大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)的構建和應用

孫佳瑋，鄭西來，張　博

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大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)的構建和應用

孫佳瑋1,2，鄭西來1,2，張博1,2

(1.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100)

在大沽河地下水源地自然地理、地質和水文地質條件調查的基礎上，系統(tǒng)地收集和整理了鉆孔屬性信息、地下水水位和水質監(jiān)測數據，構建了基于Microsoft SQL Server基礎數據庫和Hydro GeoAnalyst信息管理平臺的大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了數據存儲不規(guī)范、查詢提取困難、缺乏系統(tǒng)管理和利用效率低等問題，實現(xiàn)了數據資料的存儲、查詢和可視化展示，幫助管理者快速、準確、全面地掌握大沽河地下水源地地層和巖性分布、地下水水位和水質的動態(tài)變化趨勢與空間分布特征。本系統(tǒng)為大沽河地下水源地的合理開發(fā)、管理和污染治理提供了數據和技術支持，具有重要的理論意義和實際應用價值。

地下水源地；信息管理系統(tǒng)；數據庫；可視化；大沽河

建立以數據庫和可視化等計算機信息技術為基礎的地下水源地信息管理系統(tǒng)、為地下水管理過程中數據查詢和決策分析提供有效的數據和技術支持，成為水利現(xiàn)代化的發(fā)展方向。

國外相關機構較早地致力于地下水源地信息管理系統(tǒng)的研究。2011年德國Ribeka公司將其開發(fā)的GW-Base 地下水管理系統(tǒng)軟件升級至8.0版本，使地下水資料的分析、展示更加靈活、多樣化[1,2]。WISKI 是德國Kisters公司開發(fā)的較成熟的和完整的水文水環(huán)境基礎信息管理系統(tǒng)，其強項是對時間序列數據的管理[3,4]。由于水利信息網絡建設較完善，數據共享程度高，國外的水利信息化建設具有通用性和數據共享較高、涉及業(yè)務面較廣等特點，計算機技術在地下水資源管理應用程度處于較高水平[5]。

近年來,我國大力開發(fā)地下水資源，但在地下水資源管理方面仍與國外先進水平存在一定差距[6]。曹媛媛(2012)等設計了基于C/S模式的地下水觀測管理信息系統(tǒng)[7]；劉靜(2009)、柳華武(2010)、任仲宇(2013)等分別以基于GIS的時空數據庫為支持平臺,開發(fā)區(qū)域地下水信息管理系統(tǒng)[8-10]。日益完善的信息管理系統(tǒng)為我國地下水管理工作提供了越來越多的支持。

地下水源地信息管理系統(tǒng)為傳統(tǒng)的地下水資源管理注入了全新的信息系統(tǒng)化管理理念，利用信息管理系統(tǒng)進行資料的存儲、查詢能夠提高工作效率。數據信息的交互能有效地滿足各部門的管理需求，增進彼此信息交互。數據信息的可視化使數據的展示從單一的文字發(fā)展為文字與可視化直觀圖像相結合的方式，這使數據間的聯(lián)系更為密切。

大沽河地下水源地是青島最主要的地下水源地，經多年開發(fā)利用，已經積累了大量的調查資料和監(jiān)測數據，長期的分頭管理模式使這些數據存儲散亂，在進行區(qū)域性研究時，往往難以找到相關數據間的聯(lián)系，數據使用效率低。為有效解決上述問題，本文構建了大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)數據資料的統(tǒng)一管理與可視化輸出，使之得到規(guī)范的存儲、準確的查詢、高效的使用、直觀且全面的展示。

