信息系统和地下水流数值模型耦合研究

2015-12-02寇文杰王新绢屈丽丽

城市地质 2015年3期

张院,寇文杰,王新绢, 屈丽丽,孙颖

（1.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871; 2.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195;3.北京超创想信息技术有限公司，北京 100084)

0 引言

地下水数值模型是研究地下水循环演化规律、评价地下水资源、预测地下水渗流场变化趋势必不可少的工具。随着地理信息化管理程度的提高，迫切需要将地下水资源评价工作集成到地下水管理信息化进程中，形成一个可以动态评价和管理预测的水资源评价管理系统，提高工作效率。愈来愈多的学者专家致力于将信息系统和地下水数值模型进行耦合，本文将对数值模型与信息系统的嵌入技术进行研究，开展源汇项数据的输入格式、模型数据输出格式的研究，针对数值模拟工作特点，采用模型输入数据“动态+稳定”的思想，开发MODFLOW数值模型动态预测可视化平台，通过地下水系统模型源汇项的实时更新功能，从而实现模型根据源汇项的动态变化进行实时更新运算、模型展示，提高数值模拟的工作效率[1~2]。

1 信息系统与数值模型耦合现状

MODFLOW是模块化三维有限插分地下水流模型的缩写，采用单元中心有限差分法模拟地下水子在含水层中的运动，不仅能模拟地下水在孔隙介质中的流动，还可以解决地下水在裂隙介质中的流动问题。其核心计算程序功能已经很完备，采用了模块化的结构，易于修改和添加子程序包。输入数据可以通过一定格式存入一系列文件由程序读入。因此以MODFLOW 为计算核心的地下水计算模型与 GIS 集成研究较多。国外Thomas Heinzer 等人利用 GIS 开发了建立地下水流模型的图形用户界面，在GIS环境下建立基于 MODFLOW 的地下水流模型，模型网格、输入输出数据都可以存为独立的栅格数据组。Ross S B.在建立大区域地下水流模型时利用相关的数据库管理系统（RDBMS）和地理信息系统（GIS）管理调用模型所需的输入项数据包括各类数据文件、shp文件、栅格文件，并把各类数据转化为 MODFLOW 输入文件实现模型模拟。我国周德亮等人在MAPGIS平台上进行接口开发将地下水模型与MAPGIS耦合集成,在集成的基础上构建系统的可视化功能，在GIS平台上为地下水模拟的全过程提供一个统一高效的计算机环境。杨旭等人将常州、武进地区地下水资源评价模型与 GIS 集成研究，提高地下水流模拟过程可视化程度，从而提高地下水流模拟系统的空间辅助决策支持功能。魏家华等人在对北京密怀顺的地下水模型中基于GIS建立了一个可以交互式剖分的建模环境，王仕琴等人开展地下水模型与GIS集成，以实现水资源的动态评价。GIS系统为地下水模型提供数据支持和可视化平台已成为地下水管理信息化发展的主流[2~6]。

2 信息系统与数值模型耦合思路

信息系统与数值模拟软件的耦合，是在信息系统软件程序的角度形成模型运行环境，分析模型软件以模型算法作为系统的计算内核[7~11]。根据模型计算需要的数据文件格式和已有数据库数据格式之间的关系，找出地下水评价模型软件和信息系统数据接口。在分析现有地下水流数值模拟软件MODFLOW工作流程及建模所需数据的数据格式基础上，开展资源评价模块的数据结构及存储方式研究，为地下水模型和GIS的数据接口提供依据。设计系统工作流程及数据流程，开发数据接口、集成数据接口，最后实现系统调用模型核心算法，实现模型更新模型数据，展示模拟成果。

2.1 MODFLOW数值模拟软件数据分析

模型模拟所需的数据输入包括：源汇项数据（降雨量、蒸发量、开采量、补给量、排泄量等）、模型结构数据（各目标层顶底板标高）、模型参数数据（给水度、渗透系数、释水系数等）和水位数据（初始流场与模拟末流场）。顶底板标高、初始水位以及水文地质参数为空间属性值，与时间无关为相对稳定数据。降雨蒸发开采量等源汇项数据属于动态变化数据。相对稳定类数据在已建成的模型中不需要更新，需要将动态变化的源汇项数据从系统中调出并存储为模型能够识别的格式。模型输出数据主要为表示水均衡和水位数据，需要通过模型接口转化成系统能够识别的格式。

