基于GIS的地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

徐 斌， 李佩成

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.長安大學 水與發(fā)展研究院， 陜西 西安 710054)

1 研究背景

地下水是除冰川外地球上分布最廣泛、儲量最豐富的淡水資源，對于人類生存、社會發(fā)展具有重要的意義。對地下水的形成、演化及各種影響因素相互關系的研究，是科學地開發(fā)利用地下水資源、保護生態(tài)環(huán)境，促進人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展不可缺少的基礎性工作，也是國際上水科學界研究的熱點問題[1-5]。目前，地下水動力場、化學場以及生態(tài)環(huán)境效應等方面的研究局限在地下水環(huán)境問題的某一方面，在綜合性的研究與探討方面則略顯不足[6-8]。因此，數(shù)值模擬、“3S”、空間分析建模等技術綜合運用，研究自然與人類活動共同影響下地下水環(huán)境演化的復合效應，已經(jīng)成為了地下水環(huán)境演化研究的發(fā)展趨勢之一。

在地下水環(huán)境演化研究中，涉及到大量空間數(shù)據(jù)的分析工作，需要對各種空間分析工具按照分析過程進行綜合以建立分析模型，從而完成地下水動力場、地下水水化學場以及地下水環(huán)境演化效應中各種問題的模擬與分析，GIS空間分析建模技術為地下水環(huán)境演化分析提供了新的研究方法[9-13]。

本文針對地下水環(huán)境演化問題，設計了地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)，利用GIS空間分析建模技術建立地下水環(huán)境演化分析模型，通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理、專題分析、可視化等系統(tǒng)功能。選取典型研究區(qū)進行驗證，對典型研究區(qū)的地下水環(huán)境問題進行分析，驗證了系統(tǒng)和空間分析模型的實效性，為研究地下水在自然和人為因素影響下的演化規(guī)律與響應機制提供了技術支持。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)目標

地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)，是存儲、管理地下水環(huán)境相關要素數(shù)據(jù)，分析處理地下水環(huán)境中地下水動力場、地下水化學場動態(tài)特征，評價地下水環(huán)境演化所引起的生態(tài)與環(huán)境效應的信息系統(tǒng)。系統(tǒng)建設的目標是以地下水環(huán)境演化分析理論為基礎，以實現(xiàn)區(qū)域地下水環(huán)境系統(tǒng)科學的分析為目的，通過時空數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)、空間分析建模等技術手段，構(gòu)建功能實用、性能可靠的地下水環(huán)境演化分析平臺，為及時掌握區(qū)域地下水環(huán)境的狀態(tài)、生態(tài)與環(huán)境演化效應以及演化趨勢提供技術支持，并對區(qū)域水資源的開發(fā)利用、地下水環(huán)境保護與治理提供科學依據(jù)[14]。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)在邏輯上采用三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

數(shù)據(jù)支撐層為系統(tǒng)分析提供數(shù)據(jù)基礎。業(yè)務層是系統(tǒng)的核心，在業(yè)務層通過空間分析模型實現(xiàn)地下水環(huán)境演化分析所涉及的基礎分析和專題分析。集成應用層是人機交互的關鍵，通過可視化手段以圖表、地圖、圖像形式展示地下水環(huán)境狀態(tài)和演化趨勢，并為科研人員進行系統(tǒng)分析提供了友好的交互界面[15]。

圖1 系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能設計

(1)數(shù)據(jù)庫管理與維護功能。實現(xiàn)地下水環(huán)境的空間數(shù)據(jù)建模，建立地下水環(huán)境時空數(shù)據(jù)庫，對區(qū)域地下水系統(tǒng)中的多源數(shù)據(jù)從時間和空間的綜合角度進行集成管理與維護。

(2)地下水動力場分析功能。建立地下水動力場分析模型，實現(xiàn)區(qū)域地下水動力場演化分析。研究地下水水位時空演化特征，計算潛水儲量動態(tài)，確定地下水動態(tài)類型，最終獲得綜合因素影響下由階段性動態(tài)變化引發(fā)的地下水動力場演化特征。

(3)地下水化學場分析功能。建立地下水化學場分析模型，實現(xiàn)對區(qū)域地下水化學場各個要素的分析。包括主要成分的空間分布及變化趨勢，水化學類型分布，水化學成分的形成與轉(zhuǎn)化，分析地下水化學成分與相關因素的相互關系，明確地下水化學場演化規(guī)律等。

