基于GIS的地下水水位紅線管理方法研究

何 亮 ，陳鎖忠 ，2，齊 慧 ，陳 翠

（1.南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，210023，南京；2.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，210023，南京）

地下水指的是貯藏于地面以下巖石空隙中的水資源，是一種重要的地質(zhì)礦產(chǎn)資源。目前，部分地區(qū)由于不合理利用與過量開采地下水，引發(fā)了嚴重環(huán)境地質(zhì)問題。2011年中央1號文件特別強調(diào)，必須實行最嚴格水資源管理制度，確立水資源管理“三條紅線”，改變現(xiàn)存的水資源過度開采、水污染嚴重、水生態(tài)環(huán)境失衡等問題。對地下水實施“紅線管理制度”迫在眉睫。

在地下水水位紅線管理方面，我國相關專家學者已取得了較多的研究成果，如蔣詠等從江蘇水文地質(zhì)條件與地下水開發(fā)利用實際出發(fā)，提出了地下水水位紅線控制水平評估的體系；葉勇等基于我國地下水資源管理現(xiàn)狀及存在問題，提出利用地下水控制性水位與地下水可開采量結(jié)合雙重管理地下水的方式；張志強等在對比國內(nèi)外相關研究基礎上，探索了最嚴格地下水資源管理在 “三條紅線”中的量化理論和運用案例。

對照國外研究結(jié)果，國內(nèi)針對地下水紅線管理的研究尚存在問題。首先，我國一些涉及地下水開采的省份雖然已實現(xiàn)對水位紅線指標的具體劃分，但對水位紅線管理的可視化研究還顯不足，且分析方法缺乏創(chuàng)新，含水層結(jié)構與地下水動態(tài)的空間特征展示不夠突出；其次，雖然目前在地下水水位動態(tài)可視化方面已獲得較多研究成果，但多數(shù)可視化的形式為水位時間過程曲線或水位等值線，與地下水水位紅線行政管理業(yè)務結(jié)合得較少。

本文基于GIS（地理信息系統(tǒng)）空間分析與動態(tài)可視化等技術，結(jié)合地下水水位紅線管理業(yè)務，研究孔隙地下水水位紅線可視化管理技術，綜合展示地下水貯存環(huán)境和地下水水位時空特點，從多個層次實現(xiàn)對水位紅線分析的可視化，量化與自動圈定超限采的區(qū)域范圍，從而為地下水實施紅線管理制度提供技術保障。

一、地下水水位紅線管理概述

地下水水位紅線管理是基于地下水水位紅線指標來管理地下水水位，進而達到限制和規(guī)范地下水開采的目的。地下水水位紅線是基于數(shù)值模擬、相關分析等方法，并通過計算開采層的禁采水位來確定的。當含水層的水位低于禁采水位紅線后，繼續(xù)開采會對地下水系統(tǒng)造成惡劣影響。因此，需提前設定好限采水位紅線，確保在常態(tài)狀況下不超過地下水水位禁采紅線，即在水位接近禁采水位紅線之前，實現(xiàn)對地下水水位的紅線預警。限采水位紅線的值是指根據(jù)地下水可開采量計算控制水位，其劃定的技術路線如圖1所示。

地下水水位紅線管理的核心目標是對地下水資源的空間分布狀況進行量化，優(yōu)化地下水開采措施，嚴格把控地下水的開采量，提供保護地質(zhì)環(huán)境的數(shù)據(jù)支撐。針對已經(jīng)突破限采水位埋深紅線的地域范圍，按相關規(guī)范要求科學開采與管理；針對已靠近或?qū)⑦_到限采水位埋深紅線的地域范圍，應對新鑿井的開采與地下水開采進行嚴格把控；針對已低于禁采水位紅線的地域范圍，相關部門應重點關注并全面整治，直到地下水水位恢復正常為止。

