基于GIS數(shù)據(jù)的地下水位異常自動預(yù)警研究

摘要：文章利用GIS數(shù)據(jù)加載帶有高程信息的地下水位點數(shù)據(jù)，使用ArcGIS的3D Analyst工具構(gòu)建地下水位空間三角網(wǎng)。引進摩爾-庫侖破壞準則通過求解力或力矩的平衡方程，計算地下水所在巖土體的穩(wěn)定性系數(shù)，以此為依據(jù)建立地下水所在地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性模型。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性模型計算地下水位安全系數(shù)，結(jié)合終端觀測與記錄的數(shù)值對其異常變化進行自動預(yù)警。對比實驗結(jié)果表明，該設(shè)計方法可以實現(xiàn)對地下水異?，F(xiàn)象的連續(xù)自動預(yù)警，實際應(yīng)用效果好。

關(guān)鍵詞：GIS數(shù)據(jù)；穩(wěn)定性模型；預(yù)警方法；異常；地下水位；自動

中圖分類號：TV147 "文獻標志碼：A

0 引言

地下水位異常自動預(yù)警研究是一個涉及水文地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測、信息技術(shù)等多個領(lǐng)域的交叉學(xué)科課題。隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，地下水資源的可持續(xù)管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。地下水位的異常波動不僅影響農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水和城市供水，還可能導(dǎo)致地面沉降、水質(zhì)惡化和生態(tài)系統(tǒng)失衡等一系列環(huán)境問題。在過去的幾十年里，地下水資源的過度開采和不合理利用已經(jīng)引起了社會廣泛關(guān)注。一些地區(qū)的地下水位持續(xù)下降，形成了大面積的地下水降落漏斗，嚴重威脅到了區(qū)域水安全和生態(tài)平衡。同時，極端氣候事件如干旱和洪水頻發(fā)，也對地下水位造成了劇烈波動，增加了地下水管理的復(fù)雜性。因此，開發(fā)一種能夠?qū)崟r監(jiān)測地下水位變化并自動發(fā)出預(yù)警的系統(tǒng)顯得尤為重要。

袁維等［1］通過“反演-評估-融合-預(yù)警”四步式流程，有效利用了多源數(shù)據(jù)對滑坡體進行力學(xué)參數(shù)反演。此外，該方法還通過熵權(quán)值構(gòu)建了反演目標函數(shù)，構(gòu)建了基于地質(zhì)和力學(xué)基礎(chǔ)的預(yù)警模型，提高了滑坡監(jiān)測預(yù)警的可靠性。但在該方法的推廣過程中發(fā)現(xiàn)，此方法僅適用于小范圍預(yù)警，如規(guī)模較大，則可能出現(xiàn)預(yù)警結(jié)果與實際結(jié)果偏差的問題。楊飛等［2］通過深入分析防洪特征水位與雨量的關(guān)系，利用水位變化和雨量變化數(shù)據(jù)，反推演出水位-雨量的關(guān)系模型，并據(jù)此確定雨量閾值?；陂撝禈?gòu)建了防洪預(yù)警監(jiān)控體系，能夠有效度量水文站的水文變化特征，推算出防洪預(yù)警水位。但不同水庫的地理、氣象、水文條件差異較大，該方法在推廣應(yīng)用時須要針對具體情況進行調(diào)整和優(yōu)化。

為實現(xiàn)對此方面內(nèi)容在研究中的深化，解決地質(zhì)差異問題對地下水異常預(yù)警造成的負面干擾，本文將以GIS數(shù)據(jù)為支撐，對地下水位異常自動預(yù)警方法展開設(shè)計研究，以此種方式實現(xiàn)對異常現(xiàn)象的及時感知。