1　研究區(qū)環(huán)境概況

大沽河地下水源地位于膠東半島，北起平度古峴以北龍虎山和萊西的江家莊閘 ,南至青(島)- 膠(州)公路 ,東 、西到大沽河古河谷的邊緣,面積460 km2(圖1)。大沽河流域總體屬暖溫帶季風型大陸性氣候，由于靠近海洋，該區(qū)域也顯現(xiàn)較明顯的海洋氣候特征。據南村水文站多年氣象資料，研究區(qū)內一般八月份溫度最高，最高值為38.9℃；一般一月份溫度最低，最低值達到-16.4℃；多年平均氣溫為12.5℃。降水量在空間分布上極不均勻，由南向北逐漸降低的趨勢，年均降雨量為707.4 mm；降水量在時間分布上具有年內分配不均、年際變化大、枯水年持續(xù)時間長的顯著特點。研究區(qū)蒸發(fā)量年內分配不均，11月至次年2月蒸發(fā)量較小，4-9月蒸發(fā)量大，最小年蒸發(fā)量為787.0 mm(1990年)，最大年蒸發(fā)量為1 238.7 mm(1978年)，多年平均蒸發(fā)量為960.35 mm。

大沽河地下水主要賦存于第四系沖積-沖洪積層中，含水層巖性為砂、砂礫石，為蓋層較薄的潛水含水層。在垂向上，在表層覆蓋有薄層的粘質砂土或砂質粘土，有利于地表補給地下水。在平面上，含水層沿河呈條帶狀分布，靠大沽河附近含水層厚度大，兩側變薄，最大厚度為15 m，平均厚度為5.19 m；寬度一般在6 000 m左右，最窄處約3 500 m，最寬處超過10 000 m。中間富水性強，導水性好，向兩側富水性與導水性逐漸變差。地下水埋藏較淺，總流向與河水流向基本一致，大致沿河谷自上游向下游流動，最終流入膠州灣。同時，為了能夠有效地保護大沽河地下水源地，03年以來，水利部門在該地分期設置了多處地下水水質監(jiān)測井，監(jiān)測指標20余項；08年以來，水利部門又在該地設置地下水水位監(jiān)測井，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

圖1　大沽河地下水源地概況

2　地下水源地信息管理系統(tǒng)構成及工作環(huán)境

大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)主要包括Microsoft SQL Server基礎數據庫和Hydro GeoAnalyst(HGA)信息管理平臺。

Microsoft SQL Server 是一個全面的數據庫平臺，具有使用方便、可伸縮性好、與相關軟件集成程度高等優(yōu)點。Microsoft SQL Server數據庫引擎為關系型數據和結構化數據提供了安全、可靠的存儲功能，可以用于構建和管理高性能的數據管理系統(tǒng)[11]。在存儲大量數據信息的同時，數據庫平臺可以通過標準的SQL語言來檢索和更新數據，幫助管理者進行數據訪問和交互。

HGA信息管理平臺是一個基于Microsoft SQL Server技術的應用程序軟件，該軟件由許多個模塊組成，每個模塊執(zhí)行一類特定的功能。這種模塊化結構使得HGA對內存的使用變得更加有效、靈活和可擴展。用于數據管理方面的模塊包括：模板管理器(Template Manager)、數據傳輸系統(tǒng)(Data Transfer System)、查詢生成器(Query Builder)、實驗室質量保證/質量控制(Lab QA/QC)、列表編輯器(List Editor)、巖性規(guī)范(Material Specification)。用于分析和可視化的模塊包括：交叉表查詢(Cross Tab Query)、時間序列圖(Time Series Plot)、鉆孔制圖器(Bore Hole Log Plotter)；地圖管理器(Map Manager)、剖面編輯器(Cross Section Editor)、3D瀏覽器(3D Explorer)。原始數據可以通過這些模塊轉化為空間數據集，進而以可視化的方式展示出來。此外，HGA有一個報表設計器(Report Designer)模塊，允許使用者將數據、分析和可視化結果導入到報表模板。

系統(tǒng)對計算機硬件的選擇由數據的處理方式和運行的軟件來決定，在硬件選擇時優(yōu)先考慮技術成熟的可靠機型，主要是處理速度快，數據存儲量大，良好的兼容性、可維護性，操作方便等，能滿足軟件對計算機處理能力的要求。

硬件包括Windows 7 Professional、 Enterprise或Ultimate 、Windows Vista Business、Ultimate或Enterprise (SP2) 、Windows XP Pro (SP3) 以及計算機處理器(32-bit 或64-bit)、硬盤(100MB )、內存(2GB)、網絡硬件、網卡。

