基于GIS的地下水水位红线管理方法研究

2018-06-14陈锁忠

中国水利 2018年11期

何亮，陈锁忠，2，齐慧，陈翠

（1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，210023，南京；2.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，210023，南京）

地下水指的是贮藏于地面以下岩石空隙中的水资源，是一种重要的地质矿产资源。目前，部分地区由于不合理利用与过量开采地下水，引发了严重环境地质问题。2011年中央1号文件特别强调，必须实行最严格水资源管理制度，确立水资源管理“三条红线”，改变现存的水资源过度开采、水污染严重、水生态环境失衡等问题。对地下水实施“红线管理制度”迫在眉睫。

在地下水水位红线管理方面，我国相关专家学者已取得了较多的研究成果，如蒋咏等从江苏水文地质条件与地下水开发利用实际出发，提出了地下水水位红线控制水平评估的体系；叶勇等基于我国地下水资源管理现状及存在问题，提出利用地下水控制性水位与地下水可开采量结合双重管理地下水的方式；张志强等在对比国内外相关研究基础上，探索了最严格地下水资源管理在 “三条红线”中的量化理论和运用案例。

对照国外研究结果，国内针对地下水红线管理的研究尚存在问题。首先，我国一些涉及地下水开采的省份虽然已实现对水位红线指标的具体划分，但对水位红线管理的可视化研究还显不足，且分析方法缺乏创新，含水层结构与地下水动态的空间特征展示不够突出；其次，虽然目前在地下水水位动态可视化方面已获得较多研究成果，但多数可视化的形式为水位时间过程曲线或水位等值线，与地下水水位红线行政管理业务结合得较少。

本文基于GIS（地理信息系统）空间分析与动态可视化等技术，结合地下水水位红线管理业务，研究孔隙地下水水位红线可视化管理技术，综合展示地下水贮存环境和地下水水位时空特点，从多个层次实现对水位红线分析的可视化，量化与自动圈定超限采的区域范围，从而为地下水实施红线管理制度提供技术保障。

一、地下水水位红线管理概述

地下水水位红线管理是基于地下水水位红线指标来管理地下水水位，进而达到限制和规范地下水开采的目的。地下水水位红线是基于数值模拟、相关分析等方法，并通过计算开采层的禁采水位来确定的。当含水层的水位低于禁采水位红线后，继续开采会对地下水系统造成恶劣影响。因此，需提前设定好限采水位红线，确保在常态状况下不超过地下水水位禁采红线，即在水位接近禁采水位红线之前，实现对地下水水位的红线预警。限采水位红线的值是指根据地下水可开采量计算控制水位，其划定的技术路线如图1所示。

地下水水位红线管理的核心目标是对地下水资源的空间分布状况进行量化，优化地下水开采措施，严格把控地下水的开采量，提供保护地质环境的数据支撑。针对已经突破限采水位埋深红线的地域范围，按相关规范要求科学开采与管理；针对已靠近或将达到限采水位埋深红线的地域范围，应对新凿井的开采与地下水开采进行严格把控；针对已低于禁采水位红线的地域范围，相关部门应重点关注并全面整治，直到地下水水位恢复正常为止。

目前，地下水水位红线管理方法大部分是基于统计、对比分析技术来进行，是一种完全对属性数据的分析方法，很难精确显示地下水水位随时空变化的特点。并且目前的管理方法是针对地下水监测井点水位实行水位红线分析，但孔隙地下水在平面空间上处于动态、连续的分布状态，仅从监测点上分析其动态变化存在着不足，需从三维空间上，多层次、多角度对孔隙地下水的动态特征进行分析，综合判断分析地下水水位是否已超过规定的红线指标。

