劉劍達(dá)

(河北省承德水文水資源勘測(cè)局， 河北 承德 067000)

地下水監(jiān)測(cè)模擬與系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)思路探討

劉劍達(dá)

(河北省承德水文水資源勘測(cè)局， 河北 承德 067000)

本文闡述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)采用先進(jìn)的三維可視化以及數(shù)值模擬等高新技術(shù)，以承德市地下水監(jiān)測(cè)模擬系統(tǒng)平臺(tái)為研究目標(biāo)，開(kāi)展地下水系統(tǒng)模擬與應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)地下水體及含水層空間結(jié)構(gòu)的多維描述和清晰透視，以仿真的形式再現(xiàn)地下水位和降落漏斗的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水資源快速分析、計(jì)算和評(píng)價(jià)，最大限度地增強(qiáng)含水層空間分析和地下水資源評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，為地下水管理向動(dòng)態(tài)管理、精細(xì)管理和可視化管理提供支撐。

地下水； 監(jiān)測(cè)模擬； 系統(tǒng)應(yīng)用； 承德市

地下水監(jiān)測(cè)是水文工作的重要內(nèi)容，是一項(xiàng)長(zhǎng)期的基礎(chǔ)性、公益性事業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、水資源大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用和管理需求的不斷提高，全國(guó)地下水監(jiān)測(cè)管理工作已逐步走向正規(guī)化、規(guī)范化的軌道，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)供水、環(huán)境保護(hù)以及抗旱減災(zāi)過(guò)程中發(fā)揮了積極的作用。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，地下水的長(zhǎng)期不合理開(kāi)發(fā)利用以及人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境影響的加劇，引發(fā)了地下水位下降、河道斷流趨勢(shì)加重、湖泊濕地萎縮、泉水干涸、海水入侵、水質(zhì)污染等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。地下水監(jiān)測(cè)是認(rèn)識(shí)和掌握地下水動(dòng)態(tài)變化特征、分析評(píng)價(jià)地下水資源、制定合理開(kāi)發(fā)利用與有效保護(hù)措施、減輕和防治地下水污染及其相關(guān)生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題的重要基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

地下水監(jiān)測(cè)是獲得第一手水文地質(zhì)信息的有效手段，在地下水管理中具有不可替代的作用[1]。在國(guó)外，地下水監(jiān)測(cè)從監(jiān)測(cè)的目的上來(lái)考慮，如歐洲一些國(guó)家主要是從規(guī)劃管理長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括基站、水量、水質(zhì)等要素[2]；美國(guó)主要是地下水?dāng)?shù)據(jù)貯存與檢索系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，建立地下水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)[3]；美國(guó)的 Brigham Young University 環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程實(shí)驗(yàn)工作站綜合開(kāi)發(fā)的地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Modeling System)，用于地下水模擬的圖形界面軟件，大大簡(jiǎn)化了建模模擬過(guò)程[4]?？偠灾谖鞣桨l(fā)達(dá)國(guó)家，地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究比較早，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)規(guī)范比較完善，能更好全面地對(duì)地下水開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)形成一個(gè)完整的體系。

在國(guó)內(nèi)，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部門(mén)對(duì)地下水監(jiān)測(cè)工作起步相對(duì)較晚，還沒(méi)有形成較完整的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，而且大多的監(jiān)測(cè)井主要以地下水源地監(jiān)測(cè)為主[5]。比如，王寧濤等[6]建立福建龍巖市馬坑鐵礦礦區(qū)地下水監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的提取與分析功能；李瑞[7]利用圖形用戶界面開(kāi)發(fā)地下水模擬系統(tǒng)，并集成了徑向基函數(shù)配點(diǎn)法和有限元法來(lái)計(jì)算地下水模型問(wèn)題。隨著計(jì)算技術(shù)發(fā)展，監(jiān)測(cè)模擬模型得到廣泛應(yīng)用，目前被廣泛應(yīng)用于地下水和地表水的水量、水質(zhì)模擬和預(yù)測(cè)。

