GIS在地下水監(jiān)測(cè)、管理中的應(yīng)用

張曉環(huán)

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

GIS在地下水監(jiān)測(cè)、管理中的應(yīng)用

張曉環(huán)

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

GIS當(dāng)前處入快速發(fā)展時(shí)期，隨著軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等的換代更新，將更好地應(yīng)用于各行各業(yè)。針對(duì)地下水監(jiān)測(cè)、管理工作過(guò)程中，所涉及的信息很大一部分都與空間相關(guān)，綜合闡述GIS在地下水監(jiān)測(cè)、管理中的應(yīng)用。

地下水;GIS管理

地下水監(jiān)測(cè)是系統(tǒng)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］。而不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自不同的觀測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)手法，具有來(lái)源復(fù)雜、格式多樣、尺度不同等特點(diǎn)，因此，采用先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理存儲(chǔ)、管理、更新與有效的分析是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵。

GIS技術(shù)在國(guó)外發(fā)展于本世紀(jì)60年代，我國(guó)則始于80年代，經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已步入快速發(fā)展階段。它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)處理、管理的對(duì)象是多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，用于分析和處理在一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過(guò)程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問(wèn)題［2］。

1 GIS在地下水監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

對(duì)地下水的有多方面的監(jiān)測(cè)，張周平等人應(yīng)用GIS實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面沉降與地下水位的監(jiān)測(cè)，以SuperMap作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用ORACLE公司的ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)與 SuperMap SDB數(shù)據(jù)引擎，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)地面沉降與地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的科學(xué)化和自動(dòng)化管理［3］;ESRI建立了地下水地理信息系統(tǒng)，管理有害物質(zhì)對(duì)加州地下水的污染;王旭東等人運(yùn)用ArcGIS、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和水質(zhì)評(píng)價(jià)模型建立天津市地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)地下水質(zhì)污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，做得控制污染源［4］。戴長(zhǎng)雷等人，選擇應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具 Visual Basic 6.0、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)工具M(jìn)icrosoft SQL Sever 2000、組件式 GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具 MapObjects設(shè)計(jì)了基于GIS的地下水監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)(GMSMIS)，能夠以信息共享模式提供地下水監(jiān)測(cè)信息的統(tǒng)計(jì)、分析、查詢等信息服務(wù)，運(yùn)用圖表、文字、圖形等方法使監(jiān)測(cè)信息更直觀化、形象化，進(jìn)而進(jìn)一步規(guī)范地下水資源優(yōu)化調(diào)度和日常管理，為評(píng)價(jià)、管理和決策提供信息基礎(chǔ)平臺(tái)［5］。

2 GIS在地下水管理上的應(yīng)用

EL.Kai等人將GIS作為模型外殼，建立二維數(shù)值模擬模型，用于數(shù)據(jù)管理和模型的前后處理;Maidment應(yīng)用GIS做了比利時(shí)Voer流域的降水和徑流相關(guān)情況的空間分析，為該流域的地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)度與管理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)［6］;K.E.Kenneth在 GIS環(huán)境下，建立了地下水勘探開(kāi)發(fā)、模擬、評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)［7］;武強(qiáng)等研究開(kāi)發(fā)了以 Mapinfo為平臺(tái)的塔里木盆地地下水資源管理系統(tǒng)［8］;戴長(zhǎng)雷等人開(kāi)發(fā)了基于地下水信息管理系統(tǒng)分析［9］;楊旭等人采用組建式GIS技術(shù)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、集成方式等方面完成了地下水動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了地下水動(dòng)態(tài)管理［10］。陳佩佩等人基于GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)的徐州市地下水資源信息系統(tǒng)，為地下水資源管理決策者提供了方便快捷的現(xiàn)代化管理工具［11］;丁尚起等人采用 GIS，.NET和3D技術(shù)建立了塘沽地下水資源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地下水相關(guān)資料的管理、查詢、分析以及輔助決策和三維展示功能［12］。