二、地下水水位红线管理数据特征分析

支撑地下水水位红线管理的核心数据包括：管理区域的地下水水位红线指标值、地下水水位动态监测及其表征地下水水位的相关数据。

图1 地下水水位红线划定的技术路线

1.地下水水位红线特征分析

所提“水位红线”实则不是真正意义上的 “线”，针对监测井点来说是“点”值；在2D空间中，在水文地质剖面图上呈“线”值；而在3D空间中，依据其物理意义是“警戒面”值。所以在对地下水水位实现红线管理时，地下水水位红线的几何特征随着其管理对象的几何形态差异而呈现不同的形态。总之，水位红线除了包含属性数据特性之外，还包含空间数据的特性，具有空间特性、属性特性与时间特性。

（1）空间特性

根据地下水水位红线的划分技术路线可知，在平面上，地下水水位红线是依据不同的行政区划和水文地质分区来划分的，因此，水位红线的指标值在不同地区会存在显著的差异性。

地下水水位红线的划分是依据每个管理分区的边界进行划定的，位于不同管理分区内的水位红线值存在差异，而位于相同管理分区内的水位红线值是一样的。在纵向上，孔隙地下水赋存在不同的含水层中，因为各个含水层富水性、可开采资源量与开采程度存在差异性，导致各个含水层自身的属性特性也存在差异。故在同一红线管理分区内，不同含水层的水位红线也存在差异性。

（2）属性特性

在同一范围内的同一含水层内，一般包含两条地下水水位红线：一条是限采水位红线，另一条是禁采水位红线。通常来说，限采水位红线的设定目的就是预防水位突破禁采水位设定的分界线；而禁采水位红线是绝对不能越界，因为地下水水位持续下降会造成不可预估的生态系统破坏。

（3）时间特性

地下水水位红线的划定同时受到水文地质条件状况、自然环境变化情况与地下水利用境况等因素影响。此外，由于地下水在含水层中处于持续运动状态，受到外界的干扰因素影响较大，水位红线的划分标准也会随时间和影响因素的变化而优化。

2.地下水水位动态特征分析

地下水水位动态指的是随着时间的规律变化，受到人为和自然因素等影响，地下水的水位、水质、水温等要素发生变化。通常在自然状态下，受到气象因素的影响，雨季降水渗入使得埋深较浅的潜水水位升高，干旱季节强烈的蒸发作用引起潜水水位下降，导致盐分聚集；受到水文因素的影响，洪水期间河水水位的急剧变化引起沿岸潜水水位的变化，湖泊水位变化引起与其有联系的地下水水位的相应变化，具有显著的周期性和较缓慢的趋势性。而在人为因素中，开采和疏干会使地下水水位变化。这些因素使得地下水动态变化速率和幅度急剧增大，将给地下水自身和自然生态环境带来恶劣影响。所以研究地下水动态，可以更清晰地了解水文地质条件，掌握地下水运动规律，提供地下水资源评价依据。

地下水水位，其现实含义是指某一监测井点地下水水位的高程值。然而地下水是处于持续运动且连续分布的状态，所以地下水的动态变化不但包括改变某一开采井点的水位变化，还包括这一开采点的水位发生变化后对其周围地下水环境产生改变。故地下水水位的动态特征主要包括“点”与“面”特征。

（1）“点”动态特征

当含水层排泄量低于补给量时，储藏量不断增加，地下水水位随之抬升；与此同时，当含水层排泄量高于补给量时，将造成地下水水位下降。地下水水位的动态特征即呈现为某一监测井点水位的抬升和下降。通过计算分析所有监测井点的地下水水位抬升与下降的速率，可为进一步研究该地区的水位动态变化态势和超采区的划定提供根据。

（2）“面”动态特征

在面上，孔隙地下水水位动态变化特征呈现为地下水水位降落漏斗区的水位抬升与下降、漏斗区域面积的增加与减少。地下水是连续的流体介质，由于不同区域的地下水水位与水力梯度之间存在差异性，当地下水位于二维空间上时，所展示的是一个“连续的曲面”。又因地下水开采强度在不同地区存在差异，造成水位超采的程度也存在差异。除此之外，禁采区、超采区和限采区三者之间是渐变过渡关系，且三者之间的水位呈现连续分布的形态。

