SURFER软件在昌邑市地下水位分析中的应用

池龙哲，张 涛，孙常磊，张 敏

(1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020;2.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

1 问题的提出

地下水超采漏斗是山东省平原区较为突出的环境问题［1］。地下水超采引发许多生态环境问题，引起了地面沉降、地面裂缝、海咸水入侵、水环境污染等环境地质灾害及生态环境破坏现象，给当地水生态环境、人民生产生活带来了危害。昌邑市地下水漏斗问题突出，地下水漏斗区处于寿光-昌邑大漏斗区内［2］。该漏斗区2007年漏斗区面积达1500km2，水位负值区面积达1100km2。

目前有不少学者进行了地下水埋深相关研究，包括建立地下水位模拟及预测模型，以及进行地下水动力分析研究等［3-5］。本文对昌邑市地下水位进行分析，应用Surfer等软件进行地下水位埋深等值线插值及3D仿真模拟。

2 项目区基本情况

2.1 自然条件

(2)水文地质。昌邑市位于华北台地的东南部，著名的沂沭深大断裂带纵贯南北，对这一地区起控制作用。沂沭断裂带将昌邑市分为2个构造单元，城西属沂沭深大断裂带，潍坊凹陷区，城东是胶北隆起区。

该区浅层地下水类型以松散岩类孔隙水为主，含水层为第四系松散沉积物。含水层结构因地层岩性、分布部位以及埋藏条件不同，其水文地质特征也有一定差异。自南部山前至潍河冲积扇中部为淡水分布区;往北滨海平原下部有咸水体向淡水区侵入，北部滨海平原至沿海地带深部均为咸水，部分地段赋存卤水。含水层岩性主要为中粗砂、砾质粗砂、中细砂和砂壤土，渗透系数为1.3×10-4～6.6×10-2cm/s，具中等水～强透水性，场区地下水受大气降水和河水补给，人工抽取和向下游径流为主要排泄途径。

2 .2 测站情况

2.2.1 测站分布

2002—2012 年昌邑市先后建有29个浅层地下水监测站，基本覆盖了昌邑市全境，每年具有监测数据的测站12～19个，其中2011年有监测数据测站16个，站点密度有待提高。2002—2012年，每年具有监测数据的测站累积有166个，月监测数据共有1992个。本文中的地下水位埋深均为浅层地下水埋深。其中，中部地区按主要干道并结合乡镇界线划分，面积约756km2。

经统计，自2002年来，各年的测站分布情况与2012年基本一致，昌邑市地下水测站主要分布在中部片区，中部地区的测站分布基本均匀，而就全市来说，北部区域测站尚较少。2002、2012年测站分布情况见图1。

图1 2002、2012年测站分布情况对照图

2.2.2 测站控制面积

采用泰森多边形法计算各测站控制面积，2002、2012年测站控制面积见图1。昌邑市和中部区域的测站分布参数统计见表1。

表1 2002、2012年测站控制面积比例参数统计表

从图1及表1中可以看出，就全市区域来说，测站平均控制面积为105.1km2，测站密度为0.95/100km2，测站密度较小;测站控制面积最大值与最小值的平均比值为12.68，标准差、偏差系数均较大，说明测站分布不均匀。中部区域来说，测站平均控制面积为50.7km2，测站密度为1.97/100km2，测站密度相对较大;测站控制面积最大值与最小值的平均比值为4.14，标准差、偏差系数均较小，说明中部区域测站分布相对较均匀、布置较为合理。

1336 Association of apolipoprotein M gene single nucleotide polymorphism and chronic obstructive pulmonary disease

3 地下水埋深等值线插值

3.1 Surfer软件

Surfer软件是美国Golden Software公司编制的一款三维处理软件。Surfer具有的强大插值功能和绘制图件能力，使它成为用来处理XYZ数据的首选软件，可以制作基面图、数据点位图、分类数据图、等值线图、线框图、地形地貌图、趋势图、矢量图以及三维表面图等。软件具有体积小、运行速度快、模拟效果好等特点，在降雨及地形插值方面具有广泛的应用前景［6］。

3.2 埋深等值线插值

采用克里金插值法［3，6］进行地下水位埋深插值。分析昌邑市地下水位特性，应用Surfer生成埋深等值线图，该软件的操作步骤为:

