区域浅层地热能的多源信息系统构建

蔡子昭,何雨江,王 乾

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)

浅层地热能是高效、安全、稳定的清洁能源，具有巨大的开发潜力，其开发与利用已受到国内外广泛的重视[1-4]。浅层地热能是指蕴藏在地球表层200 m范围内的土壤、岩石和地下水中的低温热能，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。与其他可再生能源相比，它具有分布广泛、蕴藏量大、埋藏浅、易开发、运行成本低等特点[5-6]。但是，由于受岩性、埋藏深度、热流值、气候和当地人民生活需求等多种因素的影响，浅层地热能的开发利用是一个非常复杂的系统工程[7]，各方要对信息进行重复处理来满足需要，这种缺乏有效信息传递而造成的“信息孤岛”[8]现象是其管理效率低下的重要原因之一。以往简单粗放的开发方式完全不能满足当前的能源需求，更不能达到浅层地热资源的高效利用[9]。由于在浅层地热能开发利用的寿命周期各阶段会产生大量的信息，这就需要实现以往粗放式管理向现代化集约式管理的转变[10]。因此，亟需建立一个综合考虑多种因素和多功能的多源信息系统，为浅层地热能的综合管理、有效评价、合理开发等提供技术保障，促进社会经济的可持续发展[11-14]。

针对浅层地热资源的综合管理，前人已经开发了一些有关地热资源的管理信息系统，如何满潮等[15]开发了一种内嵌GIS功能的地热资源管理信息系统，摆脱了庞大复杂的GIS平台，将数字地图和属性数据有效地统一起来;唐丽玉等[16]将地热资源管理信息系统与地热开发可视化系统相结合，开发了一种基于2维、2.5维、3维为一体的混合型系统，在可视化方面具有一定的优越性;张像源[17]将远程监测功能应用于地热资源管理信息系统中，实现了地热数据的远程实时采集、管理与统计分析的一体化；刘兵[18]在满足以往信息管理系统数据录入、数据管理和分析应用等功能的基础上，新增了办公管理应用系统，实现了地热资源申请审批、计费管理、档案管理等工作的现代化，提高了管理工作的效率；陈文杰等[19]基于MapGIS设计了天津市地热信息系统，该系统包含一些地热评价功能。本文在借鉴前人研究成果的基础上，主要针对区域尺度的浅层地热能，设计了包括数据录入、管理、分析、评价等功能的浅层地热能多源信息系统，辅助项目组建立基础数据库，开展了浅层地热能资源开发利用的适宜性评价，查明区域浅层地热能资源量，划分开发利用适宜区，从而制定出浅层地热能开发利用规划。该研究成果既可作为野外调查人员建立浅层地热能的数据库工具软件，也能满足管理部门进行大范围的浅层地热能数据汇总和集成的需要，又能辅助专业技术人员实现浅层地热能相关图件的编制与适宜性评价。

1 浅层地热能多源信息系统的设计

1.1 设计原则

浅层地热能数据库是信息系统的基础，包括空间(图形)数据库和属性(调查)数据库，通过内外属性表的结合使用，实现图形数据与属性数据的有机关联，因此在浅层地热能数据库设计时要考虑其关联性和可操作性。

浅层地热能调查数据基本以野外空间调查点为主，从关联关系上说，用于描述一个空间图元的属性信息可以是一个简单的属性表，也可以是多个属性表，由于其调查数据涉及时间动态性，或者是同一个调查点涉及多条数据，会出现一对多的关联关系。系统使用SQL Server 2008建立属性数据库，利用数据库的主外键实现数据表之间复杂的关联关系。

