湖泊水庫垂向水質變化三維等值線圖繪制研究

李璇　馬衛星　潘梅

摘 ?要：以西安某大型水庫為例，介紹了水質數據的規范化處理過程及如何利用Surfer軟件繪制湖泊水庫垂向水質變化三維等值線圖的方法。結果表明，以相對高程為基準對無效插值數據空白化處理能很好反映實際水位及水質變化，得到的三維等值線圖既簡單又直觀的反映了實際水體水位、水質變化問題，結果真實準確，為科技論文的撰寫投稿、湖泊水庫的運行、管理與決策提供依據和支撐。

關鍵詞：垂向水質變化;三維等值線圖;數據處理;圖形繪制

中圖分類號：TV145.2 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）31-0011-05

Abstract： Taking a reservoir in Xi'an for example， this paper introduces standardized treatment processes of water quality data and how to use Surfer software to draw three-dimensional contour map of vertical water quality change in lakes and reservoirs. The results show that relative elevation selected as the benchmark for blanking invalid data area can reflect the actual water level and water quality， and the three-dimensional contour map is simple and can directly reflect the actual water leve land water quality change， with accurate results， which can provide a scientific and theoretical basis for thesis writing and submission， as well as the operation， management and decision of lakes and reservoirs.

Keywords： vertical water quality; three-dimensional contour map; data processing; graph drawing

目前湖泊水庫已成為大部分城市的主要供水水源，其對水質要求比較高。由于湖泊水庫的自身特點，其水質也在不斷的變化，直觀地掌握和了解湖泊水庫的水質變化，對于保障安全供水具有重要的現實意義。

目前湖泊水庫所面臨的水質問題具體可概括為：

（1）水體分層阻礙溶解氧傳質、造成底部缺氧：由于湖泊水庫水深較大，熱量傳遞困難，形成水體的溫度分層，阻礙了垂向溶解氧的傳質，在底層水體和沉積物的雙重耗氧作用下，造成底部水層呈現厭氧和無氧狀態[1-2]。

（2）厭氧環境導致沉積物中污染物釋放：厭氧或無氧條件下將導致湖泊水庫底泥沉積物中的氮、磷、鐵、錳等污染物的釋放，有機物發生厭氧分解導致色度升高、嗅味異常，底層水質惡化[3-4]。

（3）自然混合導致水質呈周期性污染：分層型湖泊水庫隨氣溫變化，每年會發生一次或兩次（北方冰封型）的自然翻轉混合，水體周期性自然翻轉混合時會將厭氧狀態下釋放于底層水體的大量污染物與上層水體產生混合，導致湖泊水庫水質的周期性污染[5]。

（4）流動性差及營養鹽的內源/外源補給引發藻類大量繁殖：湖泊水庫流動性差，水體停留時間長，加之自然混合后氮磷營養源的補充與匯流補給，為表層藻類的大量繁殖創造了有利條件[6]。

（5）汛期徑流造成水質惡化：汛期暴雨徑流攜帶大量營養鹽、有機物和泥沙進入湖泊水庫，引起水質不斷變差、甚至惡化，對水廠凈化系統帶來一定程度的沖擊，直接影響城鎮供水安全[7-8]。

由上可見，各種因素的變化會對湖泊水庫水質造成影響。隨著對生態環境的重視及水源水質要求的提高，越來越多的湖泊水庫中會設有自動監測站測量斷面水質變化，或者人工定期測量水質變化。如何將監測的結果及時直觀的呈現給水管理從業者，讓其直觀的掌握湖泊水庫的水質變化，為管理人員對湖泊水庫的運行、管理與決策提供依據和支撐是急需解決的問題。同樣，對于科研工作者在論文撰寫時也非常重要，部分科技論文中仍將大量數據以點線圖的形式呈現[9]。本文以陜西某大型水庫為例，介紹如何利用Surfer軟件繪制湖泊水庫垂向水質變化三維等值線圖。

