地下水水文基礎信息系統建模與開發

薛基瑜 趙磊 曾雪 曾永剛

摘要：本文以德國北威州地下水水文基礎信息系統Hygris-C[1]開發為基礎，論述了地下水數據庫建模、地下水監測點結構模型、地下水監測數據，以及以歐盟水框架協議（EU-WRRL，Europische Wasserrahmenrichtlinie）為基礎的地下水體模型。最后，以Hygris-C為例論述地下水水文基礎信息系統的開發過程。

關鍵詞：地下水；系統建模；地下水水文基礎信息系統；可視化

前言

地下水資源是人類社會發展不可缺少的資源，隨著經濟、工業化的發展，地下水資源保護和管理顯得尤為重要。如何構建適合當地區域的地下水數據庫管理信息系統，如何選取合適的模型來構建適合當地地質結構、水文狀況的系統建模，是我國地下水保護的研究方向之一。本文以德國北威州地下水水文基礎信息系統Hygris-C (Hydrologisches Grundlagen-Informationssystem Grundwasser，地下水水文基礎信息系統)為基礎，論述如何開發地下水水文基礎信息管理系統，并對關鍵對象建模進行分析。

1 地下水水文基礎信息系統建模過程

地下水水文基礎信息系統的目標[1]：（1）構建帶有地下水狀況主要監測數據的地下水中心數據庫，包括地下水、原水水質數據；（2）數據分析和結果提供；（3）地下水條件的評估和決策支撐。地下水水文基礎信息系統的父對象包括水（Wasser）、水體（Gewsser）、污水（Abwasser）；對應的子對象包括地下水監測（GW）、地下水數據庫（GDB）、地下水圖件（KGW）、地下水日常管理事務（LGD）、原生水監測（RW）。

對基于網絡的地下水數據庫中數據進行存取操作，還需要兩個中間層接口程序：（1）基于網絡的針對地下水和地下水供給的接口程序（WebGW）；（2）基于ArcGIS的地下水、水供給和水源保護區的專業信息系統接口程序（FIS GWW）。地下水水文基礎信息系統拓撲結構建模如下圖1所示。

2 地下水數據庫建模

地下水數據庫提供一下關鍵數據信息[1]：（1）基礎供水服務（地下水狀況）；（2）地下水監測（地下水水質）；（3）原生水監測（水供給、水源保護區、飲用水監測）；（4）數據提取（來自水資源控制部門的專業數據）；（5）歐盟水框架協議（地下水體）。地下水數據庫模型如下圖2所示。

3 地下水監測站模型

地下水監測站設置的目的是觀測地下水位和地下水采樣。通過測量監測井孔最高邊緣到地下水面之間距離，計算出高于海平面的水位以上到地表的距離。不同的監測方案包括監測地下水水質、原生水水質、排放源等。地下水監測站獲取的重要數據有監測點位、自然地面、測量值、水位、地表距離，其中相對海平面水位計算是相對于海平面的測量點減去測量值，地表距離等于地表減去測量點再加上測量值。地下水監測井的模型如下圖3所示[2]。

監測站的組件和聯系如下圖4所示。

4 地下水水文基礎信息系統Hygris-C應用實例

Hygris-C是基于B/S模式的應用系統，集成了GIS-Client功能模塊的WebGIS。基于Internet的地下水信息系統采用三層架構模式：（1）應用層（Hygris-C應用程序、基于ArcGIS的應用程序）；（2）中間層，又叫控制層，包括ArcGIS控制組件、地下水水質預測模型、地下水污染物遷移預測模型、數據輸入輸出控制、決策支撐；（3）物理層，主要指數據庫及其服務的提供，包括地下水數據庫、相關數據庫、中央數據庫及服務等。德國北威州的地下水數據庫和應用程序模型結構圖如下圖5所示。

Hygris-C系統應用軟件界面如下圖6所示。

地下水監測點高度、井孔數據、水文數據的可視化模擬如圖7所示。

在基于ArcGIS地形數據基礎上，結合地下水監測點的井孔直徑、高度、經緯度、水文數據、水質數據等信息可以構建三維可視化試圖，如圖8所示。

5 結論

地下水水文基礎信息系統的構建，能實時、高效地對區域地下水資源狀況進行監控。隨著計算機技術和環境信息學的發展，動態、可視化模擬地下水質量狀況已經成為可能。地下水水質建模、地下水污染物遷移建模等技術成熟，為地下水水文信息系統建模提供了理論和方法基礎。

參考文獻

[1]PeterGaschick,Hydrologisches Grundlageninformationssystem Grundwasser Hygris-C[M], Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschtutz Nordrhein-Westfalen, NRW, PP.30-100

[2]Dr. Harald Friedrich,Dr. Wolfgang Leuchs, Peter Neumann,Grundwasserbericht2000Nordrhein-Westfalen[M], Ministerium für Umwelt und Naturschutz,Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen,NRW, PP.245-265.

[3]KITANIDIS, P. K. (1997): Introduction to Geostatistics: Applications to Hydrogeology;249 S.; New York.

[4]BUCHER, B. (1994): Optimierung von Grundwasser-Meβnetzen mit Kriging-Verfahren;in: Freiburger Schriften zur Hydrologie,3: 116 S.; Freiburg im Breisgau.

[5]GCI(1998):Grundwasser-Monitoring-System. Anwenderhandbuch zur Softwarev GCI-GMS; Knigs Wusterhausen.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文