1.2 数据库设计

浅层地热能调查是在充分收集研究区区域地质、水文地质资料的基础上，根据实际需要补充适当的地质、水文地质野外调查，布置钻探、取样测试，开展地温测量、现场热响应试验、抽水试验、回灌试验等调查和试验工作，并依据地温场的温度以及地热流体的赋存状态、地球化学场特征、物理性质与化学组分，对地热流体动力场特征、补径排条件进行评述，评价浅层地热能可开发利用的地区以及合理开发利用的深度[22]。因此，浅层地热能数据库设计的内容包括机(民)井调查表、泉点调查表、地源热泵开发利用调查表、钻孔综合表、抽水试验成果表、回灌试验成果表、现场热响应试验成果表、热地温观测记录表、水位观测记录表、水温观测记录表等[9]；此外，还包含与调查数据相关的测试数据，如水质分析综合成果表、岩土体物理性质测试成果表、岩土体热物性参数测试表等。从浅层地热能调查的角度，以点状调查为主，且所有调查点的编码格式要求统一，所以在数据库设计中，将野外调查的点位坐标作为统一编号，在属性数据库中作为关键字。为了保证后期数据汇总整理时所有调查点的图元编码不能重复出现，并以图元编号作为系统的唯一标识，在属性数据库中作为关键字及主键处理。在野外取样表中增加样品编号，保证同一个调查点取多个样品可以整理到数据库中实现一对多的关联关系。样品编码方案参考地下水污染调查信息系统[20]，采用复合经纬度坐标方式，即17位数字图元编码方案，做到所有调查点编码的唯一性。由于野外地质对象实体的多重水文地质专业属性，调查点既是野外调查点又可能是取样点和野外试验点，因此在数据库建设中，将水文地质调查点的基本信息提取出来作为一类地质对象实体，在一级属性实体基础上扩展水文地质调查专业二级属性表，以同样的方式继续扩展三级表或四级表，点的统一编号作为多级关联的关键字。区域浅层地热能多源信息系统的数据库实体及其关联关系，见图1。

1.3 系统功能设计

浅层地热能多源信息系统包括两个主要系统：数据录入系统、数据管理和分析应用系统。前者主要完成系统数据库的建设，包括数据编辑录入、浏览查询、汇总、维护；后者是在建立浅层地热能数据库后，完成数据库管理、数据分析、数据制图、数据评价等任务。

(1) 数据录入系统：该系统由数据编辑与浏览子系统、数据查询子系统、数据报表打印子系统、数据汇总子系统、系统维护子系统和帮助子系统组成，各子系统既保持了功能上的独立性，又实现了在操作上的相互关联。其中，数据编辑与浏览子系统主要包括卡片方式和网格方式两种界面输入和浏览方式，用户可以根据不同的需要选取合适的方式，该子系统的主要功能是对数据进行采集输入、存储、管理和更新，实现野外调查数据的录入编辑功能，是本系统数据管理的核心；数据查询子系统提供属性数据查询和查找功能，帮助用户快速定位，便于数据编辑和维护；数据报表打印子系统提供数据库各种报表打印输出和文件输出；数据汇总子系统包括数据库合并、数据汇总，还提供数据导入功能，数据导入支持Excel、Access、SQL Server数据格式文件直接导入数据库；系统维护子系统提供数据备份与恢复、系统环境设置等功能；帮助子系统为用户提供界面友好的帮助，包括目录索引、热键索引等。区域浅层地热能多源信息系统中数据录入系统的功能结构，见图2。

(2) 数据管理和分析应用系统：该系统是在数据录入系统基础上完成的，包括数据管理模块、专题制图模块、数据评价模块、数据查询模块和图件管理模块，专题制图和数据评价是系统应用的主要功能。其中，数据管理模块主要是对区域浅层地热能调查的野外原始资料数据库进行管理，也包括成果图件的导入与管理、地理底图数据的导入与管理等；专题制图模块包括根据野外调查的数据自动生成各调查点的实际材料图、调查点分布图、依据钻孔基础数据自动绘制钻孔柱状图、在图形界面上选择几个钻孔自动生成这几个钻孔的剖面图、按照数据库的内容自动生成各种水质单要素等值线图、水位动态曲线、地下水化学类型图以及生成图件后的编辑修改；数据评价模块主要是对水样测试数据进行地下水质量综合评价、地下水污染评价，以及利用层次分析法对浅层地热能资源进行适宜性评价，评价完成后可根据需要制作一些成果图，如水质评价结果图、地热能适宜性评价图等图件；数据查询模块主要是辅助用户进行数据管理、数据制图和数据评价，用户在进行分析应用时，可以先进行数据查询，查询完成后对查询结果进行分析与制图；图件管理模块是对生成的图件以图层方式存放，可以多个图层进行叠加显示、打印、导出等。区域浅层地热能多源信息系统的数据管理和分析应用系统功能结构，见图3。

