基于Surfer的聊城市地下水埋深分析及對策建議

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、氣候變化等因素導(dǎo)致的地下水埋深變化,對生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生著深遠影響。

近年來,地下水埋深研究在技術(shù)手段、監(jiān)測方法和應(yīng)用領(lǐng)域方面都有了重要進展。傳統(tǒng)的地下水埋深監(jiān)測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、耗時費力等問題?，F(xiàn)在,隨著無線網(wǎng)絡(luò)、智能傳感器等技術(shù)的應(yīng)用,自動化、遠程遙測的地下水埋深監(jiān)測系統(tǒng)逐漸成為主流,這些系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸和遠程管理,提高了監(jiān)測效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。基于數(shù)學(xué)模型的地下水埋深研究也取得了一定進展。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間變化規(guī)律,有效地解決一些難以實驗觀測的問題[1-2]。同時,結(jié)合人工智能技術(shù),可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測地下水埋深的變化趨勢,在水資源管理、環(huán)境保護、城市規(guī)劃、災(zāi)害防控等多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

因此,及時、準(zhǔn)確地進行地下水埋深分析,對于研究地下水埋深的變化趨勢和規(guī)律,推動地下水資源管理和保護、預(yù)防地下水災(zāi)害、維護生態(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點數(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較少,且未見有通過3D模型來展示的案例。文章運用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、直觀的視覺效果,以期為地下水資源管護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、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砂、粉細砂層,細砂、粉細砂厚度大、顆粒粗、含水性強、分布穩(wěn)定,是儲存潛水-微承壓水的主要層位[3]?！?021年度聊城市水資源公報》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)濟和人口增長以及氣候變化等因素的影響,聊城市地下水資源面臨過度開采、水位下降、環(huán)境污染等一些挑戰(zhàn)和問題。因此,準(zhǔn)確科學(xué)的地下水研究分析對于了解地下水的流動、儲存和量質(zhì)轉(zhuǎn)變的復(fù)雜水文過程,幫助確定潛在的過度開發(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,分析評估農(nóng)業(yè)或工業(yè)等潛在的污染源對公眾健康構(gòu)成的風(fēng)險方面作用明顯,而這些分析結(jié)果對于精準(zhǔn)制定、實施地下水資源管護策略,規(guī)劃保護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)進行分析,監(jiān)測站點分布見圖1。

圖1 聊城市地下水監(jiān)測站點

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,將聊城市地下水監(jiān)測點位的經(jīng)度、緯度和地下水埋深數(shù)值輸入文件,各數(shù)據(jù)之間用一個空格隔開,待用。

2)制作GRD格式文件,打開Surfer15軟件,通過“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)對話框時,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,并借鑒梁鑫等,馬寶成等研究的情況后,選用克里金法對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化操作,在設(shè)置好生產(chǎn)文件后點擊“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”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”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”、“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)實際情況更改流向箭頭的密度。

經(jīng)過以上步驟形成帶有地下水流場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”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”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效果,與傳統(tǒng)的二維(2D)地圖相比,能更準(zhǔn)確的識別、展示地下水位的形狀和深度,為了解地下水系統(tǒng)的行為提供有價值的信息,同時可以用顏色編碼或陰影來表示地下水的埋深,使之易于解釋數(shù)據(jù)。

通過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)致地面沉降等問題的具體區(qū)域,或者實施地下水補給效果更佳的區(qū)域。同時,加強科學(xué)家、水利工程師和公眾之間的交流,促進對地下水資源管理戰(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,三維曲面圖的表達程度將會更高。三維曲面圖使“平躺”的地下水埋深數(shù)據(jù)“站起來”,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

4.1 對策建議

地下水超采漏斗區(qū)的形成一般與地下水資源過度開采、地表水等補給不足、過度采礦等人類活動引起的地下水流動受阻有關(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)境是一個復(fù)雜而長期的過程,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,加強地下水資源調(diào)查和監(jiān)測,及時掌握地下水埋深變化情況,采取有效的管理和控制措施,限制過度開采和浪費,確保地下水資源可持續(xù)利用。

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

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

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

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

6)制定監(jiān)督計劃,跟蹤地下水保護措施和修復(fù)技術(shù)的效果,確保地下水資源恢復(fù)管理計劃達到既定目標(biāo)。同時,通過滾動式的水文評估,及時掌握補充地下水供應(yīng)、恢復(fù)地下水生態(tài)的程度,并適時優(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)進行高效的處理和分析,并可通過可視化技術(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,使得研究人員更容易理解和分析數(shù)據(jù)。同時,軟件具有地圖、圖片、動畫等多種輸出格式,方便用戶進行結(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、資源評價等多個領(lǐng)域,并可與ArcGIS、AutoCAD等進行集成,進一步豐富了地下水埋深分析的可能性和功能,有利于推動學(xué)術(shù)交流合作、學(xué)科交叉創(chuàng)新發(fā)展。同時,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,能夠為地下水的管理和保護提供有效的技術(shù)支持,為防治地下水災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù),促進地下水資源的健康利用和高質(zhì)量發(fā)展。

隨著時代的發(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實踐。