1 基于GIS數(shù)據(jù)的地下水位空間三角網(wǎng)構(gòu)建

為實現(xiàn)對地下水位異?，F(xiàn)象的自動預(yù)警，引進地理信息系統(tǒng)中的GIS數(shù)據(jù)，在此過程中，須要先利用GIS數(shù)據(jù)加載帶有高程信息的地下水位點數(shù)據(jù)，使用ArcGIS的3D Analyst工具中的“創(chuàng)建TIN”功能，設(shè)置輸入數(shù)據(jù)、輸出路徑和高程字段，使用Delaunay三角測量法與插值方法生成TIN，對于空間三角網(wǎng)中的每個三角形，如果頂點按逆時針編號依次為1、2、3，則其面積可以通過向量叉積公式計算［3］。公式如下。

S=12a×b（1）

公式中，S表示地下水位空間三角網(wǎng)中三角形的面積；a、b表示三角形2個邊的向量表達方式。若需要計算空間三角網(wǎng)中某個三角形與特定水位面高程所圍成的體積（三角形在水位面以下的體積），須將其劃分為3種情況，如三角形全部在水位面以上，三角形與水位面的體積為“0”；如三角形三點全部在水位面以下，此時體積按三棱柱計算。公式如下。

V=S×（H-h）（2）

公式中，V表示三角形在水平面上的投影面積；H表示特定水位面高程；h表示三角形3個頂點中高程最小的值。如三角形部分在水位面以上，部分在水位面以下，須要參照公式（2），細分三角形或采用積分方法計算［4］。按照上述方式，完成GIS數(shù)據(jù)的地下水位空間三角網(wǎng)構(gòu)建，在此過程中，考慮到地下水位的變化可能隨時間而變化，因此構(gòu)建的三角網(wǎng)須定期更新參數(shù)。

2 地下水所在地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性模型建立

完成上述內(nèi)容的設(shè)計后，利用構(gòu)建的地下水位空間三角網(wǎng)，建立地下水所在地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性模型［5-6］。在此過程中，應(yīng)當先進行地下水所在地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，包括地層巖性、斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造的識別，明確地下水的賦存狀態(tài)、流動規(guī)律、水位動態(tài)特性。在明確地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用達西定律，根據(jù)地下水流動系數(shù)，建立如下計算公式所示的地下水流動模型。

q=-kΔV·cΔL（3）

公式中，q表示地下水流動模型；k表示單位時間通過單位面積的流量（達西速度）；Δc表示滲透系數(shù)；ΔL表示水頭差。對于潛在滑坡或邊坡穩(wěn)定性，可以使用極限平衡法進行分析。在此過程中，引進摩爾-庫侖破壞準則，通過求解力或力矩的平衡方程，計算地下水所在巖土體的穩(wěn)定性系數(shù)。計算公式如下。

F=K1K2（4）

公式中，F(xiàn)表示地下水所在巖土體的穩(wěn)定性系數(shù)；K1表示抗滑力；K2表示下滑力。完成上述計算后，應(yīng)明確地面沉降通常與地下水開采引起的土層壓縮有關(guān)，因此，在考慮土層壓縮性和地下水流動等情況的基礎(chǔ)上，按照下述公式，建立地下水所在地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性模型。

Δs=∑q·α（i）·β1+e（5）

公式中，Δs表示地下水所在地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性模型；α表示總沉降量；i表示第i層土；β表示地下水位變化量；e表示土層初始孔隙比。按照上述方式，完成本章內(nèi)容的設(shè)計。

3 基于地下水位安全系數(shù)的地下水位異常變化自動預(yù)警

根據(jù)構(gòu)建的穩(wěn)定性模型，計算地下水位安全系數(shù)，以此評估當前地下水位是否處于安全范圍內(nèi)。計算中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)參數(shù)以及人為活動的影響程度，按照下述公式，對其進行計算。

G=Δs（A-A0）A0-Amin（6）

公式中，G表示地下水位安全系數(shù)；A表示安全水位閾值；A0表示當前地下水位；Amin表示最低允許水位。完成上述計算后，對其結(jié)果進行量化，根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和工程要求設(shè)定的一個安全水位上限、實時或近期觀測到的地下水位，根據(jù)終端觀測與記錄的數(shù)值，計算地下水位在一段時間內(nèi)的變化率，計算公式如下。