三、基于GIS的地下水水位红线管理数据

正因地下水水位红线、地下水的动态水位等存在较大的地域空间分布差异，牵扯到庞大的空间数据和属性数据，如果想达到红线管理，仅依赖传统的关系数据库难以进行详实的表达。而在GIS中，核心是空间数据，二维空间的地理实体可抽象表示为点（point）、线（line）、面（polygon）三类，表示现实世界地理实体（现象）在信息世界中的映射。运用GIS中的点图层来存储监测井点空间位置信息，用于分析和存储地下水水位动态的 “点”特征；运用GIS中的面图层来存储超采区（禁采区、限采区等）的空间分布数据，通过对超采区面积的动态变化情况来呈现地下水水位动态的“面”特征。

因此，本文采用GIS的空间数据库技术，研究如何使用点、线、面三类地理实体来描述与组织地下水水位红线管理的数据，进而构建水位红线空间管理数据库，为水位红线可视化管理提供数据支持。

图2 监测井水位埋深—时间统计曲线

四、地下水水位红线管理实现

1.基于监测井的地下水水位红线管理

地下水水位监测井是从 “点”上直接获取地下水水位动态数据的有效手段，并且有些监测井同时属于开采井。通过对监测井的规范管理，能够筛选出哪些开采井存在超采情况。另外，对监测井进行红线分析，可得到在某一监测时段内的水位红线分析结果，以及同一地点、不同时间点或不同时间段的分析结果。而常规的水位埋深—时间统计图，一般都是从属性数据表中提取对应的数据信息并辅以绘制。即使能展现出水位动态变化的特点，但仍未展现出监测点的空间属性。

而利用GIS技术即可对监测井点实现更快速、更直观的水位红线管理。鉴于管理区域地下水水位监测采集的数据一般为水位埋深，因此采用水位埋深作为红线管理的水位指标。

（1）历史水位埋深动态曲线绘制

地下水水位埋深统计数据的特征包括其数量上的属性特征和空间位置上的特征，只有当与其具体的地理空间位置对应时才有现实意义。所以，本文基于地理信息系统技术对传统的水位—时间统计曲线优化，从而实现对监测井点水位埋深动态数据的可视化。

运用GIS技术将统计曲线和监测井的地理空间位置一一匹配。图2所示，以监测水位埋深为纵轴，监测时间段为横轴，进而绘出监测井水位埋深—时间统计曲线。该统计曲线具有监测井历史水位埋深数据的时空分布特征和良好的可视化表达。

（2）基于监测井点的水位红线管理方法

水位埋深—时间统计曲线能够呈现不同时间点的水位埋深值与水位埋深的动态变化，若将多要素同时加入，能看出多个要素彼此的联系。如图3所示，结合地下水水位红线管理业务，通过对监测水位埋深当前数据、同比数据、环比数据、限采水位埋深数据与禁采水位埋深数据的结合，实现多要素统计曲线的可视化绘制。从图3可以看出：水位埋深在限采水位埋深区间内的时间段越多，此监测井的情况越好；而低于限采水位埋深区间的时间段越多，则说明该监测井的地下水开采状况不容乐观。

图3 基于水位埋深统计曲线可视化红线分析

2.基于水位剖面的水位红线管理

地下水赋存于地表之下，必受到该区域水文地质条件的限制和影响。同时地下水水位变化也是一个空间上连续动态变化的过程，必须能够在空间变化过程中进行分析管理。因此，结合在空间上具有连续性的水文地质剖面进行地下水水位变化分析是十分重要的。

（1）水位剖面图绘制

水文地质剖面图是用于表达某一地段在一定的垂向深度上含水层成因、结构、空间分布情况、富水性、水位动态等水文地质条件的地图图件。本文所提到的水位剖面图是基于水文地质剖面图，通过叠加其剖面线上的含水层水位后形成的水文地图图件。在垂向上，水位剖面图呈现的是同一位置、不同含水层地下水水位的变化状况；在横向上，水位剖面图呈现的是从某一起始点到终点沿途的地下水水位的变化状况。

