大沽河地下水源地信息管理系统的构建和应用

孙佳玮，郑西来，张　博



大沽河地下水源地信息管理系统的构建和应用

孙佳玮1,2，郑西来1,2，张博1,2

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

在大沽河地下水源地自然地理、地质和水文地质条件调查的基础上，系统地收集和整理了钻孔属性信息、地下水水位和水质监测数据，构建了基于Microsoft SQL Server基础数据库和Hydro GeoAnalyst信息管理平台的大沽河地下水源地信息管理系统。该系统解决了数据存储不规范、查询提取困难、缺乏系统管理和利用效率低等问题，实现了数据资料的存储、查询和可视化展示，帮助管理者快速、准确、全面地掌握大沽河地下水源地地层和岩性分布、地下水水位和水质的动态变化趋势与空间分布特征。本系统为大沽河地下水源地的合理开发、管理和污染治理提供了数据和技术支持，具有重要的理论意义和实际应用价值。

地下水源地；信息管理系统；数据库；可视化；大沽河

建立以数据库和可视化等计算机信息技术为基础的地下水源地信息管理系统、为地下水管理过程中数据查询和决策分析提供有效的数据和技术支持，成为水利现代化的发展方向。

国外相关机构较早地致力于地下水源地信息管理系统的研究。2011年德国Ribeka公司将其开发的GW-Base 地下水管理系统软件升级至8.0版本，使地下水资料的分析、展示更加灵活、多样化[1,2]。WISKI 是德国Kisters公司开发的较成熟的和完整的水文水环境基础信息管理系统，其强项是对时间序列数据的管理[3,4]。由于水利信息网络建设较完善，数据共享程度高，国外的水利信息化建设具有通用性和数据共享较高、涉及业务面较广等特点，计算机技术在地下水资源管理应用程度处于较高水平[5]。

近年来,我国大力开发地下水资源，但在地下水资源管理方面仍与国外先进水平存在一定差距[6]。曹媛媛(2012)等设计了基于C/S模式的地下水观测管理信息系统[7]；刘静(2009)、柳华武(2010)、任仲宇(2013)等分别以基于GIS的时空数据库为支持平台,开发区域地下水信息管理系统[8-10]。日益完善的信息管理系统为我国地下水管理工作提供了越来越多的支持。

地下水源地信息管理系统为传统的地下水资源管理注入了全新的信息系统化管理理念，利用信息管理系统进行资料的存储、查询能够提高工作效率。数据信息的交互能有效地满足各部门的管理需求，增进彼此信息交互。数据信息的可视化使数据的展示从单一的文字发展为文字与可视化直观图像相结合的方式，这使数据间的联系更为密切。

大沽河地下水源地是青岛最主要的地下水源地，经多年开发利用，已经积累了大量的调查资料和监测数据，长期的分头管理模式使这些数据存储散乱，在进行区域性研究时，往往难以找到相关数据间的联系，数据使用效率低。为有效解决上述问题，本文构建了大沽河地下水源地信息管理系统。该系统能够实现数据资料的统一管理与可视化输出，使之得到规范的存储、准确的查询、高效的使用、直观且全面的展示。

1　研究区环境概况

大沽河地下水源地位于胶东半岛，北起平度古岘以北龙虎山和莱西的江家庄闸 ,南至青(岛)- 胶(州)公路 ,东 、西到大沽河古河谷的边缘,面积460 km2(图1)。大沽河流域总体属暖温带季风型大陆性气候，由于靠近海洋，该区域也显现较明显的海洋气候特征。据南村水文站多年气象资料，研究区内一般八月份温度最高，最高值为38.9℃；一般一月份温度最低，最低值达到-16.4℃；多年平均气温为12.5℃。降水量在空间分布上极不均匀，由南向北逐渐降低的趋势，年均降雨量为707.4 mm；降水量在时间分布上具有年内分配不均、年际变化大、枯水年持续时间长的显著特点。研究区蒸发量年内分配不均，11月至次年2月蒸发量较小，4-9月蒸发量大，最小年蒸发量为787.0 mm(1990年)，最大年蒸发量为1 238.7 mm(1978年)，多年平均蒸发量为960.35 mm。

大沽河地下水主要赋存于第四系冲积-冲洪积层中，含水层岩性为砂、砂砾石，为盖层较薄的潜水含水层。在垂向上，在表层覆盖有薄层的粘质砂土或砂质粘土，有利于地表补给地下水。在平面上，含水层沿河呈条带状分布，靠大沽河附近含水层厚度大，两侧变薄，最大厚度为15 m，平均厚度为5.19 m；宽度一般在6 000 m左右，最窄处约3 500 m，最宽处超过10 000 m。中间富水性强，导水性好，向两侧富水性与导水性逐渐变差。地下水埋藏较浅，总流向与河水流向基本一致，大致沿河谷自上游向下游流动，最终流入胶州湾。同时，为了能够有效地保护大沽河地下水源地，03年以来，水利部门在该地分期设置了多处地下水水质监测井，监测指标20余项；08年以来，水利部门又在该地设置地下水水位监测井，实现实时监测。