B=A0-G·A1Δt（7）

公式中，B表示地下水位在一段時間內(nèi)的變化率；G表示地下水位安全系數(shù)；A1表示前一時間點地下水位；Δt表示時間間隔。如果計算出的變化率超過了設(shè)定的預(yù)警閾值，則觸發(fā)預(yù)警，按照上述方式，完成基于GIS數(shù)據(jù)的地下水位異常自動預(yù)警方法設(shè)計。地下水位異常自動預(yù)警等級劃分結(jié)果如表1所示。

在表1中，變化率區(qū)間表示地下水位相對于前一監(jiān)測周期的變化百分比。正變化率表示地下水位上升，負變化率表示地下水位下降。預(yù)警等級的設(shè)定旨在根據(jù)變化率的幅度來區(qū)分不同程度的關(guān)注和響應(yīng)需求。

低級預(yù)警：適用于地下水位小幅波動的情況，可能由自然因素引起，須要持續(xù)監(jiān)測但不須立即采取行動。

中級預(yù)警：適用于地下水位明顯波動的情況，可能由人類活動或氣候變化引起，須要提高警惕并準備應(yīng)對措施。

高級預(yù)警：適用于地下水位劇烈波動的情況，可能預(yù)示著地下水資源的嚴重問題，須要緊急響應(yīng)和干預(yù)。

緊急預(yù)警：適用于地下水位極端波動的情況，可能對水資源和生態(tài)環(huán)境造成災(zāi)難性影響，須要立即采取行動以減輕后果。

4 對比實驗

為實現(xiàn)對自動預(yù)警方法應(yīng)用效果的檢驗，選擇某地區(qū)作為試點，近年來，試點地區(qū)受全球氣候變化影響，降雨量顯著增加，為地下水資源的恢復(fù)提供了有利條件。自2021年起，該地區(qū)年降雨量連續(xù)突破歷史高位，2022年達到了850 mm，而2023年更是攀升至900mm，創(chuàng)下了近幾十年來降雨量的新高。充沛的降雨有效補充了地下水資源，使得淺層與深層地下水水位均出現(xiàn)了不同程度的回升。對該地區(qū)的地下水近況進行分析，如表2所示。

據(jù)統(tǒng)計，2021—2023年淺層地下水水位平均回升了約2 m，而深層地下水水位也呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢，累計回升超過1 m。特別是2023年，淺層地下水水位較上一年度上升了1 m，顯示出降雨對地下水位的顯著正面影響。同時，隨著地下水位的回升，部分長期監(jiān)測井已出現(xiàn)水位異常現(xiàn)象。

在深入地區(qū)水資源管理部分的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)在地下水異常預(yù)警方面存在顯著不足。目前，地區(qū)地下水監(jiān)測站點數(shù)量有限，每萬km2僅設(shè)有約20個監(jiān)測點，遠低于標準密度，導(dǎo)致部分區(qū)域地下水位的微小變化難以被及時捕捉。此外，數(shù)據(jù)更新周期較長，部分監(jiān)測井的數(shù)據(jù)更新頻率僅為每季度一次，無法準確反映地下水位在短期內(nèi)的快速變化。

針對此方面問題，引進袁維等［1］提出的監(jiān)測預(yù)警方法、楊飛等［2］提出的基于防洪特征水位的預(yù)警方法，將其作為對照。

在已知此地區(qū)地下水位存在異常的前提下，應(yīng)用本文方法與對照方法，進行地下水位異常的預(yù)警，預(yù)警結(jié)果如圖1所示。

預(yù)警值超過1.0時，表明地下水位存在明顯異常，此時預(yù)警信息將反饋給有關(guān)管理單位；預(yù)警值lt;1.0，說明地下水位未達到異常，不觸發(fā)終端預(yù)警。