模型与系统耦合过程中需要考虑子程序包的文件格式：离散程序文件（DIS），记录模型时间和空间剖分情况，包括：行、列、层数，模拟应力期数，模型中所用数据的时间和距离单位，含水层下层是否有隔水层，网格大小，模型各层顶底板高程，以及每个应力期内时间步长及增加因子，以及水流为稳定流或非稳定流标识符。动态类源汇项降雨补给量（RCH）文件，输入模拟期内补排量信息，包括：面状补排量输入层位符号，补排量输出保存文件号，以及每个应力期所有含水层的补给率和排泄率叠加的二维矩阵数据。动态类源汇项井流（WEL）文件，描述开采或注水井的信息，包括：所有应力期内最大井的数据，每个应力期井数量，每个应力期井位置（层号、行号和列号）以及开采或注水量。

输出控制子程序包（OC）文件，定义输出内容和格式，包括：水位、降深、水均衡状况输出及保存文件格式，控制在什么时间段输出或保存水资源信息等。水均衡文件（BUDGET）描述模拟过程中各个时间段的水量均衡状况，包括累积均衡量和该时间步长的均衡量，分别用流入和流出来表示。水头文件（HEAD）记录了输出控制文件OC中指定时间（一般输出各应力期末时刻）的水位值并依此输出。

图1 系统运行模型过程

2.2 信息系统中数值模型调用过程

信息系统对数值模型调用更新过程中模型动态类输入数据由信息系统基础库中提取，存储至模型专题库中。对提取至模型专题库的动态类输入数据进行数据格式转换，实现满足MODFLOW计算所需数据格式，运算核心采用MODFLOW数值模拟程序实时调用该程序进行模型计算（图1）。

信息系统对模型输出数据进行展示，其中模型输出的均衡量数据以报表形成进行展示；水位数据在三维建模平台上进行可视化展示，结合平台建立的三维地质结构模型，将模型输出水位信息进行叠加展示，同时也可以将DEM、遥感等信息进行叠加展示。

2.3 系统耦合方法

通过分析MODFLOW软件特点和数据文件特点，结合系统工作流程，需要开发数据输入、输出接口。降雨量（RCH）程序接口：读取MODFLOW软件中降雨量（RCH）程序包中所需DIS文件中记录的应力期数，以年和月的倒序顺序提取数据库中记录的每个月的降雨量，直到总的月数等于应力期数。读取信息系统中记录入渗系数分布的SHP文件，按稳定项的栅格划分结构过行同等行列的栅格划分。调用ARCGIS的IRaster Dataset To Raster Dataset ( IgeoDataset dataset,string raster Format, Iworkspacep Workspace, string name)接口，读取每个栅格的入渗系数，并暂存至内存。与模型中的各区入渗系数相乘，得到每个月每个栅格的降雨量。固定格式写入RCH文件，生成降雨量的源汇项文件。井流（WELL）程序包接口开发与降雨量程序包接口开发类似。

模型输出数据主要为表示水均衡和水位数据。水均衡文件是以BUGET二进制文件输出，开源程序读取MODFLOW水均衡的输出文件，以应力期为单位，按层号、区号，显示每个区，每个区与区之间的降雨入渗，农业灌溉补给，侧向流入，越流的值，以及各自占总值的百分比例。水头文件的输出是以二维数组的形式输出，依次记录在时间控制文件中确定要输出的时间段的水位和降深值，为结果的可视化显示提供依据。水头文件读取后存入地下水模型数据专题库，按坐标投点。以水位值为生成等值线与等值面的数据源。把MODFLOW数值模拟输出水位文件转换为信息系统内三维建模平台识别的接口文件，然后在三维地质建模系统上采用三维模型渲染设置地质体透明等技术方法，实现水位信息和三维地质结构模型的叠加显示。

3 应用实例

3.1 大兴MODFLOW数值模型

图2 奥陶系承压水模拟期末流场图

图3 奥陶系承压水水位拟合过程线

大兴数值模型研究面积约767km2。通过该地区地质、水文地质条件分析，数值模型在垂向上共分五层，由上至下分别为第四系潜水含水层，第四系承压含水层，奥陶系承压含水层，寒武系中上统含水层组，寒武系下统及青白口系含水岩组。模型采用三角形剖分，并且对水源地勘查区、主要断裂带、重点边界附近进行加密。在断裂处剖分精度约100m，第三系区域剖分精度约300m，奥陶系、寒武系含水层分布区剖分精度200m，剖分后的模拟区，节点数为每层17579个，三角形单元每层34712个。模型选取2000年1月到2012年9月即模拟期作为模型的识别验证期，同时结合实际收集到的2012年9月普测水位对模型模拟结果进行检验。通过反复调整参数和均衡量，识别水文地质条件，确定了模型结构、参数和均衡要素[14~15]。从模拟期末流场和典型长观孔水位过程线拟合结果（图2、图3）、水文地质参数以及区域地下水系统均衡分析看，建立的地下水流数值模型基本上反映了区内地下水基本特征，达到了模型精度要求，模型识别和均衡计算结果与实际水文地质条件相符。

