SURFER軟件在昌邑市地下水位分析中的應(yīng)用

池龍哲，張 濤，孫常磊，張 敏

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020;2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

1 問(wèn)題的提出

地下水超采漏斗是山東省平原區(qū)較為突出的環(huán)境問(wèn)題［1］。地下水超采引發(fā)許多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，引起了地面沉降、地面裂縫、海咸水入侵、水環(huán)境污染等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境、人民生產(chǎn)生活帶來(lái)了危害。昌邑市地下水漏斗問(wèn)題突出，地下水漏斗區(qū)處于壽光-昌邑大漏斗區(qū)內(nèi)［2］。該漏斗區(qū)2007年漏斗區(qū)面積達(dá)1500km2，水位負(fù)值區(qū)面積達(dá)1100km2。

目前有不少學(xué)者進(jìn)行了地下水埋深相關(guān)研究，包括建立地下水位模擬及預(yù)測(cè)模型，以及進(jìn)行地下水動(dòng)力分析研究等［3-5］。本文對(duì)昌邑市地下水位進(jìn)行分析，應(yīng)用Surfer等軟件進(jìn)行地下水位埋深等值線插值及3D仿真模擬。

2 項(xiàng)目區(qū)基本情況

2.1 自然條件

(2)水文地質(zhì)。昌邑市位于華北臺(tái)地的東南部，著名的沂沭深大斷裂帶縱貫?zāi)媳?，?duì)這一地區(qū)起控制作用。沂沭斷裂帶將昌邑市分為2個(gè)構(gòu)造單元，城西屬沂沭深大斷裂帶，濰坊凹陷區(qū)，城東是膠北隆起區(qū)。

該區(qū)淺層地下水類(lèi)型以松散巖類(lèi)孔隙水為主，含水層為第四系松散沉積物。含水層結(jié)構(gòu)因地層巖性、分布部位以及埋藏條件不同，其水文地質(zhì)特征也有一定差異。自南部山前至濰河沖積扇中部為淡水分布區(qū);往北濱海平原下部有咸水體向淡水區(qū)侵入，北部濱海平原至沿海地帶深部均為咸水，部分地段賦存鹵水。含水層巖性主要為中粗砂、礫質(zhì)粗砂、中細(xì)砂和砂壤土，滲透系數(shù)為1.3×10-4～6.6×10-2cm/s，具中等水～強(qiáng)透水性，場(chǎng)區(qū)地下水受大氣降水和河水補(bǔ)給，人工抽取和向下游徑流為主要排泄途徑。

2 .2 測(cè)站情況

2.2.1 測(cè)站分布

2002—2012 年昌邑市先后建有29個(gè)淺層地下水監(jiān)測(cè)站，基本覆蓋了昌邑市全境，每年具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)站12～19個(gè)，其中2011年有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)站16個(gè)，站點(diǎn)密度有待提高。2002—2012年，每年具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)站累積有166個(gè)，月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共有1992個(gè)。本文中的地下水位埋深均為淺層地下水埋深。其中，中部地區(qū)按主要干道并結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線劃分，面積約756km2。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，自2002年來(lái)，各年的測(cè)站分布情況與2012年基本一致，昌邑市地下水測(cè)站主要分布在中部片區(qū)，中部地區(qū)的測(cè)站分布基本均勻，而就全市來(lái)說(shuō)，北部區(qū)域測(cè)站尚較少。2002、2012年測(cè)站分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 2002、2012年測(cè)站分布情況對(duì)照?qǐng)D

2.2.2 測(cè)站控制面積

采用泰森多邊形法計(jì)算各測(cè)站控制面積，2002、2012年測(cè)站控制面積見(jiàn)圖1。昌邑市和中部區(qū)域的測(cè)站分布參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 2002、2012年測(cè)站控制面積比例參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

從圖1及表1中可以看出，就全市區(qū)域來(lái)說(shuō)，測(cè)站平均控制面積為105.1km2，測(cè)站密度為0.95/100km2，測(cè)站密度較小;測(cè)站控制面積最大值與最小值的平均比值為12.68，標(biāo)準(zhǔn)差、偏差系數(shù)均較大，說(shuō)明測(cè)站分布不均勻。中部區(qū)域來(lái)說(shuō)，測(cè)站平均控制面積為50.7km2，測(cè)站密度為1.97/100km2，測(cè)站密度相對(duì)較大;測(cè)站控制面積最大值與最小值的平均比值為4.14，標(biāo)準(zhǔn)差、偏差系數(shù)均較小，說(shuō)明中部區(qū)域測(cè)站分布相對(duì)較均勻、布置較為合理。

1336 Association of apolipoprotein M gene single nucleotide polymorphism and chronic obstructive pulmonary disease

3 地下水埋深等值線插值

3.1 Surfer軟件

Surfer軟件是美國(guó)Golden Software公司編制的一款三維處理軟件。Surfer具有的強(qiáng)大插值功能和繪制圖件能力，使它成為用來(lái)處理XYZ數(shù)據(jù)的首選軟件，可以制作基面圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、分類(lèi)數(shù)據(jù)圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢(shì)圖、矢量圖以及三維表面圖等。軟件具有體積小、運(yùn)行速度快、模擬效果好等特點(diǎn)，在降雨及地形插值方面具有廣泛的應(yīng)用前景［6］。

