基于水信息學(xué)的榆神礦區(qū)水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫及調(diào)控平臺的構(gòu)建

王文勝 ， 張 峰，， 薛惠鋒， 張永恒

（1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710072；2.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

地下水資源短缺是世界各國面臨的重大難題，水資源的動態(tài)調(diào)控是緩解該問題的有效途徑[1]。地下水系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)控是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及不同學(xué)科領(lǐng)域之間的交叉和綜合集成研究。隨著榆林經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭資源不合理的開采對地下水資源造成巨大破壞并引起地面塌陷，破壞了有機(jī)聯(lián)系的生態(tài)環(huán)境-水資源-煤炭資源系統(tǒng)，嚴(yán)重威脅著該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。但迄今為止，榆神礦區(qū)煤炭資源已轉(zhuǎn)入大規(guī)模開采，但相關(guān)的基礎(chǔ)研究還不夠系統(tǒng)深入，缺乏對該地區(qū)地下水文空間數(shù)據(jù)庫模型構(gòu)建和綜合調(diào)控等基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究，亟待在相關(guān)的基礎(chǔ)理論方面取得突破。

有效地實(shí)現(xiàn)地下水資源的動態(tài)調(diào)控首先要對該地區(qū)的地下水文相關(guān)數(shù)據(jù)有全面的了解。但由于地下水生態(tài)系統(tǒng)的高度復(fù)雜性、非線性和時空特異性，區(qū)內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及地下水補(bǔ)排的非線性過程、地下水資源調(diào)控的方法與理論體系、系統(tǒng)內(nèi)部作用機(jī)理及其動態(tài)變化過程還未被完全知曉，使得單純用傳統(tǒng)的基于機(jī)理或假設(shè)的確定性水生態(tài)動力學(xué)模型方法受到了限制[2]。因此，迫切需要設(shè)計(jì)出一個能夠動態(tài)監(jiān)控和揭示煤炭開采條件下與區(qū)域水循環(huán)變化相聯(lián)系的地下水資源演變和動態(tài)調(diào)控平臺，為地下水演變機(jī)理研究和地下水調(diào)控研究提供理論依據(jù)。隨著包括遙感在內(nèi)的地下水檢測數(shù)據(jù)量的快速增加，軟計(jì)算、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)已開始被應(yīng)用到地下水生態(tài)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)值模擬研究中，以彌補(bǔ)地下水的動態(tài)監(jiān)測資料相對缺乏的不足。

本文提出并研究借助新一代信息技術(shù)與三維GIS相結(jié)合的水信息學(xué)的理論與方法來解決地下水動態(tài)調(diào)控的統(tǒng)一模型構(gòu)建及水文空間數(shù)據(jù)庫的問題。水信息學(xué)方法已經(jīng)成為地下水生態(tài)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)值模擬發(fā)展的新趨勢?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展使水環(huán)境空間數(shù)據(jù)獲取范圍、數(shù)據(jù)量都在快速地增長，對水環(huán)境問題的認(rèn)識和推動相關(guān)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展提供了良好的條件。將現(xiàn)代信息技術(shù)與數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測手段相結(jié)合產(chǎn)生的水信息學(xué)和水信息技術(shù)成為地下水資源動態(tài)調(diào)控研究的有效手段。

1 地下水水文數(shù)據(jù)庫分析與設(shè)計(jì)

1.1 地下水水文數(shù)據(jù)庫類別分析

近年來，隨著水信息學(xué)技術(shù)的不斷深入和發(fā)展，尤其是GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對以圖形為基礎(chǔ)的地質(zhì)信息的深入應(yīng)用和開發(fā)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3－4]。空間數(shù)據(jù)庫是空間數(shù)據(jù)的一種系統(tǒng)化集合，是空間實(shí)體以數(shù)字形式組織的數(shù)據(jù)集合。水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)按照專業(yè)應(yīng)用進(jìn)行邏輯上的分類，再按照數(shù)據(jù)類的特點(diǎn)分成不同的數(shù)據(jù)層，其信息按如下數(shù)據(jù)類劃分如表1所示[4]。