(1)绘制流域边界。获取流域边界的相对或绝对地理坐标，将边界地理坐标数据转换成为Surfer格式的.bln数据文件;

(2)导入测站坐标。制作符合Surfer格式要求的测站坐标文件，将测站文件输入到软件，使用克里金法进行数据插补;

(3)绘制等值线图。使用软件的等值线功能生成等值线图;

(4)增加流域边界。使用软件的网格白化功能，将流域边界导入到等值线图，等值线图具有流域边界。

应用SURFER软件对昌邑市2002—2012年平均地下水位进行埋深插值，插值方法采用软件内置的克里金点插值法。其中2002、2012年的埋深等值线图见图2。

图2 2002、2012年全市地下水埋深等值线示意图

3.3 插值结果分析

昌邑市地下水漏斗区主要集中在该市的中部地区，2002年漏斗区面积较小，2002—2012年地下水漏斗区面积基本呈逐年扩大趋势，同时地下水埋深逐步加大。

对全市区域和中部区域的地下水埋深分别进行统计，统计结果见图3。全市区域来看，2002地下水位最高，2005—2007年地下水位较低，2008年后地下水位基本呈回升趋势;鉴于北部区域测站较少、插值精度低，北部区域的插值结果仅作为参考。中部区域来看，2002—2012年地下水位基本呈下降趋势，总体下降2.00m左右，其中2010年地下水位最低。

图3 昌邑市年均埋深对照图

为检验该软件插值精度，去掉114号站数据对2002—2012年埋深进行重新插值模拟，其中114号站 (东经119°25'、北纬36°53')有连续实测数据，该站位于漏斗区内。模拟结果见图4，模拟埋深与实测埋深的平均相对误差(绝对值)为14.75%，2002—2006年的拟合效果较好;随着近几年地下水埋深的加大，模拟误差有增大的趋势。说明该软件插值精度受测站数据、测站分布等因素影响。一般情况下，测站密度越大，模拟精度越高;测站密度越小，模拟精度越低。

图4 114号站实测埋深与模拟埋深对照图

3.4 地下水埋深3D仿真

目前地形模拟、洪水仿真、流场计算等领域，主要应用Arcgis、Mapgis、OpenGL等软件进行仿真。其中Arcgis具有较好的模拟效果，可直接计算等值线覆盖面积等，但是该软件体积庞大，占用大量空间，同时该软件对计算机配置要求高，运行速度慢。因此，在满足地下水仿真要求的前提下，可选用Surfer软件进行相关分析计算。应用Surfer的3D Surface功能进行漏斗三维图生成。其中2002、2012年中部区域的年平均埋深3D效果图见图5、6。

图5 2002年中部区域平均埋深3D图

图6 2012年中部区域平均埋深3D图

对中部区域来说，2002年平均埋深为7.91m，漏斗主要分布在该区的中部片区，最大测站埋深20.73m;2012年平均埋深为9.46m，漏斗主要分布在该区的中部及西部片区，最大测站埋深23.99m。

4 结语

在既定的测站分布等条件下，应用Surfer软件绘制的昌邑市地下水埋深等值线图及3D图具有较好的可视化效果，可直观的表述地下水位变化情况。地下水漏斗区主要集中在该市的中部地区，2002—2012年该地区的地下水位基本呈下降的趋势，漏斗区面积逐步扩大。该软件插值精度受测站数据、测站分布等因素影响，需进一步深入研究插值修正方法以提高模拟精度。

［1］李瑜，郭聚江，杨淑华，等.山东省地下水超采漏斗发展演变分析 ［J］.地下水，2007，29(4):36-39.

［2］隋伟，苗乃华，陈吉贤，等.潍坊市地下水超采现状及对策［J］. 地下水，2010，32(3):51-52.

［3］秦俊桃，冯绍元，霍再林，等.几种地下水位空间插值方法在干旱内陆区的应用比较 ［J］.中国农业大学学报，2010，15(5):124-129.

［4］王春颖，尚松浩，毛晓敏，等.区域地下水位插值的整体-局部组合方法 ［J］.农业工程学报，2011，27(8):63-68.

［5］郝治福，康绍忠.地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势［J］.水利水电科技进展，2006，26(1):77-81.

［6］张仁凌，齐向华.使用Surfer软件绘制雨量等值线图［J］.水文水利自动化，2007(4):45-47.