3.2 埋深等值線插值

采用克里金插值法［3，6］進(jìn)行地下水位埋深插值。分析昌邑市地下水位特性，應(yīng)用Surfer生成埋深等值線圖，該軟件的操作步驟為:

(1)繪制流域邊界。獲取流域邊界的相對(duì)或絕對(duì)地理坐標(biāo)，將邊界地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為Surfer格式的.bln數(shù)據(jù)文件;

(2)導(dǎo)入測(cè)站坐標(biāo)。制作符合Surfer格式要求的測(cè)站坐標(biāo)文件，將測(cè)站文件輸入到軟件，使用克里金法進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ);

(3)繪制等值線圖。使用軟件的等值線功能生成等值線圖;

(4)增加流域邊界。使用軟件的網(wǎng)格白化功能，將流域邊界導(dǎo)入到等值線圖，等值線圖具有流域邊界。

應(yīng)用SURFER軟件對(duì)昌邑市2002—2012年平均地下水位進(jìn)行埋深插值，插值方法采用軟件內(nèi)置的克里金點(diǎn)插值法。其中2002、2012年的埋深等值線圖見(jiàn)圖2。

圖2 2002、2012年全市地下水埋深等值線示意圖

3.3 插值結(jié)果分析

昌邑市地下水漏斗區(qū)主要集中在該市的中部地區(qū)，2002年漏斗區(qū)面積較小，2002—2012年地下水漏斗區(qū)面積基本呈逐年擴(kuò)大趨勢(shì)，同時(shí)地下水埋深逐步加大。

對(duì)全市區(qū)域和中部區(qū)域的地下水埋深分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3。全市區(qū)域來(lái)看，2002地下水位最高，2005—2007年地下水位較低，2008年后地下水位基本呈回升趨勢(shì);鑒于北部區(qū)域測(cè)站較少、插值精度低，北部區(qū)域的插值結(jié)果僅作為參考。中部區(qū)域來(lái)看，2002—2012年地下水位基本呈下降趨勢(shì)，總體下降2.00m左右，其中2010年地下水位最低。

圖3 昌邑市年均埋深對(duì)照?qǐng)D

為檢驗(yàn)該軟件插值精度，去掉114號(hào)站數(shù)據(jù)對(duì)2002—2012年埋深進(jìn)行重新插值模擬，其中114號(hào)站 (東經(jīng)119°25'、北緯36°53')有連續(xù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該站位于漏斗區(qū)內(nèi)。模擬結(jié)果見(jiàn)圖4，模擬埋深與實(shí)測(cè)埋深的平均相對(duì)誤差(絕對(duì)值)為14.75%，2002—2006年的擬合效果較好;隨著近幾年地下水埋深的加大，模擬誤差有增大的趨勢(shì)。說(shuō)明該軟件插值精度受測(cè)站數(shù)據(jù)、測(cè)站分布等因素影響。一般情況下，測(cè)站密度越大，模擬精度越高;測(cè)站密度越小，模擬精度越低。

圖4 114號(hào)站實(shí)測(cè)埋深與模擬埋深對(duì)照?qǐng)D

3.4 地下水埋深3D仿真

目前地形模擬、洪水仿真、流場(chǎng)計(jì)算等領(lǐng)域，主要應(yīng)用Arcgis、Mapgis、OpenGL等軟件進(jìn)行仿真。其中Arcgis具有較好的模擬效果，可直接計(jì)算等值線覆蓋面積等，但是該軟件體積龐大，占用大量空間，同時(shí)該軟件對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求高，運(yùn)行速度慢。因此，在滿足地下水仿真要求的前提下，可選用Surfer軟件進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算。應(yīng)用Surfer的3D Surface功能進(jìn)行漏斗三維圖生成。其中2002、2012年中部區(qū)域的年平均埋深3D效果圖見(jiàn)圖5、6。

圖5 2002年中部區(qū)域平均埋深3D圖

圖6 2012年中部區(qū)域平均埋深3D圖

對(duì)中部區(qū)域來(lái)說(shuō)，2002年平均埋深為7.91m，漏斗主要分布在該區(qū)的中部片區(qū)，最大測(cè)站埋深20.73m;2012年平均埋深為9.46m，漏斗主要分布在該區(qū)的中部及西部片區(qū)，最大測(cè)站埋深23.99m。

4 結(jié)語(yǔ)

在既定的測(cè)站分布等條件下，應(yīng)用Surfer軟件繪制的昌邑市地下水埋深等值線圖及3D圖具有較好的可視化效果，可直觀的表述地下水位變化情況。地下水漏斗區(qū)主要集中在該市的中部地區(qū)，2002—2012年該地區(qū)的地下水位基本呈下降的趨勢(shì)，漏斗區(qū)面積逐步擴(kuò)大。該軟件插值精度受測(cè)站數(shù)據(jù)、測(cè)站分布等因素影響，需進(jìn)一步深入研究插值修正方法以提高模擬精度。

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