1.2 空間數(shù)據(jù)庫圖層分析

榆神礦區(qū)地下水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫是以圖幅為單位進(jìn)行管理。為保證在綜合應(yīng)用時，每個圖形信息及相應(yīng)屬性信息的獨(dú)立性，圖層命名按照10位分段層次碼編制，圖層名編碼結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中20萬分幅在百萬圖幅內(nèi)順序碼為001－036。其中比例尺代碼引自：“國土資源信息高層分類編碼及數(shù)據(jù)文件命名規(guī)則”[4]。

對于無法處理長文件名的系統(tǒng)，圖層名可按照如下簡化原則處理，前3位表示百萬分幅的編號在定義文件名時用于定義存儲本圖幅所有圖層文件的子目錄名稱，既用原分層名稱的地后7位作為圖形分層的存儲文件名稱，前3位作為當(dāng)前子目錄的名稱[4]。

圖元編號是空間數(shù)據(jù)庫連結(jié)圖形與屬性的關(guān)鍵字，在兩者中必須保持一致。圖元編號由順序碼和識別碼兩段組成，順序碼4位數(shù)字填寫；為保證多幅圖拼接后相同圖元的圖元編號不重碼，在不同圖幅的圖元順序碼前分別加識別碼，20萬分幅在百萬圖幅內(nèi)順序碼為01－36[4]。編碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 水文空間數(shù)據(jù)庫分類Tab.1 Classification of hydrological spatial database

圖1 地下水水文空間數(shù)據(jù)圖層名編碼結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Groundwater hydrology spatial data layer name coding structure diagram

1.3 地下水文空間數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖2 地下水水文空間數(shù)據(jù)圖元編號規(guī)則圖Fig.2 Groundwater hydrology spatial data element numbering rules diagram

地下水文空間數(shù)據(jù)庫所涉及的實(shí)體模型主要有地層界線屬性表實(shí)體、地層特征屬性表實(shí)體、地下水類型屬性結(jié)構(gòu)表實(shí)體、地下水富水性屬性表實(shí)體、地下水利用規(guī)劃屬性表實(shí)體、地下水徑流模數(shù)屬性表實(shí)體、地下水水質(zhì)屬性表實(shí)體和綜合水文地質(zhì)柱狀圖屬性表實(shí)體。下面將詳細(xì)介紹這些實(shí)體模型含義。

1）原料參數(shù)表實(shí)體：代表了一個原料信息表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號、接觸關(guān)系（指新老地層單位間的接觸關(guān)系）和描述等。

2）地層特征屬性表實(shí)體：代表了一個地層特征屬性實(shí)體，主要屬性包括圖元編號、地層單位名稱、地層單位符號、巖石名稱、巖石顏色、巖石結(jié)構(gòu)、巖石構(gòu)造和地層厚度等。

3）地下水類型屬性結(jié)構(gòu)表實(shí)體：代表了一個地下水類型屬性結(jié)構(gòu)表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號、地下水類型、地下水類型名稱和含水層分組等。

4）地下水富水性屬性表實(shí)體：代表了一個地下水富水性屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號、富水等級（包括水量極豐富、水量豐富、水量中等、水量貧乏、水量極貧乏）、單位、涌水量和含水層類型等。

5）地下水徑流模數(shù)屬性表實(shí)體：代表了一個地下水徑流模數(shù)屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號、富水等級、單位、徑流模數(shù)和含水層類型等。

6）地下水水質(zhì)屬性表實(shí)體：代表了一個地下水水質(zhì)屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號、圖元名稱、地下水化學(xué)類型、超標(biāo)項(xiàng)、超標(biāo)值和評價標(biāo)準(zhǔn)等。

7）綜合水文地質(zhì)柱狀圖屬性表實(shí)體：代表了一個綜合水文地質(zhì)柱狀圖屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號、地層層序、年代地層單位名稱、巖石地層單位名稱、地層厚度、巖石名稱、巖石顏色和地層巖性描述等。