目前，地下水水位紅線管理方法大部分是基于統(tǒng)計、對比分析技術來進行，是一種完全對屬性數(shù)據(jù)的分析方法，很難精確顯示地下水水位隨時空變化的特點。并且目前的管理方法是針對地下水監(jiān)測井點水位實行水位紅線分析，但孔隙地下水在平面空間上處于動態(tài)、連續(xù)的分布狀態(tài)，僅從監(jiān)測點上分析其動態(tài)變化存在著不足，需從三維空間上，多層次、多角度對孔隙地下水的動態(tài)特征進行分析，綜合判斷分析地下水水位是否已超過規(guī)定的紅線指標。

二、地下水水位紅線管理數(shù)據(jù)特征分析

支撐地下水水位紅線管理的核心數(shù)據(jù)包括：管理區(qū)域的地下水水位紅線指標值、地下水水位動態(tài)監(jiān)測及其表征地下水水位的相關數(shù)據(jù)。

圖1 地下水水位紅線劃定的技術路線

1.地下水水位紅線特征分析

所提“水位紅線”實則不是真正意義上的 “線”，針對監(jiān)測井點來說是“點”值；在2D空間中，在水文地質(zhì)剖面圖上呈“線”值；而在3D空間中，依據(jù)其物理意義是“警戒面”值。所以在對地下水水位實現(xiàn)紅線管理時，地下水水位紅線的幾何特征隨著其管理對象的幾何形態(tài)差異而呈現(xiàn)不同的形態(tài)?？傊?，水位紅線除了包含屬性數(shù)據(jù)特性之外，還包含空間數(shù)據(jù)的特性，具有空間特性、屬性特性與時間特性。

（1）空間特性

根據(jù)地下水水位紅線的劃分技術路線可知，在平面上，地下水水位紅線是依據(jù)不同的行政區(qū)劃和水文地質(zhì)分區(qū)來劃分的，因此，水位紅線的指標值在不同地區(qū)會存在顯著的差異性。

地下水水位紅線的劃分是依據(jù)每個管理分區(qū)的邊界進行劃定的，位于不同管理分區(qū)內(nèi)的水位紅線值存在差異，而位于相同管理分區(qū)內(nèi)的水位紅線值是一樣的。在縱向上，孔隙地下水賦存在不同的含水層中，因為各個含水層富水性、可開采資源量與開采程度存在差異性，導致各個含水層自身的屬性特性也存在差異。故在同一紅線管理分區(qū)內(nèi)，不同含水層的水位紅線也存在差異性。

（2）屬性特性

在同一范圍內(nèi)的同一含水層內(nèi)，一般包含兩條地下水水位紅線：一條是限采水位紅線，另一條是禁采水位紅線。通常來說，限采水位紅線的設定目的就是預防水位突破禁采水位設定的分界線；而禁采水位紅線是絕對不能越界，因為地下水水位持續(xù)下降會造成不可預估的生態(tài)系統(tǒng)破壞。

（3）時間特性

地下水水位紅線的劃定同時受到水文地質(zhì)條件狀況、自然環(huán)境變化情況與地下水利用境況等因素影響。此外，由于地下水在含水層中處于持續(xù)運動狀態(tài)，受到外界的干擾因素影響較大，水位紅線的劃分標準也會隨時間和影響因素的變化而優(yōu)化。

2.地下水水位動態(tài)特征分析

地下水水位動態(tài)指的是隨著時間的規(guī)律變化，受到人為和自然因素等影響，地下水的水位、水質(zhì)、水溫等要素發(fā)生變化。通常在自然狀態(tài)下，受到氣象因素的影響，雨季降水滲入使得埋深較淺的潛水水位升高，干旱季節(jié)強烈的蒸發(fā)作用引起潛水水位下降，導致鹽分聚集；受到水文因素的影響，洪水期間河水水位的急劇變化引起沿岸潛水水位的變化，湖泊水位變化引起與其有聯(lián)系的地下水水位的相應變化，具有顯著的周期性和較緩慢的趨勢性。而在人為因素中，開采和疏干會使地下水水位變化。這些因素使得地下水動態(tài)變化速率和幅度急劇增大，將給地下水自身和自然生態(tài)環(huán)境帶來惡劣影響。所以研究地下水動態(tài)，可以更清晰地了解水文地質(zhì)條件，掌握地下水運動規(guī)律，提供地下水資源評價依據(jù)。