(4)地下水環(huán)境演化效應分析功能。實現(xiàn)地下水環(huán)境演化效應分析，包括地下水質(zhì)量和地下水污染等方面，分析地下水環(huán)境演化可能引發(fā)的土壤鹽漬化等生態(tài)效應問題。

(5)可視化與輸出功能。通過GIS的可視化與輸出功能，地下水環(huán)境演化分析中的重要數(shù)據(jù)與信息可以多種方式進行顯示輸出，在此基礎上通過可視化分析與綜合解釋，可以進一步揭示地下水環(huán)境在自然因素與人為因素干擾下發(fā)生演化的規(guī)律。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)選擇ESRI的ArcGIS系列產(chǎn)品為地理信息系統(tǒng)環(huán)境，基于Geoprocessing的空間分析建模理論，以ArcGIS提供的ModelBuilder(模型生成器)與Python腳本語言為空間分析建模平臺，綜合運用ArcToolbox的系統(tǒng)分析工具進行腳本編程，建立地下水環(huán)境演化研究的空間分析模型?；?Net Framework和Visual Studio 2005 開發(fā)環(huán)境，利用Visual C#編程實現(xiàn)系統(tǒng)功能和人機交互界面[14-15]。

3.1 實現(xiàn)過程

系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)過程包括問題求解原理研究、空間分析建模和程序代碼編寫3個部分，現(xiàn)以潛水儲存量動態(tài)分析為例進行說明。

3.1.1 潛水儲存量動態(tài)分析原理 通過已知的不同時期的地下水水位監(jiān)測資料，利用GIS空間插值建立均衡期始末潛水面數(shù)字高程模型，由兩期潛水面構(gòu)造地質(zhì)單元體，運用分布式參數(shù)來計算潛水儲存量變化量或相對儲量[14]。含水層地質(zhì)單元體的離散化如圖2所示。

圖2 含水層離散化

含水層的給水度μ離散化之后，每個單元都有與之空間位置相對應的給水度μi，如圖3所示。

選用體積單位進行水量計算時，其計算公式為：

(1)

式中：Q為潛水儲存量的變化量，m3；Qi為離散化的地質(zhì)單元體i的飽和潛水儲存量，m3；N為離散化的地質(zhì)單元體總數(shù)。

Qi的計算公式為：

Qi=μiVi

(2)

式中：μi為地質(zhì)單元體i的給水度；Vi為地質(zhì)單元體i的體積，m3。

Vi計算公式為：

Vi=AiΔhi

(3)

式中：Ai為柵格數(shù)據(jù)格網(wǎng)單元面積，m2；Δhi為地質(zhì)單元體i的厚度，即該單元潛水位變化值，為兩期潛水面對應單元內(nèi)水位高程差值，m。

面積Ai計算公式如下：

Ai=XY

(4)

式中：X和Y為柵格格網(wǎng)的長和寬，m。

Δhi計算公式如下：

Δhi=hiT1-hiT2

(5)

式中：hiT1為地質(zhì)單元體i在T1時期的水位高程，m；hiT2為地質(zhì)單元體i在T2時期的水位高程，m。

3.1.2 空間分析建模 在ArcGIS的Geoprocessing框架中，提供了Raster、Math等柵格計算類工具，通過ModelBuilder的圖形化建模，將輸入數(shù)據(jù)、處理工具、輸出數(shù)據(jù)按照問題的求解邏輯進行組合，建立相應的空間分析模型。過程如下：

(1)Δhi計算。在ModelBuilder中，將T1和T2時期的潛水面柵格數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，使用柵格減法Minus工具按照公式(5)計算Δhi，結(jié)果存儲于柵格數(shù)據(jù)。

(2)Ai計算。在ModelBuilder中，通過柵格查詢屬性工具獲得柵格單元的X和Y，調(diào)用Math工具集中的柵格乘法Times工具按照公式(4)計算Ai。

(3)Vi計算。在ModelBuilder中，將Δhi、Ai作為模型的輸入數(shù)據(jù)，調(diào)用Math工具集中的柵格乘法Times工具公按照公式(3)計算Vi，結(jié)果存儲于柵格數(shù)據(jù)。