2 基本概況

承德地處河北省東北部，位于華北和東北兩個(gè)地區(qū)的連接過(guò)渡地帶，境內(nèi)有灤河、潮河、遼河、大凌河四大水系，地表水資源量為18.74億m3[8]，地下水資源量為17.1億m3，年降雨量為402.3～882.6mm，降雨分布具有干濕界限分明的季節(jié)變化特點(diǎn)，是京津唐的重要水源地。承德屬季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)向的變化具有明顯的季節(jié)性，年平均氣溫的分布是由北向南增高，7月最熱，8月溫度開(kāi)始下降，1月最冷。

3 地下水應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)思路

地下水系統(tǒng)模擬與開(kāi)發(fā)主要建設(shè)內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、地下水模型建設(shè)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)集成。地下水系統(tǒng)模擬總體框架如圖1所示。

圖1 地下水系統(tǒng)模擬總體框架

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)用于統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理典型區(qū)域地下水相關(guān)各類數(shù)據(jù)，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要，新建地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、地下水模型成果數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù)。地下水管理數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)內(nèi)容如圖2所示。

圖2 地下水管理數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)內(nèi)容

3.2 地下水模型

根據(jù)河北省地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與地下水分布情況，建立承德地區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬模型，模擬現(xiàn)狀年地下水流場(chǎng)情況，評(píng)價(jià)分析區(qū)域地下水資源量，并運(yùn)用該模型預(yù)測(cè)不同環(huán)境下地下水位的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)提供決策支持。

3.2.1 水文地質(zhì)概念模型

合理概化區(qū)域水文地質(zhì)條件，包括含水層實(shí)際的邊界模型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滲透性質(zhì)、水力特征和補(bǔ)給、排泄條件等，建立水文地質(zhì)概念模型，為建立地下水流數(shù)值模擬模型提供依據(jù)。

3.2.2 數(shù)值模型建立和參數(shù)率定

在水文地質(zhì)概念模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用地下水模型軟件GMS建立模擬區(qū)地下水流數(shù)值模型，通過(guò)流場(chǎng)和典型觀測(cè)孔水位過(guò)程線的擬合，識(shí)別水文地質(zhì)條件和參數(shù)，分析區(qū)域內(nèi)地下水均衡狀況。

3.2.3 模型應(yīng)用

利用地下水?dāng)?shù)值模型，評(píng)價(jià)模擬區(qū)地下水補(bǔ)給資源量、可開(kāi)采資源量，計(jì)算給定地下水開(kāi)發(fā)利用條件下地下水流場(chǎng)和水位變化趨勢(shì)。

3.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)地下水體及其賦存環(huán)境的三維空間可視化透視，以多維的方式集中展現(xiàn)地下水各類監(jiān)測(cè)信息、模擬信息、預(yù)測(cè)決策信息等，并對(duì)所生成的三維地表環(huán)境、鉆孔和地質(zhì)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和評(píng)價(jià)，以仿真形式從多角度預(yù)測(cè)各種變化環(huán)境條件下地下水流場(chǎng)和降落漏斗的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)任意區(qū)域的地下水資源快速分析計(jì)算。承德地區(qū)地下水業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要是從地質(zhì)結(jié)構(gòu)管理、地下水位管理和地下水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)3部分探討。

3.3.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)管理

建立承德地區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，重現(xiàn)平原區(qū)淺層水含水層的地層界面、屬性、走向和地質(zhì)體的空間形態(tài)和組合關(guān)系。通過(guò)地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維可視化與分析系統(tǒng)的建立以及強(qiáng)大的可視化功能的體現(xiàn)，將地質(zhì)體及其形態(tài)構(gòu)造直觀展現(xiàn)在決策者和管理人員的面前，最大限度地增強(qiáng)地質(zhì)分析的直觀性和準(zhǔn)確性，提高對(duì)難以想象的復(fù)雜地質(zhì)條件的理解和判別,減少對(duì)地下水含水層結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的盲目性和抽象性。

3.3.2 地下水位管理

基于三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立地下水模型,以仿真的形式從多維角度再現(xiàn)現(xiàn)狀條件下地下水位情況，預(yù)測(cè)變化環(huán)境條件下地下水位、降落漏斗的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)地下水各類空間要素的屬性查詢和分析評(píng)價(jià)，以及地下水流場(chǎng)可視化和評(píng)價(jià)結(jié)果的圖像表達(dá)和屏幕輸出。