地下水水位，其現(xiàn)實含義是指某一監(jiān)測井點地下水水位的高程值。然而地下水是處于持續(xù)運動且連續(xù)分布的狀態(tài)，所以地下水的動態(tài)變化不但包括改變某一開采井點的水位變化，還包括這一開采點的水位發(fā)生變化后對其周圍地下水環(huán)境產(chǎn)生改變。故地下水水位的動態(tài)特征主要包括“點”與“面”特征。

（1）“點”動態(tài)特征

當含水層排泄量低于補給量時，儲藏量不斷增加，地下水水位隨之抬升；與此同時，當含水層排泄量高于補給量時，將造成地下水水位下降。地下水水位的動態(tài)特征即呈現(xiàn)為某一監(jiān)測井點水位的抬升和下降。通過計算分析所有監(jiān)測井點的地下水水位抬升與下降的速率，可為進一步研究該地區(qū)的水位動態(tài)變化態(tài)勢和超采區(qū)的劃定提供根據(jù)。

（2）“面”動態(tài)特征

在面上，孔隙地下水水位動態(tài)變化特征呈現(xiàn)為地下水水位降落漏斗區(qū)的水位抬升與下降、漏斗區(qū)域面積的增加與減少。地下水是連續(xù)的流體介質(zhì)，由于不同區(qū)域的地下水水位與水力梯度之間存在差異性，當?shù)叵滤挥诙S空間上時，所展示的是一個“連續(xù)的曲面”。又因地下水開采強度在不同地區(qū)存在差異，造成水位超采的程度也存在差異。除此之外，禁采區(qū)、超采區(qū)和限采區(qū)三者之間是漸變過渡關系，且三者之間的水位呈現(xiàn)連續(xù)分布的形態(tài)。

三、基于GIS的地下水水位紅線管理數(shù)據(jù)

正因地下水水位紅線、地下水的動態(tài)水位等存在較大的地域空間分布差異，牽扯到龐大的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，如果想達到紅線管理，僅依賴傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫難以進行詳實的表達。而在GIS中，核心是空間數(shù)據(jù)，二維空間的地理實體可抽象表示為點（point）、線（line）、面（polygon）三類，表示現(xiàn)實世界地理實體（現(xiàn)象）在信息世界中的映射。運用GIS中的點圖層來存儲監(jiān)測井點空間位置信息，用于分析和存儲地下水水位動態(tài)的 “點”特征；運用GIS中的面圖層來存儲超采區(qū)（禁采區(qū)、限采區(qū)等）的空間分布數(shù)據(jù)，通過對超采區(qū)面積的動態(tài)變化情況來呈現(xiàn)地下水水位動態(tài)的“面”特征。

因此，本文采用GIS的空間數(shù)據(jù)庫技術，研究如何使用點、線、面三類地理實體來描述與組織地下水水位紅線管理的數(shù)據(jù)，進而構建水位紅線空間管理數(shù)據(jù)庫，為水位紅線可視化管理提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 監(jiān)測井水位埋深—時間統(tǒng)計曲線

四、地下水水位紅線管理實現(xiàn)

1.基于監(jiān)測井的地下水水位紅線管理

地下水水位監(jiān)測井是從 “點”上直接獲取地下水水位動態(tài)數(shù)據(jù)的有效手段，并且有些監(jiān)測井同時屬于開采井。通過對監(jiān)測井的規(guī)范管理，能夠篩選出哪些開采井存在超采情況。另外，對監(jiān)測井進行紅線分析，可得到在某一監(jiān)測時段內(nèi)的水位紅線分析結(jié)果，以及同一地點、不同時間點或不同時間段的分析結(jié)果。而常規(guī)的水位埋深—時間統(tǒng)計圖，一般都是從屬性數(shù)據(jù)表中提取對應的數(shù)據(jù)信息并輔以繪制。即使能展現(xiàn)出水位動態(tài)變化的特點，但仍未展現(xiàn)出監(jiān)測點的空間屬性。

而利用GIS技術即可對監(jiān)測井點實現(xiàn)更快速、更直觀的水位紅線管理。鑒于管理區(qū)域地下水水位監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)一般為水位埋深，因此采用水位埋深作為紅線管理的水位指標。