3 GIS在地下水監(jiān)測(cè)、管理應(yīng)用原理

GIS是一個(gè)技術(shù)手段并非追求目標(biāo)，以通過(guò)GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)、管理。GIS是一門(mén)學(xué)科也是一門(mén)技術(shù)，同時(shí)還是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。GIS在地下水監(jiān)測(cè)、管理上的應(yīng)用主要是利用GIS的關(guān)鍵技術(shù)(GIS軟件平臺(tái)、二次開(kāi)發(fā)平臺(tái))、空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)或GIS相關(guān)理論、理念等，設(shè)計(jì)、定制與開(kāi)發(fā)一個(gè)管理系統(tǒng)，對(duì)地下水進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管理。

3.1 獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

利用GIS對(duì)地下水領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)與管理需要獲取地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。首先確定監(jiān)測(cè)區(qū)與監(jiān)測(cè)內(nèi)容，布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，提取監(jiān)測(cè)信息，有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息與非動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，形成監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)，帶有明確坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值、唯一標(biāo)識(shí)碼，并錄入到監(jiān)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)要素的屬性表中以便進(jìn)行空間分析與處理。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行錄入，可采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)管理。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是大量與空間地理位置相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，并非單純的屬性數(shù)據(jù)，因此，目前較多系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)采用ORACLE進(jìn)行管理，并基于ArcGIS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎(ArcSDE)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。是否需要采取海量數(shù)據(jù)庫(kù)引擎需根據(jù)數(shù)據(jù)量及分布情況再另行考慮(特定監(jiān)測(cè)區(qū)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量、內(nèi)容);并對(duì)不同用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)設(shè)置不同權(quán)限，以保證數(shù)據(jù)的安全性與一致性。

3.3 監(jiān)測(cè)、管理系統(tǒng)的研發(fā)、定制

開(kāi)發(fā)語(yǔ)言可選擇VB，也可選用VC或其他的語(yǔ)言，并基于ArcEngine進(jìn)行二次研發(fā)，遵循B/S+，C/S體系結(jié)構(gòu)，可采用ArcIMS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式管理，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輸入、輸出、查詢、修改、分析、統(tǒng)計(jì)、可視化等，以便對(duì)地下水進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理。各個(gè)功能如下:

3.3.1 輸入

監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)形成的第一步，輸入過(guò)程包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間數(shù)據(jù)的數(shù)字化:將獲取的硬拷貝數(shù)據(jù)，按照一定的數(shù)學(xué)法則，進(jìn)行數(shù)字化，特定的投影、特定的坐標(biāo)系，錄入與空間數(shù)據(jù)相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，單井基本信息、抽水試驗(yàn)資料、參數(shù)數(shù)據(jù)、歷史和實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等;系統(tǒng)建立完成后，可實(shí)時(shí)將動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，以期進(jìn)一步分析、管理與應(yīng)用。

3.3.2 查詢

通過(guò)友好的查詢界面實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)機(jī)井的基本情況(水位、水量、水質(zhì)、結(jié)構(gòu)與地層、文檔等)進(jìn)行查詢?yōu)g覽的功能，空間幾何實(shí)體與屬性數(shù)據(jù)的鏈接，可按照屬性與空間位置對(duì)一項(xiàng)或多項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢并高亮顯示，也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程憑權(quán)限對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

3.3.3 修改更新

不同的用戶有不同的權(quán)限，具有修改權(quán)限的用戶根據(jù)采集資料對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新。更新內(nèi)容包括新增加的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，修改變動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.3.4 分析

通過(guò)地下水參數(shù)等以及一定的地下水分析模型對(duì)地下水水量、水質(zhì)分析評(píng)價(jià)。系統(tǒng)分析模型的建立是實(shí)現(xiàn)分析效果好壞的關(guān)鍵。

3.3.5 統(tǒng)計(jì)