以此為依據(jù)，對圖1所示的內(nèi)容進行分析，3種方法中，只有本文方法可以實現(xiàn)對地下水位異?，F(xiàn)象的連續(xù)預(yù)警，袁維等［1］方法的預(yù)警值一直lt;1.0，未觸發(fā)預(yù)警；楊飛等［2］方法僅觸發(fā)一次預(yù)警，與實際情況存在偏差。

綜合上述內(nèi)容可以證明，本文設(shè)計的基于GIS數(shù)據(jù)的地下水位異常自動預(yù)警方法應(yīng)用效果良好，可以在應(yīng)用中實現(xiàn)對地下水位異常區(qū)域的連續(xù)預(yù)警，能為地下水資源的科學(xué)管理提供技術(shù)指導(dǎo)與支持。

為了進一步測試本文方法的預(yù)警性能，以預(yù)警響應(yīng)時間為指標，將本文方法與袁維等［1］方法、楊飛等［2］方法進行對比測試。3種方法的預(yù)警響應(yīng)時間結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，本文方法在所有連續(xù)測試點中的預(yù)警響應(yīng)時間均控制在5 s以內(nèi)，而袁維等［1］方法和楊飛等［2］方法的響應(yīng)時間明顯更長，分別為14.3～18.8 s和18.9～23.2 s。這表明本文方法能夠更快地檢測到地下水位異常并發(fā)出預(yù)警。本文方法在10次連續(xù)測試中的響應(yīng)時間表現(xiàn)出較高的一致性和穩(wěn)定性，波動范圍較?。?.2～4.9 s），而袁維等［1］方法和楊飛等［2］方法的響應(yīng)時間波動較大，顯示出較低的穩(wěn)定性和一致性。

5 結(jié)語

現(xiàn)有的地下水位監(jiān)測方法存在監(jiān)測點少、數(shù)據(jù)更新慢、預(yù)警滯后等不足，難以滿足現(xiàn)代水資源管理的需求。而GIS技術(shù)具有較強的數(shù)據(jù)綜合處理能力，為地下水位監(jiān)測與預(yù)警提供了新的解決方案。通過GIS技術(shù)，可以實現(xiàn)對地下水位數(shù)據(jù)的實時采集、空間分析和可視化展示，及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警地下水位異常變化，為水資源管理部門提供科學(xué)決策依據(jù)。為此，本文引進GIS數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建地下水位空間三角網(wǎng)、建立地下水所在地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性模型、地下水位安全系數(shù)計算，開展了地下水位異常自動預(yù)警方法的設(shè)計研究。旨在通過此次設(shè)計，自動觸發(fā)預(yù)警機制，及時將預(yù)警信息傳遞給相關(guān)部門和人員，以便迅速采取措施，防止事態(tài)擴大。從而保障水資源安全、促進水資源可持續(xù)利用，實現(xiàn)水資源的科學(xué)管理。

參考文獻

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（編輯 沈 強）

Research on automatic early warning of groundwater level anomalies based on GIS data

JIE" Junyan

（Marine Geological Survey of Jiangsu Province， Nanjing 210007， China）

Abstract：" This article uses GIS data to load groundwater level point data with elevation information， and constructs a groundwater level spatial triangulation using ArcGIS’s 3D Analyst tool. By introducing the Mohr Coulomb failure criterion and solving the equilibrium equation of force or moment， the stability coefficient of the rock and soil mass where groundwater is located is calculated， and based on this， a geological environment stability model for groundwater is established. Calculate the safety factor of groundwater level based on the geological environment stability model， and automatically warn of abnormal changes by combining terminal observations and recorded values. The comparative experimental results show that the design method can achieve continuous automatic warning of groundwater anomalies， and the practical application effect is good.

Key words： GIS data; stability model; warning methods; abnormal; groundwater level; automatic