1 Surfer軟件簡介

Surfer是美國Golden Software公司編制的一款繪制三維圖（等高線）的軟件，該軟件已經成為用來處理XYZ數據的首選軟件，其可以輕松制作基面圖、數據點位圖、分類數據圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢圖、矢量圖以及三維表面圖等，同時其可以提供包含所有常用的數據統計計算方法在內的11種數據網格化方法，可以識別處理各種流行的圖形圖像文件格式，具有很強的兼容性。Surfer具有的強大插值功能和圖形繪制能力，被廣泛的應用于測繪[10-12]、氣象[13]、水文[14-16]等相關領域，但是其在水質變化中的應用較少。

下面以湖泊水庫垂向水溫變化為例，說明在取得原始測量數據后，如何快速實現湖泊水庫垂向水溫隨季節變化的表達，其他水質參數如溶解氧、濁度等繪制原理相同，在此不贅述。

2 湖泊水庫垂向水溫三維等值線圖繪制

2.1 基礎數據的準備

通常在湖泊水庫中均設有自動監測站測量斷面水質變化，當無自動監測站時亦可以人工定期測量水質變化。得到的每次水質測量結果如表1所示。

每次數據測量完畢，我們將得到一張水質監測結果見表1。若干次測量后，我們將得到許多張水質監測結果表，如何將許多張水質監測數據直觀的在一張圖上清晰的表達出來，供管理決策人員使用，對數據的處理過程尤為重要。

表1 水質監測結果

利用 Surfer 軟件繪制垂向水溫等值線圖時，首先要將實測的實驗數據，轉變成軟件可以識別的Grid網格化格式。

Surfer軟件繪制經典等高線圖時所需要輸入的數據格式為{X，Y，Data}，其中X、Y 為測點坐標，Data 是測點的高程（m）。同理，在繪制湖泊水庫垂向水溫三維等值線圖時，將X賦值為時間（可以令測量第一天X=1，其他測量時間X值隨天數順延），Y賦值為水質監測時每個測量點位的高程，Data賦值為在對應時間、點位高程條件下的水質參數。

點擊File-New-Worksheet新建一個工作表，將所需要的數據復制到工作表中，在數據粘貼時需注意將取樣時間換成一年中的第幾天，將水深換算成高程，依次將取樣時間放入第一列，每次取樣時取樣點位高程放入第二列，溫度數據放入第三列，按照取樣時間將水質參數依次放入worksheet中形成數據文件，將數據保存為.dat格式的文件。

2.2 規范性文件的生成

水質實測數據一般為不規則分布，在繪制垂向水溫三維等值線圖時需借助surfer軟件，選用一定的內插方法對實際測繪獲得的不規則分布的原始數據進行離散數據格網化，生成規則的格網文件。Surfer軟件提供了“Inverse Distance to a Power（反距離加權插值法）”“Kriging（克里金插值法）”“Minimum Curvature（最小曲率法）”等12 種內插方法，繆坤[17]等研究發現克里金插值法（ Kriging）標準偏差最小，因此在高程數據內插計算中該方法內插效果也最好，本例選用克里金插值法。

打開菜單Grid- Data，在open對話框中選擇剛保存的.dat格式的數據文件打開。在打開的對話框中，“Data Colums”顯示X、Y、Z列和數據的對應關系，也列出了需要進行網格化的數據，“Griding Method”表示網格化方法，選擇Kriging（克里格插值法）方法，“Output Grid File” 表示輸出網格文件位置，需輸入文件名得到.grd的網格文件， “Grid Line Geometry” 表示網格線參數，需設置X方向、Y方向的最小值、最大值、網格間距、網格行數，一般使用默認值就好，但當某一項網格行數較少時，需注意適當調整，以調整完X、Y方向的網格間距大小接近為好。點“Ok”，就可以生成同文件名的.grd文件。至此，基礎數據已經轉變成軟件繪制所需要的規范性網格文件。

2.3 湖泊水庫垂向水溫三維等值線圖形繪制

規范性網格文件準備好之后，在surfer界面下，點擊 Map-Contour Map-New Contour Map，在open Grid界面中打開剛生成的.grd文件，即可初步獲取等值線如圖1所示。

初步獲取等值線圖以后，可以發現之前沒有數據的區域由于在數據網格化過程中進行了插值計算，也得到了相關數據，此部分數據為虛數，沒有任何意義，此部分數據需要以空白填充。