（1）歷史水位埋深動態(tài)曲線繪制

地下水水位埋深統(tǒng)計數(shù)據(jù)的特征包括其數(shù)量上的屬性特征和空間位置上的特征，只有當與其具體的地理空間位置對應時才有現(xiàn)實意義。所以，本文基于地理信息系統(tǒng)技術對傳統(tǒng)的水位—時間統(tǒng)計曲線優(yōu)化，從而實現(xiàn)對監(jiān)測井點水位埋深動態(tài)數(shù)據(jù)的可視化。

運用GIS技術將統(tǒng)計曲線和監(jiān)測井的地理空間位置一一匹配。圖2所示，以監(jiān)測水位埋深為縱軸，監(jiān)測時間段為橫軸，進而繪出監(jiān)測井水位埋深—時間統(tǒng)計曲線。該統(tǒng)計曲線具有監(jiān)測井歷史水位埋深數(shù)據(jù)的時空分布特征和良好的可視化表達。

（2）基于監(jiān)測井點的水位紅線管理方法

水位埋深—時間統(tǒng)計曲線能夠呈現(xiàn)不同時間點的水位埋深值與水位埋深的動態(tài)變化，若將多要素同時加入，能看出多個要素彼此的聯(lián)系。如圖3所示，結(jié)合地下水水位紅線管理業(yè)務，通過對監(jiān)測水位埋深當前數(shù)據(jù)、同比數(shù)據(jù)、環(huán)比數(shù)據(jù)、限采水位埋深數(shù)據(jù)與禁采水位埋深數(shù)據(jù)的結(jié)合，實現(xiàn)多要素統(tǒng)計曲線的可視化繪制。從圖3可以看出：水位埋深在限采水位埋深區(qū)間內(nèi)的時間段越多，此監(jiān)測井的情況越好；而低于限采水位埋深區(qū)間的時間段越多，則說明該監(jiān)測井的地下水開采狀況不容樂觀。

圖3 基于水位埋深統(tǒng)計曲線可視化紅線分析

2.基于水位剖面的水位紅線管理

地下水賦存于地表之下，必受到該區(qū)域水文地質(zhì)條件的限制和影響。同時地下水水位變化也是一個空間上連續(xù)動態(tài)變化的過程，必須能夠在空間變化過程中進行分析管理。因此，結(jié)合在空間上具有連續(xù)性的水文地質(zhì)剖面進行地下水水位變化分析是十分重要的。

（1）水位剖面圖繪制

水文地質(zhì)剖面圖是用于表達某一地段在一定的垂向深度上含水層成因、結(jié)構、空間分布情況、富水性、水位動態(tài)等水文地質(zhì)條件的地圖圖件。本文所提到的水位剖面圖是基于水文地質(zhì)剖面圖，通過疊加其剖面線上的含水層水位后形成的水文地圖圖件。在垂向上，水位剖面圖呈現(xiàn)的是同一位置、不同含水層地下水水位的變化狀況；在橫向上，水位剖面圖呈現(xiàn)的是從某一起始點到終點沿途的地下水水位的變化狀況。

水位剖面圖集成了水文地質(zhì)剖面圖的地下水水位的動態(tài)可視化、地下水貯存環(huán)境可視化表達等特點。因而借助GIS技術和現(xiàn)有的水文地質(zhì)剖面圖繪制技術繪制水位剖面圖，可實現(xiàn)從垂向、橫向上同時對水位紅線進行管理。

（2）剖面水位紅線預警

此處水位紅線管理方法同樣運用多要素繪制法，水位剖面圖是基于雙縱軸的方法繪出，以水文地質(zhì)剖面圖為底圖，主縱軸為水文地質(zhì)結(jié)構的標高值，在次縱軸上繪制出各個含水層的禁采埋深水位紅線與限采埋深水位紅線（見圖4）。

