關(guān)于牡丹江市地下水管理利用數(shù)字模擬系統(tǒng)建設(shè)的探索與研究

劉 勇，李學成

(牡丹江市水務(wù)局，黑龍江 牡丹江 157000)

牡丹江市地處我國東北邊疆黑龍江省東南部，水資源豐富，境內(nèi)有牡丹江、穆棱河、綏芬河三大水系一、二級支流464條水域面積643 km2，水資源總量91.8億m3，牡丹江市所屬行政區(qū)6個縣(市)、4個區(qū)，牡丹江市是政治、經(jīng)濟和文化的區(qū)域中心。為了強化水資源管理，確保防洪安全、供水安全、生態(tài)安全、促進我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃的總體要求，需要建設(shè)牡丹江市地下水模擬管理系統(tǒng)工程。

1 建設(shè)牡丹江市地下水模擬管理系統(tǒng)工程的必要性

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的不斷增加，牡丹江市區(qū)供水量日益遞增，水資源的承載能力逐漸降低，地下水源開采區(qū)地下水位出現(xiàn)較大幅度下降。2004年國家水利部把牡丹江市列為首批水資源實時監(jiān)控重點城市，為了解決牡丹江市地下水資源開發(fā)利用中存在的問題，達到地表水和地下水供水水源的優(yōu)化合理配置，進一步，完善地下水資源科學管理設(shè)施，使地下水資源發(fā)揮更好的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益，全面建設(shè)節(jié)水防污型社會，迫切需要提高地下水資源科學管理水平，對地下水資源實施監(jiān)控，迫切須要建設(shè)牡丹江市地下水管理數(shù)字模擬系統(tǒng)。與此同時該項目也正式列為國家水利部水資源實時監(jiān)控重點城市之一。

2 牡丹江市地下水數(shù)字模擬管理系統(tǒng)的構(gòu)成

牡丹江市地下水數(shù)字模擬管理系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)庫、地下水數(shù)值模型和地理信息系統(tǒng)的一體化平臺，充分利用水利信息化的成果和優(yōu)勢，實現(xiàn)和其他已有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。模型涉及的源匯項等數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)了計算機自動化處理，避免了海量數(shù)據(jù)的繁瑣復制，節(jié)約了大量人力物力財力。牡丹江市地下水管理數(shù)字模擬系統(tǒng)的界面友好方便使用，使得用戶稍加培訓即可操作使用，拓寬了GMS專業(yè)軟件的使用范圍，為地下水模型技術(shù)在牡丹江市水資源管理中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

3 設(shè)計原則和依據(jù)

充分利用已有工作數(shù)據(jù)成果和現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)的原則。利用牡丹江市公共信息基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)行業(yè)以及水文、氣象、防汛等方面的信息資源。充分吸收現(xiàn)有水利信息化工程的成果及實踐經(jīng)驗，遵循國家水利部信息化的建設(shè)標準，并強調(diào)突出地下水資源信息管理系統(tǒng)的特點。利用先進和成熟的技術(shù)原則。盡可能采用先進技術(shù)，保證系統(tǒng)的開放性和兼容性，使建設(shè)工程具有較長的生命周期。盡可能應(yīng)用成熟的技術(shù)，減少系統(tǒng)設(shè)計的風險，達到零風險。經(jīng)濟性原則。在設(shè)計系統(tǒng)功能符合管理部門需求的情況下，使其投入成本最低。在成本一定的情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能最強，系統(tǒng)總體效率最高。依據(jù)文件要注重時效性，采用新標準新規(guī)程以國標和部標為準則。

4 目標要求

牡丹江市地下水管理數(shù)字模擬系統(tǒng)在提供對地下水模擬相關(guān)數(shù)據(jù)(如:水文氣象數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀開采數(shù)據(jù)、用水預(yù)測數(shù)據(jù)等)管理的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)其常規(guī)查詢統(tǒng)計功能的同時，核心是支持信息管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和地下水數(shù)值模型的集成，對原始數(shù)據(jù)進行前處理，自動生成地下水數(shù)值模型所需的模型文件，調(diào)用數(shù)值模擬計算程序GMS，完成數(shù)值模擬計算，并將計算結(jié)果以水位等值線、剖面水位線等單孔水位過程線、開采程度評價圖等形式進行可視化表達。牡丹江市地下水數(shù)字模擬管理系統(tǒng)將采用B/S和C/S相結(jié)合的體系架構(gòu)，分為界面層、應(yīng)用層、應(yīng)用中間件層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)傳輸層、信息采集層6個層次進行建設(shè)。其體系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

5 功能描述

《牡丹江市地下水管理數(shù)字模擬系統(tǒng)》可實現(xiàn)和已有數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)共享整合，形成集數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)、地下水模型的一體化平臺，實現(xiàn)牡丹江市地下水資源的快速評價和預(yù)測功能，提供點、線、面多種形式的識別驗證功能以輔助于水文地質(zhì)條件的再認識，并最終形成地下水飽和厚度、地下水位漏斗區(qū)域等多種專題圖件，為牡丹江市水務(wù)局在水資源管理中充分利用先進技術(shù)提供了技術(shù)平臺，為牡丹江市水資源規(guī)劃、管理和保護工作提供了技術(shù)支撐。牡丹江市地下水模擬管理系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖

6 牡丹江市地下水用數(shù)字模擬系統(tǒng)實例

6.1 牡丹江市地下水資源分布及發(fā)展變化分析

在水資源實時監(jiān)控通基楚上，過三維地下水模型的計算，軟件系統(tǒng)可對牡丹江市的地下水分布以及發(fā)展變化狀況進行分析，軟件系統(tǒng)通過報表、曲線圖、三維剖面圖、漏斗區(qū)分析等功能實現(xiàn)對牡丹江市地下水資源狀況的全面分析，使用戶通過友好的軟件界面直觀的獲取牡丹江市地下水資源隨時間、空間的變化情況，為項目保護區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)提供決策支持。圖3為牡丹江市地下水位漏斗分析示意圖。

圖3 地下水位漏斗區(qū)分析示意圖

6.2 牡丹江市地下水資源應(yīng)急能力分析

可以在地下水均衡分析的基礎(chǔ)上對地下水的應(yīng)急供水能力和停采后水位恢復能力進行預(yù)測，以判斷能否承擔持續(xù)應(yīng)急供水的任務(wù)。

應(yīng)急狀態(tài)下地下水開采大多為疏干性開采，為了保證地下水開采不會引起水環(huán)境的惡化，需要確定一個合理水位作為地下水禁止開采水位。根據(jù)地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)與水文地質(zhì)條件及以往的開采試驗，確定含水層厚度的一半作為地下水禁止開采標準。將預(yù)測末期水位與地下水禁止開采標準進行對比，通過對比結(jié)果分析來確定可否應(yīng)急開采。

應(yīng)急開采后，水位是否能得到很好恢復，也是衡量地下水資源應(yīng)急開采能力的一個重要標準。和應(yīng)急開采前相比，水位的恢復情況如何，見圖4。以此來判斷地下水資源經(jīng)過大量開采后，如果停采且經(jīng)豐水年充足降雨入滲補給，其水量是否可以恢復到正常水平。圖5為停采1 a后較應(yīng)急開采前水位變幅圖。

圖4 應(yīng)急開采2 a后與禁止開采水位對比圖

圖5 停采1 a后較應(yīng)急開采前水位變幅圖

7 結(jié)論

牡丹江市地下水模擬管理系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)存儲中心和匯集中心，支持系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換與共享，為整合和集成提供了行之有效的解決方案。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)主要包括監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、地理數(shù)據(jù)庫、水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、水文地質(zhì)地圖數(shù)據(jù)庫等4大類數(shù)據(jù)的設(shè)計和開發(fā)。

信息資源規(guī)劃主要可以概括為“建立兩種模型和一套標準”。“兩種模型”是信息系統(tǒng)的功能模型和數(shù)據(jù)模型“一套標準”是指信息資源管理基礎(chǔ)標準。信息系統(tǒng)的功能模型和數(shù)據(jù)模型，實際上是用戶需求的綜合反映和規(guī)范化表達;信息資源管理基礎(chǔ)標準是進行信息資源開發(fā)利用的最基本的標準，這些標準都要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)模型之中。

牡丹江市地下水管理數(shù)字模擬系統(tǒng)，在已完成水資源實時監(jiān)控基礎(chǔ)上，得到國家水利部高度重視，2008年在水利部召開的《全國水資源信息牡丹江市現(xiàn)場會議》中得到迂會專家的好評，并建議向全國推廣。

牡丹江市地下水管理數(shù)字模擬系統(tǒng)，它是一項多元的，歷史積累與實時監(jiān)測相接合，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)處理后又展示給管理和決策者，做為會商的形像依據(jù)。它僅限于監(jiān)控，遠未達到遠動遙調(diào)的目地，尚有很大發(fā)展空間有待我們?nèi)ヌ剿魅パ芯俊５叵滤芾頂?shù)字模擬系統(tǒng)工程項目，隨著新技術(shù)的發(fā)展和進步被人們認可和所接受，必將為水利事業(yè)發(fā)展和地方經(jīng)濟建設(shè)做貢獻。

[1] 牡丹江市環(huán)境保護局.牡丹江市“十一五”環(huán)境保護發(fā)展規(guī)劃[R].牡丹江:牡丹江市環(huán)境保護局，2006.

[2] 牡丹江市水務(wù)局.牡丹江市“十二五”水務(wù)事業(yè)發(fā)展規(guī)劃[R].牡丹江:牡丹江市水務(wù)局，2011.

[3] 牡丹江市水務(wù)局.牡丹江市地下水模擬管理系統(tǒng)可行性研究報告[R].牡丹江:牡丹江市水務(wù)局，2010.