3.3.3 地下水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

基于三維地質(zhì)和三維地下水流場(chǎng)的可視化構(gòu)建和表達(dá)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀及變化環(huán)境條件下的區(qū)域地下水資源量的查詢和評(píng)價(jià)。結(jié)合三維地下水滲流系統(tǒng)中各條件下地下水流場(chǎng)的變化，計(jì)算區(qū)域地下水資源量，包括地下水總資源量、可開(kāi)采量、開(kāi)采量、總補(bǔ)給量、排泄量、蓄變量、超采量等，實(shí)現(xiàn)地下水開(kāi)采強(qiáng)度、地下水位變幅等的查詢和統(tǒng)計(jì)分析，具體評(píng)價(jià)分析結(jié)果見(jiàn)下表。

承德市地下水開(kāi)采資源保證程度表

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)、地下水模型與業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)集成

地下水三維仿真模擬系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、地下水模型與業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，其中業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)管理模塊、地下水位管理模塊中的地下水監(jiān)測(cè)井和現(xiàn)狀水位展示可以直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，而地下水位管理模塊中的變化環(huán)境下水位展示以及地下水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模塊需要與地下水模型進(jìn)行耦合，通過(guò)模型運(yùn)算生成模擬結(jié)果，為模塊提供數(shù)據(jù)支持；業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)與模型之間通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)與模型數(shù)據(jù)接口如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)與模型數(shù)據(jù)接口框圖

4 結(jié) 語(yǔ)

加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè)模擬是貫徹落實(shí)黨和國(guó)家重要治水思路，加強(qiáng)水生態(tài)文明建設(shè)，保障國(guó)家水安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、長(zhǎng)期性工作。結(jié)合河北省現(xiàn)有地下水分布與開(kāi)發(fā)形式，建立比較完整的承德市地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的有效監(jiān)測(cè)，以及對(duì)大型平原、盆地及巖溶山區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的區(qū)域性監(jiān)控和地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；為各部門(mén)和社會(huì)提供及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的地下水動(dòng)態(tài)信息，滿足科學(xué)研究和社會(huì)公眾對(duì)地下水信息的基本需求，為優(yōu)化配置、科學(xué)管理地下水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，為水資源可持續(xù)利用和國(guó)家重大戰(zhàn)略決策提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 戴長(zhǎng)雷，遲寶明，林嵐,等.基于GIS的地下水監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)(GMSMIS)分析與設(shè)計(jì)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2005,20(6)：625-629.

[2] 楊建青，章樹(shù)安，陳喜,等.國(guó)內(nèi)外地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)與管理比較研究[J].2013,33(3)：18-24.

[3] 陳夢(mèng)熊,馬鳳山.中國(guó)地下水資源與環(huán)境[M].北京：地震出版社,2002.

[4] 魏明海，劉偉江，白福高,等.國(guó)內(nèi)外地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作研究進(jìn)展[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2016,42(5)：15-18.

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Discussion on groundwater monitoring simulation and system application platform thinking

LIU Jianda

(HebeiChengdeHydrologicalWaterResourcesSurveyBureau,Chengde067000,China)

In the paper, the research status of groundwater monitoring system at home and abroad is described. It is emphasized that advanced 3D visualization, numerical simulation and other high-tech techniques are adopted. Chengde groundwater monitoring situation system platform is regarded as the research object for groundwater system simulation and application systems development, thereby realizing multi-dimensional description and clear presentation of groundwater and aquifer space structure. Groundwater level and depression cone dynamic changes are reproduced in the form of simulation, thereby realizing quick analysis, calculation and evaluation of groundwater resources in the area, and maximally enhancing the accuracy of aquifer space analysis and groundwater resources evaluation. Support can be provided for groundwater dynamic management, refined management and visual management.

groundwater; monitoring simulation; system application; Chengde

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.08.009

TV211.2

A

2096-0131(2017)08- 0029- 04