天津市地熱資源安全保障和管理信息系統建設淺探

劉 杰，胡 燕，康 楠

(天津地熱勘查開發設計院，天津300250)

天津市地熱資源安全保障和管理信息系統建設淺探

劉 杰，胡 燕，康 楠

(天津地熱勘查開發設計院，天津300250)

綜合運用地理信息系統、數據庫、網絡技術，結合地質工作實踐經驗，初步設想了天津市地熱資源安全保障和管理信息系統建設的總體結構、開發策略、技術路線，并對信息系統主要內容及各功能子系統進行了初步設計，是空間數據庫、GIS技術與地熱資源數學模型有機結合與統一探索，是利用信息技術擴大地質基礎資料公益性服務范圍，加快地質基礎資料向社會生產力轉化的有益的嘗試。

信息技術;地質資料;數據庫;公益性服務

地熱是一種清潔的綠色能源，在當前能源緊張、環境問題受到日益重視的情況下，加強地熱資源管理和研究具有極其重要的意義。

隨著近年來天津地熱資源的大量開發，造成熱儲層壓力降低、水頭下降，已形成了區域地下熱儲水位降落漏斗，同時環境地質問題及供水供熱安全問題日益突出。“在保護中開發、在開發中保護”是資源可持續開發的基本手段，通過掌握地熱資源開采動態變化規律對未來開發資源動態做出科學預測的基礎上，未雨綢繆，提早做出有效地應對措施和控制措施，以實現資源的可持續開發。因此，有必要建立天津市地熱資源安全保障和管理信息系統，對地熱資源開發利用方案分析提供有力的支持手段和方法，輔以決策，實現天津地區地熱資源的可持續開發，有效地保護地熱資源這種可再生資源，為天津市經濟發展服務。

1 系統的總體設計

依托微軟SQL SERVER2005數據庫技術、ArcGIS技術、三維可視化技術、計算機網絡技術及遠程GPRS技術，建立一套架構于大型數據庫、GIS技術、網絡技術及遠程監控技術基礎上，緊密結合天津市地熱資源情況的信息系統，實現地熱資源規劃、管理、保護與合理利用等信息化管理、實現天津市地熱地學信息的一體化管理、三維可視化顯示和網絡化服務，為城市規劃與管理提供可視化決策系統，為地學研究搭建分析研究平臺，為社會公眾需求提供信息發布窗口。

2 系統開發策略

系統在提供必備的基本分析功能的基礎上，面向用戶的開發靈活的思想設計和開發應用分析系統，并不斷根據需要進行擴展。擬定了階段開發的目標，首先按照前期的目標原則，開發滿足常規基本地質研究室所需的應用分析系統和查詢系統，投入實際運用，不斷完善和提高;其次投入建設地熱井遠程監控設備，保障數據及時準確的進入數據庫;最后根據大量的數據支持，開發預警系統，為天津市地熱資源的安全保障做出決策性功能。系統的軟件開發策略可概括為:充分利用軟件ArcGIS系統功能和二次開發函數資源，引入軟件開發的系統工程思想，引用成熟算法及相應源代碼，采用靈活開發手段，不拘于某一開發工具，按照軟件工程規范集中開發，分工配合進行結構設計和功能開發。

3 系統開發技術路線

系統開發充分考慮實用性、先進性、標準化、可視化、網絡化、集成化、可維護性、可擴展性及用戶對象。網絡結構的部署充分利用已有的網絡環境，采用WEB Service技術來完成網絡基本構架，即數據通過HTTP協議穿越防火墻傳輸，以保障數據庫的安全。數據庫采用SQL Server 2005數據庫軟件進行建設，空間數據庫以ArcGIS為平臺，存儲于SQL Server 2005中。數據網絡傳輸流采用XML流，前端監控、數據采集設備由具有數據遠傳通訊功能的GPRS技術完成。開發工具選Microsoft公司的.NET開發工具 C#及 Sybase公司 Power-Builder開發工具，分別開發Windows應用程序、WEB應用程序。

4 系統開發的主要內容

1)建立一套完整的天津市地熱資源數據庫，標準化的數據庫結構，主要內容有:地熱鉆孔基本信息、地熱井動態數據、水質信息表、開采量統計表、熱儲層信息表、鉆孔抽水試驗數據、鉆孔巖性描述、密度對應溫度數據、測井曲線數據及測井井壓數據等。