图2 区域浅层地热能多源信息系统中数据录入系统的功能结构图Fig.2 Functional module structure of the data entry system of multi-source information system for regional shallow geothermal

图3 区域浅层地热能多源信息系统中数据管理和分析应用系统的功能结构图Fig.3 Functional structure of the data management and analysis application system of multi-source information system for regional shallow geothermal

2 区域浅层地热能多源信息系统的开发

2.1 开发工具

区域浅层地热能多源信息系统拟采用面向对象程序设计方法，操作系统以用户较多的Windows主流操作系统(winxp，win7，win10)作为系统运行平台，数据库系统选择性能优越、稳定可靠的Microsoft SQL Server 2008 作为后端数据库，以保证系统的存储容量、存储检索速度和数据安全性，GIS平台采用地矿行业使用的MapGIS平台，前端数据录入系统采用快速开发工具Delphi作为主流开发工具，数据管理和分析应用系统以VC++ 6.0作为主要开发工具，并应用Delphi组件技术和ActiveX控件技术实现软件系统的开发。

2.2 数据录入系统的开发

数据录入系统主要是野外调查人员进行基础数据录入的系统，录入的界面方式与日常工作填写的表格保持一致，并依据浅层地热能调查评价技术要求设计录入卡片，通过在左侧目录树上选择，打开对应录入表格，表格界面风格更接近于Word或Excel表格，见图4。系统开发使用大量的基类做成Word表格一样的A4模板，针对不同的表格设计其录入卡片，所见即所得的报表输出。

图4 区域浅层地热能多源信息系统中数据录入系统的界面Fig.4 Data entry system interface of multi-source information system for regional shallow geothermal

数据录入系统提供数据库录入的基本功能，如数据的增、删、更新等数据操作，这些操作可通过对应的工具栏上的增、删、更新等工具按钮或命令菜单来实现，还提供数据导入功能，可以将Excel、Access格式的用户数据文件导入到数据库中，数据汇总功能可以将多个数据库合并。数据导入采用ADO连接方式读取Excel、Access和SQL Server数据库，设计表格对应模板实现任意满足系统主要关键字字段的数据导入功能。利用配置文件解决表格之间的导入主从关系。

2.3 数据管理和分析应用系统的开发

区域浅层地热能多源信息系统中的数据管理和分析应用系统使用VC++ 6.0开发，需要安装好MapGIS 67sdk，在工程中的视图类继承CGisView类，数据显示方面使用了Delphi开发的ocx组件用于显示二维表格数据，GIS图形和数据表格的联动采用自定义数据滚动事件解决。数据管理和分析应用系统包括两个界面：一个是数据管理界面，包含菜单栏、工具栏和数据浏览区等，系统启动后默认进入该界面；另一个是专题制图界面，用于生成专题地图，主要包括图形菜单栏、图形工具栏、图形浏览区、专题图目录管理区和专题图属性数据浏览区。其中，专题图管理目录区、数据浏览区两区域的大小可通过鼠标拖拽区域边界改变。两个界面可通过目录树或者底部的卡片页标签来进行切换。

数据管理界面中，数据信息的管理区主要是浏览查询数据库中的数据信息，以及进行系统的分析、评价和制图等，系统提供的主要功能都在该界面下完成。专题制图界面中，左边底部的目录树管理系统的地理底图和生成的各种专题图件，右边上半部分显示用于地理底图和专题图件的图形，右边下半部分显示目录树某个图层的内部属性信息以及数据分级等。专题图生成后在图形显示区里显示生成后的图形，图形所带的外挂属性显示在下边图件属性显示区，见图5。

图5 区域浅层地热能多源信息系统中数据管理和分析应用系统的图形管理主界面Fig.5 Graphic management interface of the data management and analysis application system of multi-source information system for regional shallow geothermal