(4)Qi計算。在ModelBuilder中，將μi、Vi作為模型的輸入數(shù)據(jù)，調(diào)用Math工具集中的柵格乘法Times工具按照公式(2)計算Qi，計算結(jié)果存儲于柵格數(shù)據(jù)中。

(5)Q計算。將Qi作為輸入數(shù)據(jù)，調(diào)用柵格統(tǒng)計分析工具，按照公式(1)計算Q，結(jié)果以表格輸出。

按照分析流程建立潛水儲存量動態(tài)分析模型，如圖4所示。將模型命名為StorageVariation，保存在Groundwater Environmental Evolution Analyst Tools.tbx工具集文件中。

3.1.3 程序代碼編寫 在ModelBuilder生成空間分析模型后，編寫系統(tǒng)相應功能的程序代碼，以ModelBuilder模式化對話框形式調(diào)用該模型執(zhí)行分析任務，代碼如下：

private void buttonXStorageVariation_Click(object sender, EventArgs e)

{

// 顯式調(diào)用空間分析模型，以對話框形式運行

// 引用IGPToolCommandHelper2 接口.

IGPToolCommandHelper2 pToolHelper = new GPToolCommandHelperClass() as IGPToolCommandHelper2;

// 空間分析模型工具箱文件路徑

// Properties.Settings.Default.HydrodynamicToolbox =

// @“D:Groundwater Environmental Evolution Analyst Tools.tbx”;

string sToolboxName = Properties.Settings.Default.HydrodynamicToolbox.ToString();

// 設置工具名稱，即空間分析模型名稱

pToolHelper.SetToolByName(sToolboxName, “StorageVariation”);

// 創(chuàng)建IGPMessages對象和bool型返回參數(shù)給InvokeModal 方法.

IGPMessages ppMessages = new GPMessagesClass();

bool pOK = true;

// 調(diào)用潛水儲存量動態(tài)分析模型

pToolHelper.InvokeModal(0, null, out pOK, out ppMessages);

}

3.2 實現(xiàn)結(jié)果

3.2.1 數(shù)據(jù)庫管理 按照系統(tǒng)功能設計與建庫規(guī)范，對研究前期收集整理的各類資料進行處理后建立了地下水環(huán)境時空數(shù)據(jù)庫[11-12]，并開發(fā)了數(shù)據(jù)庫管理與維護系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫及其系統(tǒng)功能實現(xiàn)如圖5所示。

3.2.2 地下水動力場分析 通過ModelBuilder對地下水動力場中的分析內(nèi)容進行建模，模型以工具集形式嵌入到ArcToolbox中，既可以由環(huán)境演化分析系統(tǒng)后臺調(diào)用，也可以由支持ArcToolbox工具的ESRI系列軟件加載使用。圖6所示為系統(tǒng)開發(fā)結(jié)果，每個分析模型都對應有相應的分析菜單或工具集按鈕，用戶在系統(tǒng)中調(diào)用模型與在ESRI調(diào)用具有相同參數(shù)設置，但界面更加友好，操作便捷。

3.2.3 地下水化學場分析 地下水化學場分析的研究內(nèi)容包括水化學成分空間分布特征、區(qū)域水化學類型、主要離子間的相互關系、地下水化學場的形成與演化控制因素問題。圖7所示為地下水化學場分析模型對應分析系統(tǒng)功能的實現(xiàn)結(jié)果。

3.2.4 地下水環(huán)境演化效應分析模型 在地下水環(huán)境演化引發(fā)的生態(tài)與環(huán)境負效應問題研究中，在對地下水水質(zhì)評價、地下水污染以及土壤鹽漬化發(fā)生機理的理論與方法研究的基礎上，建立基于分布數(shù)據(jù)的地下水環(huán)境演化效應分析模型，圖8所示為地下水環(huán)境演化效應分析模型對應分析系統(tǒng)功能的實現(xiàn)結(jié)果。

4 系統(tǒng)應用驗證

為對所建空間分析模型和系統(tǒng)功能進行驗證，選擇陜西省涇惠渠灌區(qū)為典型研究區(qū)，收集基礎地理數(shù)據(jù)、地下水環(huán)境演化數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源建立數(shù)據(jù)庫，應用系統(tǒng)對其地下水動力場、地下水化學場和生態(tài)環(huán)境效應進行分析。以地下水動力場特征分析為例說明地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)的具體應用過程。