2)建立地熱鉆孔遠程監測系統:地熱井遠程監測系統的數據管理中心使用GPRS主站，遠端使用GPRS子站，向移動公司申請APN專網，并將GPRS模塊所使用的SIM卡上綁定固定IP，系統主站的GPRS數據傳輸模塊和每個監測終端內置的GPRS數據通訊模塊都能登錄該APN專網，實現監控中心與現場測控終端的數據雙向通信，從而實現對地下水位的實時監測。

3)建立地熱資源信息系統(C/S):建立完善地地熱資源安全保障和管理模型，即地熱資源評價模型和預警模型，實現對地熱鉆井等數據的信息化管理;同時對空間數據及屬性數據進行管理，具有數據信息維護、查詢統計分析、報表生成、輸出等功能;并能根據大量數據做出評價和預警，對天津市地熱資源的安全開采做出有力的保障。

4)建立地熱資源Internet發布系統:根據網絡數據庫及相關配置，自動生成對外發布網頁，滿足社會人員及時地了解地熱數據的相關信息及動態變化，具有查詢、統計、生成報表及下載等基本功能。

5 系統功能

天津市地熱資源安全保障和管理信息系統按四個相對獨立的子系統設計，即數據信息管理子系統、模型評價與分析子系統、地熱資源開發利用預警子系統和網絡發布子系統。各子系統都是基于天津市地熱資源安全保障和管理信息系統空間信息數據庫開發的。數據信息管理子系統實現對數據庫的編輯、瀏覽與管理;模型評價與分析子系統主要從數據庫獲得數據，結合GIS相關功能和數學模型分析得到成果數據;地熱資源開發利用預警子系統主要是把實時地動態監測數據收集起來，將數據作相關處理，利用多個評價因子分析，然后與警度對比后得到不同警度的區域(圖表表示);網絡發布子系統以前三個系統為基礎，將三個系統的成果數據利用WEB功能完成信息的發布。

5.1 數據信息管理子系統

數據信息管理子系統提供了較強的數據信息管理功能，用戶可實現數據信息的采集輸入、編輯、顯示瀏覽、高級查詢檢索、輸出和分析等功能。

信息結果集的數據劃分基礎地理信息、空間數據庫、成果圖、臨時成果四大類。基礎地理信息以底圖為主;空間數據庫作為系統管理的重點，按國家地質調查局的標準及指南進行建設，確保數據的通用性;圖形方面可管理工作產生的各種ArcGIS格式的數據成果圖;臨時成果則管理本系統運行過程中需要保存的各種中間成果，包括鉆孔瀏覽圖、模型分析成果、三維可視化成果、數值模擬等成果。

5.2 模型評價與分析子系統

本系統的數據庫系統中存儲了大量地熱地質數據，如地層結構，熱儲埋深及厚度，蓋層巖性，斷裂帶的空間分布，地溫梯度，地熱井數據，開采量數據等，以上數據均可以進行分類統計，并使用相關分析方法，回歸分析方法，聚類分析方法，非線性迭代最小二乘法，多元統計分析法等方法進行統計運算，為決策者提供有效的決策支持。本系統已根據天津市不同地域對數據進行分類匯總和推導模擬，并使用上述算法得到預測數據，并以圖表方式加以顯示。熱儲資源評價的集中參數模型是其中一個用于熱儲壓力模擬預測的模塊，該模型根據熱儲埋藏條件自動對其進行三維體塊劃分，然后根據內外熱儲的聯通與貯存性質，對熱儲壓力和開采潛力進行精確的預測與計算(圖1)。系統還實現了抽水試驗模擬模塊，該模塊將計算抽水試驗中水量與降深的關系并生成Q－S圖，從而對地熱地質條件或回灌效果進行評價。模塊中的熱儲體積法實現了對熱儲存量大致的估計計算，熱儲蒙特卡洛體積法實現了對非均質熱儲地層中所蘊藏的能量進行準確的計算，而計算結果均以概率直方圖形式表示(圖2)。