水位剖面图集成了水文地质剖面图的地下水水位的动态可视化、地下水贮存环境可视化表达等特点。因而借助GIS技术和现有的水文地质剖面图绘制技术绘制水位剖面图，可实现从垂向、横向上同时对水位红线进行管理。

（2）剖面水位红线预警

此处水位红线管理方法同样运用多要素绘制法，水位剖面图是基于双纵轴的方法绘出，以水文地质剖面图为底图，主纵轴为水文地质结构的标高值，在次纵轴上绘制出各个含水层的禁采埋深水位红线与限采埋深水位红线（见图4）。

从图4可知：在横向上，显示的是剖面线途中的水位变化情况，通过对比水位埋深和水位红线之间的联系可知水位红线分析结果，即该区域整体的水位分布情况较良好，只有少部分区域的水位低于限采埋深水位红线。在纵向上，表达了某一区域内所有含水层的水位空间分布状况，其分析结果能为综合评估某一地区范围内的地下水开采状况和优化地下水开采方案提供支撑。

图4 水位剖面图

3.面向监测区域的红线管理

对监测井、监测剖面的水位埋深实现红线管理虽具代表性，但也仅可获取管理区内局部空间范围的分析结论，故要对整个管理区域内的地下水水位空间分布情况进行研究分析。管理区域在2D空间中显示的是一个平面，孔隙地下水水位以等值面或等值线的方式进行可视化显示。同时它能够完成对整个管理区域的地下水水位的动态特征可视化表达，得到涵盖整个管理区域的地下水水位动态和红线分析评估结果。另外，通过现有的水位等值线，可以获得地下水流动方向，即可以生成流线。流线上，任一点的切线方向和这点在某一时间点的地下水水流方向保持一致。此时，流线与水位等值线共同组成一个流网，即可获得该监测区域地下水运动方向以及补排等关系。

目前对水位埋深等值线的生成方法研究较成熟。它利用获得的监测站坐标数据和监测数据，生成Delaunay三角网。基于常用的区域评价分析方法，结合地下水水位红线的特征值，可对区域地下水水位动态进行连续性评价，在一定程度上能呈现出地下水流动趋势，见图5。

水位埋深等值面是以一定规则对监测区域内的地下水水位变化情况进行评估。常用的空间数据内插方法包括Kriging法、RBF法和IDW法。传统内插方法较成熟，同时相比较而言，没有完全最优的空间插值方法，只有在某一条件下的最有效方法。因此，在研究过程中着力优化在等值面可视化过程中附带执行的数据量化统计模块，在规则评价执行过程中嵌入统计过程，减少运行时间，提高运行效率，见图6。

“面”形式的水位红线管理将离散的“点”形式数据转化为“面”形式的评价结果。在此基础上，运用GIS空间要素符号化的功能，根据不同地下水水位红线管理业务下的评价标准和需求，应用不同的空间要素类型或样式，针对分析结果数据集进行分类和渲染。如根据地下水水位埋深，分别使用绿、橘、红三色系列，对分析管理区按正常、超限采水位和超禁采水位区域三种类型进行渲染评价，从而使分析结果更加简洁直观。同时，可对数据分析得到的面状要素结果进行统计和分析。

图5 水位埋深等值线

图6 水位埋深等值面

五、结语

本文基于GIS技术，研究并提出实现地下水水位红线管理的方法。可从点、线、面三个不同层次对水位红线数据实现可视化管理，应用此方法可获得同一地点不同时段、同一地点不同含水层、同一时段不同地点的水位红线分析结果，完成对管理区更直观、多层次的水位红线管理，提升水位红线管理的空间决策能力，进一步降低地下水数据管控复杂度和水位红线分析的难度。

在现实水位红线管理工作中，对地下水水位的预估具有深刻意义。怎样叠加地下水水位相关模拟预测模型，并评估地下水运动规律及地下水资源总量，这是深化地下水红线管理的重要方法。

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