图1　大沽河地下水源地概况

2　地下水源地信息管理系统构成及工作环境

大沽河地下水源地信息管理系统主要包括Microsoft SQL Server基础数据库和Hydro GeoAnalyst(HGA)信息管理平台。

Microsoft SQL Server 是一个全面的数据库平台，具有使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成程度高等优点。Microsoft SQL Server数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了安全、可靠的存储功能，可以用于构建和管理高性能的数据管理系统[11]。在存储大量数据信息的同时，数据库平台可以通过标准的SQL语言来检索和更新数据，帮助管理者进行数据访问和交互。

HGA信息管理平台是一个基于Microsoft SQL Server技术的应用程序软件，该软件由许多个模块组成，每个模块执行一类特定的功能。这种模块化结构使得HGA对内存的使用变得更加有效、灵活和可扩展。用于数据管理方面的模块包括：模板管理器(Template Manager)、数据传输系统(Data Transfer System)、查询生成器(Query Builder)、实验室质量保证/质量控制(Lab QA/QC)、列表编辑器(List Editor)、岩性规范(Material Specification)。用于分析和可视化的模块包括：交叉表查询(Cross Tab Query)、时间序列图(Time Series Plot)、钻孔制图器(Bore Hole Log Plotter)；地图管理器(Map Manager)、剖面编辑器(Cross Section Editor)、3D浏览器(3D Explorer)。原始数据可以通过这些模块转化为空间数据集，进而以可视化的方式展示出来。此外，HGA有一个报表设计器(Report Designer)模块，允许使用者将数据、分析和可视化结果导入到报表模板。

系统对计算机硬件的选择由数据的处理方式和运行的软件来决定，在硬件选择时优先考虑技术成熟的可靠机型，主要是处理速度快，数据存储量大，良好的兼容性、可维护性，操作方便等，能满足软件对计算机处理能力的要求。

硬件包括Windows 7 Professional、 Enterprise或Ultimate 、Windows Vista Business、Ultimate或Enterprise (SP2) 、Windows XP Pro (SP3) 以及计算机处理器(32-bit 或64-bit)、硬盘(100MB )、内存(2GB)、网络硬件、网卡。

软件包括 Microsoft .NET Framework v4.0；Microsoft SQL Server Express 2008 R2或2012；Microsoft Visual Studio C++ 2005；Hydro GeoAnalyst。

3　大沽河地下水源地信息管理系统主要功能应用

通过导入大沽河地下水源地各钻孔属性信息、地下水水位和水质监测数据，构建大沽河地下水源地信息管理系统的基础数据库，进而应用HGA信息管理平台的多个功能模块实现对数据的管理和可视化展示。具体应用流程如图2所示。

图2　地下水源地信息管理系统构建与应用流程图

3.1基础数据库的构建

将大沽河地下水源地177眼钻孔资料(数量、所在位置、地理坐标、钻孔口高程和各层的岩性与厚度)、1998-2014年147眼井地下水水位信息和30眼井地下水水质信息(pH、Cl-、SO42-、TDS、F-、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、CO32-、HCO3-、As3+、Hg2+、Cr6+、Mn2+、Zn2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、总铁、高锰酸盐指数、挥发酚、氰化物、总硬度)录入基础数据库(图3)。

由于监测过程持续时间长、数据采集频率高、监测指标多、钻孔多且分布广，所以大沽河地下水源地数据庞杂，且不同年份监测数据格式不统一、存放不集中。因此，在构建系统基础数据库时，需要先将各种数据收集完备，再通过系统信息管理平台的站点列表(Station List)选项卡逐条录入钻孔信息和监测数据。然而，逐条录入的方式工作量很大。通过多次尝试，发现通过灵活运用管理平台的数据传输系统(Data Transfer System)能够很好的解决这一问题。因为该数据传输系统可以识别多种来源的数据格式，如文本文件(.CSV)、Microsoft Excel电子表格(XLS)、Microsoft Access数据库(MDB)、SQL Server数据库及其他ODBC或OLEDB数据源(DBF)，并具有数据验证和错误检查功能。因此采取先将全部原始数据信息通过数据传输系统调整为统一格式，再批量录入基础数据库的方法，大大提高了工作效率。此外，在钻孔信息录入系统数据库的过程中，部分钻孔位置信息缺失，为保证数据完整性，前往对应地点进行了经度、纬度调查。