圖1 集中參數模型熱儲壓力預測圖

圖2 蒙特卡洛體積法計算結果圖示

5.3 地熱資源開發利用預警子系統

天津地區各熱儲層的水位埋深和熱儲壓力近年來有加速下降之勢，為緩解熱儲水位下降趨勢，必須科學合理的開發利用有限的地熱資源，平衡協調好開發與保護關系。利用地熱資源開發利用預警系統，輔助決策人員做出決策，并結合礦產資源整體規劃和地熱資源開發利用中、遠期規劃，讓有限的資源既服務好市場經濟建設，又得以可持續性開發利用。

預警系統的工作方法:

(1)從數據庫中提取地熱鉆孔水量、水位、水質、水溫、沉降速率等相關數據。

(2)采用克里金法對天津市底圖進行網格剖分。

(3)根據不同評價因子(開采量，水位，沉降速率，水質等)，在網格剖分圖中繪制各個要素的評價圖。

(4)綜合分析各個評價因子要素評價圖，根據風險比值疊加各個要素評價圖，然后與警度對比得出結論。

5.4 網絡發布子系統

網絡發布子系統主要是根據不同的需要將各子系統的結果生成對外發布網頁，完成公益信息發布功能;適時接受服務要求信息，滿足公眾了解地熱數據的相關信息及動態變化，具有查詢、統計及生成報表、下載等基本功能。同時，網絡發布子系統還具有地熱資源信息動態網絡監測功能，能適時地從數據自動采集儀上獲取數據更新數據庫。該子系統還具備自動記錄及安全保障等基礎手段。

6 系統開發步驟

系統開發步驟按照軟件工程對系統生命周期的定義分布進行:

6.1 依據實際情況制定系統計劃

初步按照目標原則，在能力、經費、時間許可的范圍內，制定切實可行的目標，開發滿足項目所需的應用系統，投入實際運用。

6.2 需求收集與分析

站在用戶的角度，從系統中的數據和規則要求入手收集整理用戶信息，以計算機技術特定的方式加以描述。主要是開展已有地質資料的收集分析論證及實地補充調查;同時開展政府管理及社會公眾需求調查，逐步調整數據結構，達到建庫工作規范和標準的要求。

6.3 系統設計

實現需求信息內容從現實世界到信息世界的抽象，進行概念模型設計及對應的邏輯結構設計，建立并優化系統模型。

6.4 信息系統的實現

應用軟件開發工具編寫應用程序。

6.5 測試

在系統投入使用之前通過精心制定的測試計劃和測試數據來模擬運行將來的使用環境，測試系統的性能是否滿足設計要求，從而發現并解決問題。

7 社會經濟環境效益分析

1)地熱資源信息化系統是資源管理現代化的基礎。世界各國特別是發達國家，信息技術已廣泛應用于資源優化配置和調度等各個方面。天津市地熱資源安全保障和管理信息系統的完成，將改進傳統工作模式，更有效更充分地管理地熱資源，為全面提高地熱資源為國民經濟建設服務的效能及效益提供重要技術管理手段，給地熱資源管理等帶來新的機遇和變革。

2)天津市地熱資源安全保障和管理信息系統建設工作的實施，將推進地熱資源管理的信息化進程，推動政府更加深入開發和綜合利用地熱資源，促進地熱資源合理開發利用產業的形成。

3)天津市地熱資源安全保障和管理信息系統建設工作的實施，對保障地熱資源安全開發，解決能源的不足，促進人與自然的和諧發展具有重大的經濟社會環境效益。

8 結語

“人口、資源、環境”問題是21世紀人類社會發展所面臨的主要問題，對資源的不合理開發利用及生態環境的破壞，嚴重制約著社會經濟的可持續發展。作為潔凈能源的地熱資源的安全保障和管理是我國能源綜合利用的迫切問題。如何利用GIS技術實現對多年來積累的豐富的地熱資源相關數據資料信息化管理及二次開發利用，實現資料資源向社會生產力的轉化，使之服務資源安全保障和管理成為重要研究課題。

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1004－1184(2012)03－0064－03

2012－01－09

劉杰(1984－)，男，安徽懷遠人，助理工程師，學士學位，主要從事地熱信息系統開發工作。