Surfer和MapGIS软件在污染场地地下水调查中的应用

吴颖慧

中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

MapGIS是中国地质大学信息工程学院武汉中地信息工程有限公司自行研制开发的大型基础地理信息系统软件平台[1]，现广泛用于数据处理、地质勘查测绘、土地管理、环境评价、场地调查等领域。伴随着地勘单位向环境影响评价、场地环境调查项目的业务拓展，MapGIS在其相关业务中的应用也越来越广。Surfer软件是美国Golden Software公司开发的数字化图形应用软件，具有操作简单、数据处理能力强、界面友好、功能多样等特点，有强大数据处理能力和多样的插值方法，是用来处理X、Y、Z数据的首选软件[2]。Surfer可以轻松制作数据点位图、等值线图、趋势图、矢量图等；此外，软件提供了12种插值方法，几乎包含所有的数据统计方法；提供多种与其他GIS相关软件的数据转换格式，使软件间能够很好地完成数据的处理和转换，并且具有一定的图形编辑功能[3]。

然而，MapGIS软件和Surfer软件也存在着一定的局限性。在污染场地地下水调查项目中，涉及很多对水井点位、水位标高等离散数据的处理，MapGIS软件提供离散数据进行网格化的数学模型较少，仅4种：距离幂函数反比加权网格化，Kriging-泛克里格法，稠密数据中值选取法，稠密数据高斯距离权法。MapGIS数据处理能力不足，操作界面不是很简洁，绘制的地下水等水位线采用距离幂函数反比加权网格化法，效率较高，曲线圆滑，但在局部区域出现了等值线缺失现象和疏密分布不均匀现象[4]。Surfer软件图形绘制和展示能力有限，软件内部所集成的各类坐标系统与我国相关坐标系统并未完全兼容，在完成图件修饰操作过程时明显不足，例如添加图例、比例尺等，有必要结合像MapGIS这类软件进行补充应用。笔者通过收集整理天津市东丽区某污染场地资料，发挥Surfer和MapGIS软件各自的优点，对各项数据进行处理分析，制作相关图件，为编制污染场地报告提供一种简单、易操作的过程和方法。

1 项目基本概况

调查区位于天津市东丽区程林庄工业区，登州路与程环道交汇处，交通便利。本次项目在收集研究区周边区域地质、水文地质资料的基础上[5]，通过水文地质调查、水文地质钻探、水位统测等工作手段，初步查明了该调查区潜水含水层的水文地质条件。调查区内共布设水文地质勘察和水位监测孔11个，勘察深度均为6m，分别为S1、S6、S9、S10、S12、S14、S15、S16、S20、S21、S25。

在污水场地地下水调查过程中，主要收集测绘和监测数据等，其中测绘数据2包括调查区边界拐点坐标、地下水监测井点位坐标、地下水监测井地面和管口高程、地下水稳定水位等。为了解研究区内潜水流场特征，保证水位测量的精度，采用水位计对本次施工的11个水位监测孔进行水位统测工作，合计完成11点次。获得井口标高、水位埋深及水位标高数据（表1）。

表1 潜水地下水位统测结果一览表 Table 1 List of test results of diving groundwater level

由地下水水位统测结果可知，水位标高为1.648～1.914m，平均水位标高为1.764m。

获得地下水井水位数据后，通过Surfer软件制作地下水水位等值线图、地下水流向图、地下水流场图等，输出获得MapGIS软件可使用的格式文件，再由MapGIS软件进行修饰，最终完成各项数据的分析和图件的制作。旨在为污染研究区地下水调查项目提供一种方便、实用、可操作性强的数据处理和制图方法。

2 数据的整理与转换

2.1 txt数据

txt数据为surfer软件处理的主要数据格式。首先完成数据采集，将整理过的数据输入Excel中或直接将数据粘贴入记事本，另存为txt格式。处理数据一般为四列，包括点位名称、点位坐标（X值、Y值）、点位赋值等。

在污水场地地下水调查过程中，点位的赋值为水位标高，可根据研究区相关数据直接获得，即水位标高=井口标高-水位埋深。点位图、流场图、矢量图等图件的数据主要为水井的点位坐标和水位标高。获得的数据也应保存为txt格式（图2）。

