS、AutoCAD等進(jìn)行集成,進(jìn)一步豐富了地下水埋深分析的可能性和功能,有利于推動(dòng)學(xué)術(shù)交流合作、學(xué)科交叉創(chuàng)新發(fā)展。同時(shí),可視化的結(jié)果可以直接用于決策支持系統(tǒng)中,比如水資源配置、地下水污染治理等方面,能夠?yàn)榈叵滤墓芾砗捅Ｗo(hù)提供有效的技術(shù)支持,為防治地下水災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù),促進(jìn)地下水資源的健康利用和高質(zhì)量發(fā)展。

隨著時(shí)代的發(fā)展,Surfer軟件作為地下水埋深研究中的一種工具,在數(shù)據(jù)精度和可靠性、數(shù)據(jù)獲取與處理和模型建立等方面也面臨著一些挑戰(zhàn),但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,地下水埋深研究中數(shù)據(jù)采集和處理的技術(shù)、建模水平等也將不斷提升,這將為Surfer軟件的應(yīng)用提供更加精確和可靠的數(shù)據(jù)支撐,而涉及水文、地質(zhì)、環(huán)境、大數(shù)據(jù)等多個(gè)學(xué)科的交叉應(yīng)用及跨學(xué)科的協(xié)同合作,將成為Surfer軟件在數(shù)字孿生水文、智慧水利建設(shè)領(lǐng)域的有益探索和生動(dòng)實(shí)踐。