地下水水文基础信息系统建模与开发

薛基瑜 赵磊 曾雪 曾永刚

摘要：本文以德國北威州地下水水文基础信息系统Hygris-C[1]开发为基础，论述了地下水数据库建模、地下水监测点结构模型、地下水监测数据，以及以欧盟水框架协议（EU-WRRL，Europische Wasserrahmenrichtlinie）为基础的地下水体模型。最后，以Hygris-C为例论述地下水水文基础信息系统的开发过程。

关键词：地下水；系统建模；地下水水文基础信息系统；可视化

前言

地下水资源是人类社会发展不可缺少的资源，随着经济、工业化的发展，地下水资源保护和管理显得尤为重要。如何构建适合当地区域的地下水数据库管理信息系统，如何选取合适的模型来构建适合当地地质结构、水文状况的系统建模，是我国地下水保护的研究方向之一。本文以德国北威州地下水水文基础信息系统Hygris-C (Hydrologisches Grundlagen-Informationssystem Grundwasser，地下水水文基础信息系统)为基础，论述如何开发地下水水文基础信息管理系统，并对关键对象建模进行分析。

1 地下水水文基础信息系统建模过程

地下水水文基础信息系统的目标[1]：（1）构建带有地下水状况主要监测数据的地下水中心数据库，包括地下水、原水水质数据；（2）数据分析和结果提供；（3）地下水条件的评估和决策支撑。地下水水文基础信息系统的父对象包括水（Wasser）、水体（Gewsser）、污水（Abwasser）；对应的子对象包括地下水监测（GW）、地下水数据库（GDB）、地下水图件（KGW）、地下水日常管理事务（LGD）、原生水监测（RW）。

对基于网络的地下水数据库中数据进行存取操作，还需要两个中间层接口程序：（1）基于网络的针对地下水和地下水供给的接口程序（WebGW）；（2）基于ArcGIS的地下水、水供给和水源保护区的专业信息系统接口程序（FIS GWW）。地下水水文基础信息系统拓扑结构建模如下图1所示。

2 地下水数据库建模

地下水数据库提供一下关键数据信息[1]：（1）基础供水服务（地下水状况）；（2）地下水监测（地下水水质）；（3）原生水监测（水供给、水源保护区、饮用水监测）；（4）数据提取（来自水资源控制部门的专业数据）；（5）欧盟水框架协议（地下水体）。地下水数据库模型如下图2所示。

3 地下水监测站模型

地下水监测站设置的目的是观测地下水位和地下水采样。通过测量监测井孔最高边缘到地下水面之间距离，计算出高于海平面的水位以上到地表的距离。不同的监测方案包括监测地下水水质、原生水水质、排放源等。地下水监测站获取的重要数据有监测点位、自然地面、测量值、水位、地表距离，其中相对海平面水位计算是相对于海平面的测量点减去测量值，地表距离等于地表减去测量点再加上测量值。地下水监测井的模型如下图3所示[2]。

监测站的组件和联系如下图4所示。

4 地下水水文基础信息系统Hygris-C应用实例

Hygris-C是基于B/S模式的应用系统，集成了GIS-Client功能模块的WebGIS。基于Internet的地下水信息系统采用三层架构模式：（1）应用层（Hygris-C应用程序、基于ArcGIS的应用程序）；（2）中间层，又叫控制层，包括ArcGIS控制组件、地下水水质预测模型、地下水污染物迁移预测模型、数据输入输出控制、决策支撑；（3）物理层，主要指数据库及其服务的提供，包括地下水数据库、相关数据库、中央数据库及服务等。德国北威州的地下水数据库和应用程序模型结构图如下图5所示。

Hygris-C系统应用软件界面如下图6所示。

地下水监测点高度、井孔数据、水文数据的可视化模拟如图7所示。

在基于ArcGIS地形数据基础上，结合地下水监测点的井孔直径、高度、经纬度、水文数据、水质数据等信息可以构建三维可视化试图，如图8所示。

5 结论

地下水水文基础信息系统的构建，能实时、高效地对区域地下水资源状况进行监控。随着计算机技术和环境信息学的发展，动态、可视化模拟地下水质量状况已经成为可能。地下水水质建模、地下水污染物迁移建模等技术成熟，为地下水水文信息系统建模提供了理论和方法基础。

参考文献

[1]PeterGaschick,Hydrologisches Grundlageninformationssystem Grundwasser Hygris-C[M], Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschtutz Nordrhein-Westfalen, NRW, PP.30-100

[2]Dr. Harald Friedrich,Dr. Wolfgang Leuchs, Peter Neumann,Grundwasserbericht2000Nordrhein-Westfalen[M], Ministerium für Umwelt und Naturschutz,Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen,NRW, PP.245-265.

[3]KITANIDIS, P. K. (1997): Introduction to Geostatistics: Applications to Hydrogeology;249 S.; New York.

[4]BUCHER, B. (1994): Optimierung von Grundwasser-Meβnetzen mit Kriging-Verfahren;in: Freiburger Schriften zur Hydrologie,3: 116 S.; Freiburg im Breisgau.

[5]GCI(1998):Grundwasser-Monitoring-System. Anwenderhandbuch zur Softwarev GCI-GMS; Knigs Wusterhausen.

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