從圖4可知：在橫向上，顯示的是剖面線途中的水位變化情況，通過對比水位埋深和水位紅線之間的聯(lián)系可知水位紅線分析結(jié)果，即該區(qū)域整體的水位分布情況較良好，只有少部分區(qū)域的水位低于限采埋深水位紅線。在縱向上，表達了某一區(qū)域內(nèi)所有含水層的水位空間分布狀況，其分析結(jié)果能為綜合評估某一地區(qū)范圍內(nèi)的地下水開采狀況和優(yōu)化地下水開采方案提供支撐。

圖4 水位剖面圖

3.面向監(jiān)測區(qū)域的紅線管理

對監(jiān)測井、監(jiān)測剖面的水位埋深實現(xiàn)紅線管理雖具代表性，但也僅可獲取管理區(qū)內(nèi)局部空間范圍的分析結(jié)論，故要對整個管理區(qū)域內(nèi)的地下水水位空間分布情況進行研究分析。管理區(qū)域在2D空間中顯示的是一個平面，孔隙地下水水位以等值面或等值線的方式進行可視化顯示。同時它能夠完成對整個管理區(qū)域的地下水水位的動態(tài)特征可視化表達，得到涵蓋整個管理區(qū)域的地下水水位動態(tài)和紅線分析評估結(jié)果。另外，通過現(xiàn)有的水位等值線，可以獲得地下水流動方向，即可以生成流線。流線上，任一點的切線方向和這點在某一時間點的地下水水流方向保持一致。此時，流線與水位等值線共同組成一個流網(wǎng)，即可獲得該監(jiān)測區(qū)域地下水運動方向以及補排等關系。

目前對水位埋深等值線的生成方法研究較成熟。它利用獲得的監(jiān)測站坐標數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，生成Delaunay三角網(wǎng)?；诔Ｓ玫膮^(qū)域評價分析方法，結(jié)合地下水水位紅線的特征值，可對區(qū)域地下水水位動態(tài)進行連續(xù)性評價，在一定程度上能呈現(xiàn)出地下水流動趨勢，見圖5。

水位埋深等值面是以一定規(guī)則對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地下水水位變化情況進行評估。常用的空間數(shù)據(jù)內(nèi)插方法包括Kriging法、RBF法和IDW法。傳統(tǒng)內(nèi)插方法較成熟，同時相比較而言，沒有完全最優(yōu)的空間插值方法，只有在某一條件下的最有效方法。因此，在研究過程中著力優(yōu)化在等值面可視化過程中附帶執(zhí)行的數(shù)據(jù)量化統(tǒng)計模塊，在規(guī)則評價執(zhí)行過程中嵌入統(tǒng)計過程，減少運行時間，提高運行效率，見圖6。

“面”形式的水位紅線管理將離散的“點”形式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為“面”形式的評價結(jié)果。在此基礎上，運用GIS空間要素符號化的功能，根據(jù)不同地下水水位紅線管理業(yè)務下的評價標準和需求，應用不同的空間要素類型或樣式，針對分析結(jié)果數(shù)據(jù)集進行分類和渲染。如根據(jù)地下水水位埋深，分別使用綠、橘、紅三色系列，對分析管理區(qū)按正常、超限采水位和超禁采水位區(qū)域三種類型進行渲染評價，從而使分析結(jié)果更加簡潔直觀。同時，可對數(shù)據(jù)分析得到的面狀要素結(jié)果進行統(tǒng)計和分析。

圖5 水位埋深等值線

圖6 水位埋深等值面

五、結(jié) 語

本文基于GIS技術，研究并提出實現(xiàn)地下水水位紅線管理的方法?？蓮狞c、線、面三個不同層次對水位紅線數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化管理，應用此方法可獲得同一地點不同時段、同一地點不同含水層、同一時段不同地點的水位紅線分析結(jié)果，完成對管理區(qū)更直觀、多層次的水位紅線管理，提升水位紅線管理的空間決策能力，進一步降低地下水數(shù)據(jù)管控復雜度和水位紅線分析的難度。

在現(xiàn)實水位紅線管理工作中，對地下水水位的預估具有深刻意義。怎樣疊加地下水水位相關模擬預測模型，并評估地下水運動規(guī)律及地下水資源總量，這是深化地下水紅線管理的重要方法。

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