將水質(zhì)數(shù)據(jù)中的各水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)按時(shí)序以二維或三維的柱狀或曲線圖表達(dá);可定制專業(yè)報(bào)表:水質(zhì)報(bào)表、水位報(bào)表、土質(zhì)實(shí)驗(yàn)成果報(bào)表;制作鉆孔資料柱狀圖，按指定數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制鉆孔結(jié)構(gòu)剖面圖，并提供打印輸出功能;水質(zhì)檢驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中水質(zhì)數(shù)據(jù)按不同孔號(hào)進(jìn)行水質(zhì)檢驗(yàn)，并列出檢驗(yàn)結(jié)果。

3.3.6 可視化

可視化即將分析結(jié)果以形象直觀為特性輸出分析、查詢結(jié)果。可視化包括二維、三維。二維就是制作專題地圖，統(tǒng)計(jì)報(bào)表也可與專題地圖結(jié)合;三維即在數(shù)據(jù)庫(kù)空間數(shù)據(jù)中載入高程數(shù)據(jù)，可生成DEM，即進(jìn)行線性拉伸，實(shí)現(xiàn)地形的三維可視化，將分析結(jié)果更形象、更直觀的展現(xiàn)在用戶面前，供用戶進(jìn)行決策參考。

3.4 系統(tǒng)的維護(hù)

一個(gè)系統(tǒng)要長(zhǎng)期有效運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行維護(hù)是不可缺少的工作。主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)、分析模塊的優(yōu)化、系統(tǒng)整體優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先從GIS在國(guó)內(nèi)、外監(jiān)測(cè)、管理上的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上以ESRI公司產(chǎn)品系列為例提出了GIS在監(jiān)測(cè)、管理中的一般原理。

基于GIS技術(shù)對(duì)地下水進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理，效率的高低受較多因素影響:采集的技術(shù)手段，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)的采集頻率;計(jì)算機(jī)軟硬件的技術(shù);更大一部分依賴于分析模型的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。技術(shù)人員需有地下水方面的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)用戶溝通，做好需求分析，這也是監(jiān)測(cè)管理的重點(diǎn)。

當(dāng)然，對(duì)于應(yīng)用平臺(tái)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)可根據(jù)不同的需求、不同的目標(biāo)、不同的性價(jià)比來(lái)選取以獲取較高的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。

［1］［以］Bachmat Y著.水利部水文司譯.地下水觀測(cè)計(jì)劃的管理〔M〕.瑞士日內(nèi)瓦:世界氣象組織秘書(shū)處.1992.

［2］湯國(guó)安，等.地理信息系統(tǒng)［M］.北京:科學(xué)出版社.2000:2.

［3］張周平.西安市地面沉降與地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):proceedings of the現(xiàn)代工程測(cè)量技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研討交流會(huì)論文集［C］.2005.

［4］王旭東，等.基于 ArcGIS的天津市地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)［J］.南水北調(diào)與水利科技.2003，1(6):13 ～16.

［5］戴長(zhǎng)雷，遲寶明，林嵐，et al.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，(06).

［6］E.L.Kai，et a1..Use of a geographic information system in site—specific groundwater modeling［J］.Groundwater.1994，32(4):617～625.

［7］Tang Changyuan，et a1..Regional groundwater model with GIS ic .30‘International Geological Congress.Beijing，China，1996，1:471.

［8］武強(qiáng)，等.塔里木盆地水資源開(kāi)發(fā)管理的地理信息系統(tǒng)［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28(1):78 ～81.

［9］戴長(zhǎng)雷，遲高林.基于gis的地下水信息管理系統(tǒng)分析［J］.世界地質(zhì).2004(02).

［10］楊旭，黃許閭.基于組件式gis的地下水動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.地理與地理信息科學(xué).2004，(01).

［11］陳佩佩，等.GIS支持下巖溶地下水資源信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.中國(guó)巖溶.2000，19(1):28～34.

［12］丁尚起.濱海新區(qū)塘沽地下水資源管理系統(tǒng)［J］.山西建筑.2010，36(26).

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1004－1184(2012)03－0079－02

2012－02－03

張曉環(huán)(1982－)，女，廣西柳州人，在讀碩士研究生，主攻方向:數(shù)字高程模型。