軟件包括 Microsoft .NET Framework v4.0；Microsoft SQL Server Express 2008 R2或2012；Microsoft Visual Studio C++ 2005；Hydro GeoAnalyst。

3　大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)主要功能應用

通過導入大沽河地下水源地各鉆孔屬性信息、地下水水位和水質監(jiān)測數據，構建大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)的基礎數據庫，進而應用HGA信息管理平臺的多個功能模塊實現(xiàn)對數據的管理和可視化展示。具體應用流程如圖2所示。

圖2　地下水源地信息管理系統(tǒng)構建與應用流程圖

3.1基礎數據庫的構建

將大沽河地下水源地177眼鉆孔資料(數量、所在位置、地理坐標、鉆孔口高程和各層的巖性與厚度)、1998-2014年147眼井地下水水位信息和30眼井地下水水質信息(pH、Cl-、SO42-、TDS、F-、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、CO32-、HCO3-、As3+、Hg2+、Cr6+、Mn2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、總鐵、高錳酸鹽指數、揮發(fā)酚、氰化物、總硬度)錄入基礎數據庫(圖3)。

由于監(jiān)測過程持續(xù)時間長、數據采集頻率高、監(jiān)測指標多、鉆孔多且分布廣，所以大沽河地下水源地數據龐雜，且不同年份監(jiān)測數據格式不統(tǒng)一、存放不集中。因此，在構建系統(tǒng)基礎數據庫時，需要先將各種數據收集完備，再通過系統(tǒng)信息管理平臺的站點列表(Station List)選項卡逐條錄入鉆孔信息和監(jiān)測數據。然而，逐條錄入的方式工作量很大。通過多次嘗試，發(fā)現(xiàn)通過靈活運用管理平臺的數據傳輸系統(tǒng)(Data Transfer System)能夠很好的解決這一問題。因為該數據傳輸系統(tǒng)可以識別多種來源的數據格式，如文本文件(.CSV)、Microsoft Excel電子表格(XLS)、Microsoft Access數據庫(MDB)、SQL Server數據庫及其他ODBC或OLEDB數據源(DBF)，并具有數據驗證和錯誤檢查功能。因此采取先將全部原始數據信息通過數據傳輸系統(tǒng)調整為統(tǒng)一格式，再批量錄入基礎數據庫的方法，大大提高了工作效率。此外，在鉆孔信息錄入系統(tǒng)數據庫的過程中，部分鉆孔位置信息缺失，為保證數據完整性，前往對應地點進行了經度、緯度調查。

圖3　基礎數據庫的數據組成

3.2數據信息的查詢和提取

本系統(tǒng)存儲數據的查詢和提取功能是通過HGA信息管理平臺的查詢生成器(Query Builder)模塊實現(xiàn)的。其通過設計預覽(Design Preview)界面快速生成SQL語句，結合邏輯表達式和運算符(>，>=，<=,<,=,<>,!=,!<,!>,LIKE,IS,IS NOT,BETWEEN,&,!)進行數據查詢。此外，本系統(tǒng)還可以對查詢結果作快速統(tǒng)計(如AVG，COUNT，MAX，MIN，STDEV，STDEVP，SUM，VAR，VARP)，并按升序或降序對查詢結果進行排序。

通過以上操作，系統(tǒng)可以查詢、提取鉆孔屬性信息(地層巖性、厚度數據、不同地下水化學成分等)。

3.3可視化展示

基礎數據庫中的數據信息能夠通過信息管理平臺實現(xiàn)可視化輸出，直觀地展示地層和巖性分布以及地下水水位、水質的動態(tài)變化趨勢和空間分布特征。

可視化功能的實現(xiàn)主要依靠HGA信息管理平臺的剖面編輯器和地圖管理器等功能模塊。其中，基于ESRITM技術的地圖管理器模塊集成了諸多地圖制圖功能，能夠無縫地將數據庫信息映射到地圖中，它還是制作地質剖面、獲取井鉆細節(jié)信息、繪制等值線的基礎。