2.3.1 繪制等值線圖空白區域

一般來說，在不考慮底部淤積的情況下，固定采樣點底部高程不變，不過隨著入庫/出庫水量的變化，水庫水位和采樣點相對水深隨著時間的變動是改變的，而不少科技論文在寫作時未考慮水位變化[18-19]，所以在繪制等值線圖時一般將測量點位水深轉變成相對高程值，這樣繪制出的圖形比較精確，而且在垂向水質變化三維等值線圖上方應該有水位變化曲線，水位變化曲線上方應該為一段空白填充的區域。

繪制空白區域前需準備相應的空白文件，空白文件是由一個封閉多邊形的一系列X，Y坐標值組成，而且空白散點所組成的多邊形必須閉合。空白文件對格式有明確的要求，第一行為標志行，它的第一個數字表示下邊的點數，第二個數字是邊的標志符，如果邊的標志是0，多邊形外邊的網格單元被空白，如果邊的標志是1，多邊形里的網格單元被空白。

以每天8點水位代表當天水位，全年365天共有365個數值（繪圖過程中以實際天數為準，且其數值和surfer基礎數據里面的X值對應），其中第1天和第365天各有兩個數值，在數列的最末端應該還有第1天的高水位數值以讓多邊形封閉。實際水位以上空白的數列實例如表2所示。

空白文件制作方法：點擊 File-New-Worksheet 新建一個工作表，將上述所需要的數據復制到工作表中，將數據保存為.bln格式的空白文件。

空白區域繪制：點擊Map-Base Map，在“Import File（輸入）”對話框中打開剛創建的.bln格式的空白文件，創建一個包含多邊形的底圖，因此在輸入底圖的過程中不點選“Areas to Curves”復選框。點擊Edit-Select All，再選擇菜單命令“Map-Overlay Map（疊置圖）”，將等值線圖和底圖被合并成一個疊置圖。雙擊空白區域底圖，彈出屬性管理器。在“Base ?Map（底圖）”選項卡下的“Fill（填充）”屬性中指定空白區域底圖的邊界線及填充屬性。單擊“OK”按鈕，就發現空白區域已經得到了填充。

2.3.2 圖形屬性的進一步設置

在繪圖窗口的等值線圖區域里雙擊該圖，彈出“Contours Properties”對話框，可以進行包括General（常規）、Levels（等級）、View（查看）、Scale（比例）、Limits（限制）、Background（背景）等內容的設置。

（1）修改等值線圖長寬比例

在Scale（比例）選項卡中可以修改等值線圖的長寬及比例，去掉復選框“Proportional XY Scal”，去掉XY軸比例因子，可以設置等值線圖的尺寸，以繪制長6英寸、寬4英寸圖形為例，將X scale設置為6in，Y scale設置為4in即可。點擊OK按鈕即可完成圖片長寬的改變。

（2）修改等值線圖等級

在Levels（等級）選項卡中顯示了等值線圖等級和等值線圖屬性，可以對等值線的Level（等級）、Line（線條）、Fill（填充）、Label（標注）、Hach（影線）等內容進行設定。

可以根據需要修改等值線圖的范圍和間隔。單擊“level”按鈕，在Contour Levels選項里設置等值線圖的Minimum（最小值）、Maximum（最大值）、Interval（間隔）。

點擊“Line”雙擊某一個對應等級下的line，可修改單個元素等值線圖等級，在等值線圖上強調顯示某個等值線圖的等級，可以改變此條等值線的Style（風格）、Color（顏色）和Width（寬度）。

（3）對等值線圖填充顏色

在General（常規）選項卡中，可以通過對Fill Contours（填充等值線圖）、Smoothing（平滑）等進行設置。點擊“Fill colors（填充）”和“Color Scale（彩色比例尺）”可以將等值線圖以顏色填充和生成彩色比例尺。在Levels（等級）選項卡下，單擊“Fill（填充）”按鈕，在彈出的Fill對話框中可以實現對等值線圖顏色的填充。

單擊“Foreground（前景色）”按鈕，則彈出“Color Spectrum（色譜）”對話框。在此對話框中可以實現給特定的數值分配顏色，可以通過按住“Ctrl”用鼠標點擊色譜圖的方式增加錨點，點擊增加的錨點后可以通過右側的Value調整數值，也可從調色板里選擇顏色，在對話框里給特定的數值分配顏色。