8）地下水利用規(guī)劃屬性表實(shí)體：代表了一個地下水利用規(guī)劃屬性表實(shí)體，主要屬性包括圖元編號、圖元類型、圖元名稱、單位和允許開采量等。

地下水水文空間數(shù)據(jù)庫表物理表結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 綜合調(diào)控平臺架構(gòu)的設(shè)計(jì)

要建立一個可靠的基于演化過程的調(diào)控平臺，需要對系統(tǒng)內(nèi)部過程及其與環(huán)境作用有透徹的認(rèn)識。由于地下水資源可獲取數(shù)據(jù)的數(shù)量、覆蓋范圍和復(fù)雜性都在飛快地增長[5]。面對著大量的數(shù)據(jù)，需要找到有用的信息和知識，如何有效地利用和處理海量的數(shù)據(jù)成為水資源調(diào)控中的重要問題。從信息方法的角度出發(fā)，研究水信息的輸入、存儲、處理、反饋和輸出成為了發(fā)展趨勢[6]，上世紀(jì)90年代初在荷蘭Abbott教授的倡導(dǎo)下水信息學(xué)（Hydroinformatics）正式形成，水信息學(xué)結(jié)合傳統(tǒng)水科學(xué)和工程學(xué)的方法，研究與水環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、存儲、處理、模擬、預(yù)測和結(jié)果顯示等問題，來揭示復(fù)雜水環(huán)境系統(tǒng)的規(guī)律，解決水環(huán)境科技難題[7-8]。然而，隨著研究問題的深入發(fā)展，水信息學(xué)的研究對象已不僅僅局限于水環(huán)境問題，而是包括了所有的水科學(xué)問題，且面向水利工程應(yīng)用，研究者從不同的角度借助水信息學(xué)理論來解決水資源調(diào)控問題。但迄今尚未見對煤炭開采區(qū)地下水系統(tǒng)精細(xì)化的動態(tài)調(diào)控平臺進(jìn)行系統(tǒng)研究的工作。

榆林市目前已經(jīng)建設(shè)了防汛抗旱指揮系統(tǒng)、政策法規(guī)信息管理系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、山洪災(zāi)害防治、水資源管理系統(tǒng)等基礎(chǔ)性軟件平臺，但在數(shù)字水文、節(jié)水灌溉、水土保持監(jiān)測、地下水監(jiān)測、水利工程監(jiān)控等方面還未形成統(tǒng)一的調(diào)控平臺。

圖3 地下水水文空間數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Groundwater hydrology spatial database table structure

本文提出并研究借助新一代信息技術(shù)與三維GIS相結(jié)合的水信息學(xué)的理論與方法來解決地下水動態(tài)調(diào)控的統(tǒng)一構(gòu)建問題。水信息學(xué)方法已經(jīng)成為地下水生態(tài)環(huán)境監(jiān)控與數(shù)值模擬發(fā)展的新趨勢。現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展使水環(huán)境空間數(shù)據(jù)獲取范圍、數(shù)據(jù)量都在快速地增長，對水環(huán)境問題的認(rèn)識和推動相關(guān)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展提供了良好的條件。將現(xiàn)代信息技術(shù)與數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測手段相結(jié)合產(chǎn)生的水信息學(xué)和水信息技術(shù)成為水資源動態(tài)調(diào)控研究的有效手段。

基于水信息學(xué)的地下水動態(tài)調(diào)控平臺架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于水信息學(xué)的地下水動態(tài)調(diào)控平臺架構(gòu)圖Fig.4 Dynamic control of groundwater platform architecture based on hydroinformatics

3 結(jié) 論

本文在水信息學(xué)技術(shù)和云計(jì)算平臺的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基于水信息學(xué)的榆神礦區(qū)水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫及調(diào)控平臺，分析了地下水水文數(shù)據(jù)庫類別，構(gòu)建了地下水文空間數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地下水信息采集的標(biāo)準(zhǔn)化和共享化。采用新一代信息技術(shù)與三維GIS相結(jié)合的水信息學(xué)的理論與方法實(shí)現(xiàn)了地下水動態(tài)調(diào)控的統(tǒng)一服務(wù)平臺。

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