3.3.1典型鉆孔柱狀圖和地層剖面圖繪制

根據大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)數據庫中的鉆孔信息，使用地圖管理器定義一條典型剖面線，此剖面線包括了孫家頂村委監(jiān)測點(a)、東馬龍瞳村委監(jiān)測點(b)、王家村委監(jiān)測點(c)、趙家水泵站監(jiān)測點(d) 、西橋村委監(jiān)測點(e)。根據這5個鉆孔的基礎信息，通過剖面編輯器的鉆孔制圖(Bore Hole Log Plot)選項繪制鉆孔柱狀圖(圖4)。然后，生成對應的地層剖面圖(圖5)。

圖4　鉆孔柱狀圖

圖5　地層剖面圖

圖6　地下水水位等值線

圖7　地下水中硝酸鹽氮等值線

3.3.2典型等值線圖繪制

使用地圖管理器導入大沽河地下水源地底圖，在系統(tǒng)數據庫中分別選擇地下水水位監(jiān)測井和水質監(jiān)測井，獲得其位置信息及2014年6月的地下水水位數據和2013年9月地下水中硝酸鹽氮濃度數據，選擇克里金插值方法，使用編輯選項分別繪制得到對應的地下水水位等值線(圖6)和地下水中硝酸鹽氮等值線(圖7)。

通過地下水水位等值線可以進一步計算地下水資源量和合理開采量，通過地下水硝酸鹽氮等水質監(jiān)測指標濃度的等值線可以了解到地下水污染程度和污染分布情況，為規(guī)劃污染治理方案提供數據和技術支持。

4　結語

本文在大沽河地下水源地地質和水文地質系列資料全面收集和整理的基礎上，錄入地下水源地鉆孔屬性信息、地下水水位和水質實測數據，構建了大沽河地下水源地基礎數據庫；另外，通過信息管理平臺處理數據資料，進行了鉆孔剖面圖、地層剖面圖、地下水水位、水質等值線的可視化展示，從而解決了數據信息存儲不規(guī)范、查詢提取困難、缺乏系統(tǒng)管理和利用效率低等問題。

大沽河地下水源地信息管理系統(tǒng)能夠快速、準確地展示研究區(qū)地層和巖性分布、地下水水位和水質的動態(tài)變化趨勢與和空間分布特征，該系統(tǒng)的構建和應用可以為大沽河地下水源地的開發(fā)、利用和管理提供了技術支持，具有重要的實用價值和應用前景。

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Construction and Application of Information Management System about the Groundwater Source Field of Dagu River

SUN Jia-wei1,2，ZHENG Xi-lai1,2，ZHANGBo1,2

(1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology,Minister of Education,Ocean University of China，Qingdao 266100,Shandong；2.College of Environmental Science and Engineering,Ocean University of China Qingdao 266100,Shandong)

Based on the research on natural geography,geologic and hydrogeological conditions about the groundwater source field of Dagu River，the information about boreholes and the data about the level and quality of groundwater has been collected and sorted systematically.An information management system about the groundwater source field of Dagu River is set up on the basis of Microsoft SQL Server foundation database and Hydro GeoAnalyst information management platform.This system solves the problems of non-standard storage,access difficulties,a lack of system management and low utilization efficiency of data.It realizes the storage,query and visualization display of data.It helps the manager to grasp the stratum and lithological distribution and the dynamic change trend and spatial distribution characteristics about the level and quality of groundwater in the groundwater source field of Dagu River.The system provides data and technical support for the rational development,management and pollution control of the groundwater source field of Dagu River,which has important theoretical and practical value.

Groundwater source field；information management system；database；visualization and Dagu River

2016-03-14

青島市重大水利科技專項“青島大沽河地下水水源地生態(tài)保護與修復”(T-20140813-017)

孫佳瑋(1990-)，男，山東青島人，在讀碩士研究生，主攻方向：水資源保護與水污染控制。

鄭西來(1959-)，男，河南洛陽人，博士，研究方向：水資源保護與水污染控制研究

P641.2

A

1004-1184(2016)05-0057-04