單擊“OK”，返回“Fill（填充）”對話框，可以看到“Foreground（前景色）”按鈕顏色分等級出現。單擊“OK”，在“Map：Foreground（前景色）”對話框里的填充顏色被更新。單擊“OK ”，即可看到個等級之間填充顏色的等值線圖。

（4）更改等值線圖標志

在等值線圖上右擊鼠標，在彈出的菜單中選擇“Edit Contour Labels（編輯等值線圖）”，就會發現繪圖窗口中鼠標箭頭變成黑色的箭頭表明處于編輯模式，右擊其中的某一等值線圖標志，按Delete可刪除該標志，也可通過左擊按住拖動以改變其在等值線圖上的位置。若要增加某一等值線圖標志時，可按住Ctrl鍵，在需要添加等值線標志的等值線上單擊左鍵。按Esc可退出編輯等值線圖標志模式。

（5）更改坐標軸屬性

Surfer繪制的等值線可以提供上下左右四個方位的坐標軸，雙擊其中的任意一個坐標軸或者右擊坐標軸選擇Properties（屬性），可以對圖形的Axis屬性，包括常規、刻度、比例、網格線等屬性進行設定。以底部X軸為例， 在底部X軸上雙擊，則彈出“Map： Bottom Axis Properties（地圖：底部坐標軸屬性）”屬性管理器，在“General（常規）”選項卡下“Title（標題）”編輯欄可以輸入底部坐標軸的名稱、offset（偏移）、Font（字體）、Angle（角度）等的設置。在“Ticks（刻度）”選項卡中可以設置Major Ticks（主刻度）、Minor Ticks（次刻度）的刻度線位置和刻度線的長度。在“Scaling（尺度）”選項卡下，可以設置坐標軸刻度之間的間隔。

橫坐標是數字，在圖形完成之前需將其轉化為對應的日期，雙擊X軸，在彈出“Map： Bottom Axis Properties”對話框中，點擊“Scaling（尺度）”選項卡下，將主坐標軸Major設置為30。將對應日期的時間通過文本的形式卸載對應的刻度線下。

（6）保存和導出等值線圖

在等值線圖繪制完成以后，可以將地圖以“*.srf”格式保存，需要導出繪制的等值線圖時，點擊File-Export在保存類型中選擇所需的格式導出，在輸出過程中還可以對圖形的屬性進一步的設置。例如輸出“.jpg”格式圖片時，保存類型選擇“JPEG Compressed Bitmap（*.jpg）”格式，輸入文件名保存后會彈出設置對話框，可以設置“Bitmap size in pixels（位圖大小）”“Dots per inch（每英寸點數）”和“Quality（圖片質量）”，還可勾選“Maintain aspect ratio（維持縱橫比例）”“Automatic compression（自動壓縮）”等。

生成的三維等值線圖如圖2所示，圖2表示了固定點位垂向水溫隨時間變化，圖形簡潔明了。橫坐標為時間，縱坐標為高程，右側為溫度條帶以不同的顏色表征不同的水溫，在等值線圖上方可以直觀看出水位隨時間變化。三維等值線圖表達的信息完整，圖形簡潔易懂，對于即使不是環境專業的管理人員也能夠從圖形上直觀看出監測點位不同時間、不同水深位置水體水溫變化，對于科研工作者來說，在撰寫科技論文/報告時也非常實用。

對于其他水質指標，如在繪制垂向溶解氧三維等值線圖時，步驟與上述類似，將溫度換成對應的水質指標即可。

3 結束語

在利用Surfer軟件繪制湖泊水庫垂向水質變化三維等值線圖時，首先要對實測的實驗數據進行規范化處理，水庫水位和采樣點相對水深隨時間是變動的，需將測量點位水深轉變成相對高程值，在對數據進行離散化處理時盡量采用克里金（Kriging）插值法以保證插值數據的準確性。在對數據規范化處理后初步獲取等值線圖，需用空白文件對圖中的虛數進行填充，空白文件下方邊界即為實際水位變化。

使用Sufer軟件繪制垂向三維等值線圖，為研究人員提供了一種簡便繪制三維圖形的方法，得到的圖形能更直觀、更充分的表現數據特征。是研究人員能夠快速、準確的掌握水質的變化，從而得到更科學的分析結果。

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