4.1 系統(tǒng)應用

4.1.1 模型前處理 在系統(tǒng)運行后，通過數(shù)據(jù)庫管理功能打開涇惠渠地下水環(huán)境時空數(shù)據(jù)庫，選擇需要用于地下水動力場分析的具體數(shù)據(jù)，如圖9所示。

4.1.2 調(diào)用空間分析模型 切換至分析工具控制臺，選擇地下水動力場分析工具，在地下水動力分析工具面板中，點擊儲存量動態(tài)分析模型，系統(tǒng)會調(diào)用分析模型并彈出窗口，根據(jù)模型運行需求設置參數(shù)后，運行模型。如圖10所示。

圖4 潛水儲存量動態(tài)分析模型

圖5 數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)功能實現(xiàn)

圖6 地下水動力場分析功能

圖7 地下水化學場分析功能

圖8 地下水環(huán)境演化效應分析功能

圖9 系統(tǒng)分析應用——模型前處理

4.1.3 模型后處理 系統(tǒng)調(diào)用空間分析模型獲得分析結(jié)果后，仍需要調(diào)用輔助分析模型對數(shù)據(jù)進行導出、裁剪等后處理工作，最后通過系統(tǒng)預設的地圖模板定制成圖，如圖11所示。

在完成一項分析任務后，可以根據(jù)分析需要對不同時期的數(shù)據(jù)進行處理，即可以獲得地下水動力場的演化數(shù)據(jù)。

使用相同流程，完成研究區(qū)的地下水動力場、地下水化學場以及地下水環(huán)境演化效應的具體分析內(nèi)容。

圖10 系統(tǒng)分析應用——調(diào)用空間分析模型

圖11 系統(tǒng)分析應用——模型后處理

4.2 驗證分析

以1978、2012年潛水面數(shù)字高程模型作為輸入，以《涇惠渠灌區(qū)淺層地下水資源調(diào)查研究成果報告》(陜西省涇惠渠灌區(qū)地下水調(diào)查組，1980)給出的含水巖組給水度(μ)進行離散化獲得的空間分布數(shù)據(jù)作為模型參數(shù)，調(diào)用潛水儲存量動態(tài)分析模型分析計算，獲取潛水儲存量動態(tài)數(shù)據(jù)。

分析結(jié)果顯示：研究區(qū)西南部形成了經(jīng)橋底鎮(zhèn)—燕王—三渠鎮(zhèn)—崇皇—張卜的長達45 km、平均寬度10 km的大型疏干區(qū)域，是研究區(qū)潛水儲量減少的主要區(qū)域(圖12)。經(jīng)模型計算，至2012年，研究區(qū)潛水儲存量相對減少7.10×108m3，其他學者通過手工繪制等水位線圖及三角剖分計算研究區(qū)潛水疏干量為7.17×108m3[16]，與本文所建立系統(tǒng)分析結(jié)果基本一致。

驗證分析表明，相比傳統(tǒng)分析方法，地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)充分利用GIS海量數(shù)據(jù)管理功能與空間分析模型的先進性，分析過程自動化程度較高，分析結(jié)果可視化效果優(yōu)良且信息量豐富，有效地提高了地下水環(huán)境問題求解的計算效率與分析能力，具有較高的可靠性和實用性。

圖12 潛水儲存量動態(tài)分析

5 結(jié) 論

(1)以系統(tǒng)論的方法對地下水環(huán)境演化分析進行概念建模，對基于地理信息系統(tǒng)、數(shù)字高程模型、遙感、空間分析建模等綜合信息技術的地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)進行設計。對地下水環(huán)境演化分析的核心分析模型結(jié)構(gòu)進行定義，明確模型運行機制。

(2)基于GIS空間分析建模技術，利用ArcGIS ModelBuilder構(gòu)建了地下水動力場分析模型、地下水化學場分析模型和地下水環(huán)境演化效應分析模型，通過編程實現(xiàn)了地下水環(huán)境演化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理、專題分析和可視化等功能。

(3)以陜西涇惠渠灌區(qū)為典型研究區(qū)，進行了實例驗證，應用地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)對研究區(qū)進行分析，驗證了地下水環(huán)境演化分析模型的可靠性與先進性，檢驗了所開發(fā)的地下水環(huán)境演化分析系統(tǒng)的實用性及效率。

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