3.2 北京岩溶水资源信息系统

北京岩溶水信息系统是“北京岩溶水资源勘查评价工程”数据信息化、可视化管理的平台，存储了大量数据。系统为了快速获取最新时段内水位水均衡信息，实现数值模拟的水位信息和系统三维结构体一体化展示，将大兴迭隆起岩溶水流MODFLOW数值模型集成到系统中，对建模数据文件进行专题库管理，从系统基础库中调用数值模型所需的动态变化数据，并通过数据接口转化为模型输入数据文件，对计算所需源汇项数据进行实时更新。将模拟预测的水位，水均衡文件存储至系统地下水模型专题库中，进行报表及图件的展示。

图4 水均衡汇总表

图5 模型计算结果可视化展示

3.3 系统与模型的集成应用

在北京岩溶水资源信息系统中设计了大兴岩溶水地下水流模型的更新界面，将数据接口进行封装，所有交换数据通过数据接口转换成模型计算能够识别的格式。选择需要更新的应力期，提取该时段内数据库中降雨量和开采量数据对模型中相应源汇项数据进行更新。点击“开始模拟”将自动调用MODFLOW计算程序对新的应力期进行模拟。计算结束后输出数据自动存储到数值模型专题库中，在系统界面点击“生成报表”或者“三维成果展示”，查看水均衡报表和地下水渗流场（图4、图5）。

4 结论

系统从MODFLOW数值模拟软件角度分析了数值模型与系统耦合所需开发的数据接口，以模块设计的方法将数值模型嵌入系统中，同时对数据接口进行封装，开发数据更新界面，实现信息系统与MODFLOW数值模型耦合。采用了对模型输入中动态变量数据的系统调用和转换的思想，将系统中的动态变化数据按时间段读取出来并转化成模型所需的数据文件，重新运行模型，输出模拟结果，实现了对模型数据的更新及模拟预测结果的展示。

地下水流数值模型与信息系统的集成耦合使信息化管理程度大幅提高，形成一个动态评价和预测的水资源评价管理系统，同时对模型计算结果可视化展示，为地下水资源水位变化趋势提供直观认识，大大方便了地质工作者对地下水的研究，为政府管理部门更好管理地下水资源提供了技术支撑。

[1]刘久荣，王新娟，王荣，沈媛媛，姜媛，李鹏，许亮.岩溶水数值模拟研究进展[J].城市地质,2012(4):1~6.

[2]吴剑锋，朱学愚. 由MODFLOW浅谈地下水流数值模拟软件的发展趋势[J].工程勘察,2000,(2):12~15.

[3]王仕琴，邵景力，宋献方，等.地下水模型MODFLOW和GIS在华北平原地下水资源评价中的应用研究[J].地理研究,2007,26(5):975~984.

[4]杨旭，黄家柱，陶建岳.基于GIS的地下水流可视化模拟系统研究[J].现代测绘,2005,28 (2):12~16.

[5]魏家华，王光谦，张红武，等.基于GIS的地下水建模[J].工程勘察,2003,(4):27~31.

[6]邢毅,张超,翁文斌.地理信息系统城市地下水管理模型研究[J].清华大学学报(自然科学版).1998,38(1):59~62.

[7]王新娟,李玲,张院,谢振华,徐映雪.浅层地温能数据库基础信息管理系统建设[J].城市地质2009(1):39~41.

[8]韩征,孙颖,刘久荣,赵文吉.GIS技术在地热资源管理中应用的历史与现状[J].城市地质2008,3(3):34~39.

[9]宫辉力.郑州市地下水渗流场的数值模拟和优化管理[J].北京大学学报(自然科学版),1998.34(6):827~834.

[10]陈锁忠，马千程.苏锡常地区GIS与地下水开采及地面沉降模型系统集成分析[J].水文地质工程地质,1999.26(5):8~10,13.

[11]周念清，朱蓉，朱学愚. MODFIOW在宿迁市地下水资源评价中的应用[J].水文地质工程地质,2000,27(6):9~13.