图3　基础数据库的数据组成

3.2数据信息的查询和提取

本系统存储数据的查询和提取功能是通过HGA信息管理平台的查询生成器(Query Builder)模块实现的。其通过设计预览(Design Preview)界面快速生成SQL语句，结合逻辑表达式和运算符(>，>=，<=,<,=,<>,!=,!<,!>,LIKE,IS,IS NOT,BETWEEN,&,!)进行数据查询。此外，本系统还可以对查询结果作快速统计(如AVG，COUNT，MAX，MIN，STDEV，STDEVP，SUM，VAR，VARP)，并按升序或降序对查询结果进行排序。

通过以上操作，系统可以查询、提取钻孔属性信息(地层岩性、厚度数据、不同地下水化学成分等)。

3.3可视化展示

基础数据库中的数据信息能够通过信息管理平台实现可视化输出，直观地展示地层和岩性分布以及地下水水位、水质的动态变化趋势和空间分布特征。

可视化功能的实现主要依靠HGA信息管理平台的剖面编辑器和地图管理器等功能模块。其中，基于ESRITM技术的地图管理器模块集成了诸多地图制图功能，能够无缝地将数据库信息映射到地图中，它还是制作地质剖面、获取井钻细节信息、绘制等值线的基础。

3.3.1典型钻孔柱状图和地层剖面图绘制

根据大沽河地下水源地信息管理系统数据库中的钻孔信息，使用地图管理器定义一条典型剖面线，此剖面线包括了孙家顶村委监测点(a)、东马龙瞳村委监测点(b)、王家村委监测点(c)、赵家水泵站监测点(d) 、西桥村委监测点(e)。根据这5个钻孔的基础信息，通过剖面编辑器的钻孔制图(Bore Hole Log Plot)选项绘制钻孔柱状图(图4)。然后，生成对应的地层剖面图(图5)。

图4　钻孔柱状图

图5　地层剖面图

图6　地下水水位等值线

图7　地下水中硝酸盐氮等值线

3.3.2典型等值线图绘制

使用地图管理器导入大沽河地下水源地底图，在系统数据库中分别选择地下水水位监测井和水质监测井，获得其位置信息及2014年6月的地下水水位数据和2013年9月地下水中硝酸盐氮浓度数据，选择克里金插值方法，使用编辑选项分别绘制得到对应的地下水水位等值线(图6)和地下水中硝酸盐氮等值线(图7)。

通过地下水水位等值线可以进一步计算地下水资源量和合理开采量，通过地下水硝酸盐氮等水质监测指标浓度的等值线可以了解到地下水污染程度和污染分布情况，为规划污染治理方案提供数据和技术支持。

4　结语

本文在大沽河地下水源地地质和水文地质系列资料全面收集和整理的基础上，录入地下水源地钻孔属性信息、地下水水位和水质实测数据，构建了大沽河地下水源地基础数据库；另外，通过信息管理平台处理数据资料，进行了钻孔剖面图、地层剖面图、地下水水位、水质等值线的可视化展示，从而解决了数据信息存储不规范、查询提取困难、缺乏系统管理和利用效率低等问题。

大沽河地下水源地信息管理系统能够快速、准确地展示研究区地层和岩性分布、地下水水位和水质的动态变化趋势与和空间分布特征，该系统的构建和应用可以为大沽河地下水源地的开发、利用和管理提供了技术支持，具有重要的实用价值和应用前景。

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Construction and Application of Information Management System about the Groundwater Source Field of Dagu River

SUN Jia-wei1,2，ZHENG Xi-lai1,2，ZHANGBo1,2

(1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology,Minister of Education,Ocean University of China，Qingdao 266100,Shandong；2.College of Environmental Science and Engineering,Ocean University of China Qingdao 266100,Shandong)

Based on the research on natural geography,geologic and hydrogeological conditions about the groundwater source field of Dagu River，the information about boreholes and the data about the level and quality of groundwater has been collected and sorted systematically.An information management system about the groundwater source field of Dagu River is set up on the basis of Microsoft SQL Server foundation database and Hydro GeoAnalyst information management platform.This system solves the problems of non-standard storage,access difficulties,a lack of system management and low utilization efficiency of data.It realizes the storage,query and visualization display of data.It helps the manager to grasp the stratum and lithological distribution and the dynamic change trend and spatial distribution characteristics about the level and quality of groundwater in the groundwater source field of Dagu River.The system provides data and technical support for the rational development,management and pollution control of the groundwater source field of Dagu River,which has important theoretical and practical value.

Groundwater source field；information management system；database；visualization and Dagu River

2016-03-14

青岛市重大水利科技专项“青岛大沽河地下水水源地生态保护与修复”(T-20140813-017)

孙佳玮(1990-)，男，山东青岛人，在读硕士研究生，主攻方向：水资源保护与水污染控制。

郑西来(1959-)，男，河南洛阳人，博士，研究方向：水资源保护与水污染控制研究

P641.2

A

1004-1184(2016)05-0057-04