数据管理和分析应用系统可以根据用户需求，从数据库里查询数据，制作出野外调查实际材料图、调查点分布图、水化学piper三线图、水质单元素等值线图等，生成图形的格式以MapGIS点线面为主，也可以导出shape格式文件等其他软件可以利用的文件。该系统中的数据评价模块是依据数据库中相关数据开展专题评价，包括地下水综合质量评价、地下水污染评价、浅层地热能资源量评价及其开发利用适宜性评价等。浅层地热能资源的相关评价主要依据《全国重点城市浅层地温能调查评价及编图技术要求》[23]中的评价方法进行，评价完成后，以表格的方式显示出评价结果，并进行制图、统计、打印输出等。

数据管理和分析应用系统提供数据查询和空间查询两种查询方式，其中，数据查询是在数据库基础上对基础数据进行各种方式查询；空间查询是结合GIS实现的，其中包括多边形内含查询、多边形外关联查询、任意点查询、输入经纬度查询、手动绘制多边形检索等，也可以针对图层的关联属性字段进行标准的SQL查询。系统查询的结果都是以图形和属性关联显示，图件可以直接打印输出，也可以转换文件格式输出，系统默认制作的图件是MapGIS格式的，也可以输出成ArcGIS的shape文件等。

3 讨 论

相比较前人开发的地热资源管理系统[15-19，21-22]，区域浅层地热能多源信息系统的优势在于集野外调查数据录入、管理、数据制图、数据评价于一体，录入系统设计的报表式录入卡片界面与野外调查表格的数据录入界面一致，能够让野外人员很快上手，打印输出可视化数据，并在利用录入系统完成项目的基础数据库建设后，不仅可以实现对基础数据库的管理，又可以依据评价的需要，随时从数据库中选取需要的数据进行评价，评价结果可直接采用克立金插值法对空间上各离散点进行网格化处理，生成区文件，完成数据制图。数据评价模块如浅层地热能的水质评价模块，是从数据库中选取离散点数据，依据《地下水质量标准》(GBT 14848—2017)进行评价，评价完成后，再根据该标准规定的级别数进行区域地下水质量分区，最终形成区域浅层地热能地下水质量分区文件。该系统与其他类似系统相比具有运行稳定、兼容性较好、操作简便灵活的优点，能完成所有的与浅层地热能相关地质数据的录入与管理、报表输出和各种成果图件的绘制以及浅层地热能资源评价,可以提高工作效率和管理水平。但是该系统尚有一些欠缺和不足，如与唐丽玉等[16]开发的系统相比，本系统作为一个二维系统，在三维可视化方面较薄弱；与刘兵[18]开发的系统相比，本系统未考虑办公系统功能等；另外，本系统将野外调查的平面、剖面图作为OLE对象存储在数据库中，在方便用户数据管理的同时，也会在数据库汇总集成大量数据时造成系统运行速度较慢。为了满足今后浅层地热能勘察工作中大量数据资料的处理，还需对其进行不断的改进与完善，以丰富系统的功能，提高其运行速度和稳定性。

通过对区域浅层地热能调查的工作流程进行分析和设计，利用计算机技术、数据库技术、GIS技术等开发完成的区域浅层地热能多源信息系统，实现了区域浅层地热能调查数据的采集和管理，并可辅助专业人员完成项目所需的各种成果图件，可为区域浅层地热能资源开发利用的适宜性评价提供有效的技术支撑。

4 结 论

区域浅层地热能多源信息系统基于GIS平台，集数据录入、管理、分析、评价于一体，实现了对多种有效信息的集约管理。通过利用信息系统技术对浅层地热能勘察资料进行处理，实现了数据资料收集、保存和管理的规范化、结构化的要求，使用户可以更加方便、直观地使用和处理这些资料，同时实现了数据资料的共享，大大提高了资料的利用率。该多源信息系统的构架能够为区域浅层地热能调查的多源数据搭建面向对象的综合管理平台，并能快速、有效地完成浅层地热能资源开发利用的适宜性评价分区，可作为野外调查人员建立区域浅层地热能数据库的工具软件，也能满足管理部门进行大范围的浅层地热能数据汇总和集成的需要，以为浅层地热能资源的有效开发利用提供技术保障。