图2 txt导入Surfer软件示意图 Fig 2 Import txt files to the Surfer software interface

2.2 Data数据

数据栅格化是分析处理点位数据的前提，通过surfer软件中的Grid实现。

(1)打开surfer菜单栏中的Grid选项，选择Data（图3）。

图3 Data选择示意图 Fig 3 Data selection schematic interface

(2)打开水井的水位标高txt格式文件，点选Data Columns下的X、Y和Z，对应水井点位坐标和水位标高赋值。Gridding Method下拉菜单中选择Kriging，其它均设定为默认值保存（图4）。

图4 Gridding Method的选择 Fig 4 Gridding method selection interface

（3）Kriging的选择

Surfer软件提供了10余种插值方法：距离倒数(Inverse distance to a power)、克里格(Kriging)、最小曲率(Minimum Curvature)等。场地调查地下水的实际工作中，一般利用有限的点位坐标和地下水水位标高数据，通过空间插值模拟，对地下水的变化趋势进行呈现。

克里格(Kriging)法又称空间局部插值法，是地质统计学的主要内容之一，在1951年克里格（D.G.Krig）首次应用于南非金矿，随后法国统计学家G.Matheron在研究地质学现象的空间结构和进行空间估值的基础上，将克里格法理论化、系统化[6]。克里格法是根据待插值点与临近实测水位控制点的空间位置，对待插值点的水位标高值进行线性无偏最优估计，通过生成一个关于水位标高的克里格插值图来表达研究区地下水的赋存状态[7]。

近些年，国内从事地下水位插值研究的同行们也通过各类项目的实施，研究对比克里格(Kriging)法在类似项目的优势。应用于地下水插值时，克里格法比趋势面法更为精确[8]，它在模拟区域地下水位估值时线性漂移取得了良好的效果[9]，在赋权时，综合考虑距离、方位的影响[10-11]。理论上，克里格插值较其他方法更好，在趋势变化图中，克里格插值结果与实际相符，表面也较光滑[12-13]。综上，当数据的空间连续性变化的属性非常不规则时，克里格法能较好地表示隐含在数据中的趋势，尤其适用于污染场地地下水调查时采样点分散、无规律情形下的数据处理和分析。收集的点位数据越多，生成的地下水水位等值线图越准确。

3 等值线图的绘制

在对场地地下水流向模拟过程中，需要显示调查范围、地下水监测井的点位、地下水等值线、地下水流向等，需要将点位图、等值线图、矢量图进行叠加分析，完成对地下水流场的研究。

（1）surfer软件读取数据对话框，注意X、Y、Z要选对。其中X、Y为坐标值，Z为水井的水位标高，单位为m。X-Direction和Y-Direction中“Minimum，Maximum”值的设置应根据调查区的拐点坐标进行调整（图5），从而完成对整个区域的插值，以做到流场图的等值线包含整个调查范围。点击确定创建Grid格式文件。

（2）利用坐标和水位标高数据（单位为m）进行等值线图的制作。点击Surfer软件菜单栏中的“Map→New→Contour Map”（图6），打开上一步生成的Grid文件，单击“OK”，得到一幅等值线图（图7）。

图6 Contour Map 的设置 Fig 6 Setting interface of contour map

图7 水位标高等值线图（单位为m） Fig 7 Water level elevation contour map

（3）在左侧菜单中设置等值线的起始值、终止值和等高距，以及成图比例等参数。如在等值线图X、Y坐标轴上双击鼠标或单击右键选中“Properties”设置等值线的各种属性（图8）。

图8 等值线图的参数设置 Fig 8 Parameter setting interface of contour map

双击左侧Object Manager中Contours或双击刚生成的等值线图，完成对Contours Properties的设置，可对等值线进行着色和修饰。

（4）添加点位图

Surfer软件菜单栏中的“Map→New→Post Map”，Post输入时为.txt格式。打开需要投入等值线图中的点位txt文件，单击“OK”，添加点位图（图9）。其中，生成的点位尽量小，这样生成图片格式后便于在MapGIS中修改。

图9 点位图的生成 Fig 9 Generation of the point map

将点位图Post左键拖动至Map Contours中，双击Post，设置Map：Post Properties的各类参数，如颜色、子图、透明度和大小等（图10）。

图1 调查区地下水井平面布置图 Fig 1 Layout plan of the groundwater well in the survey area

图10 点位图的参数设置 Fig 10 Parameter setting for the point map

（5）Grid Vector Map矢量图

为制作地下水流场图，通过矢量分析可判断地下水的流向。Surfer软件菜单栏中的“Map→New→Grid Vector Map”，选择生成的Grid文件，成图（图11）。

图11 矢量图的生成 Fig 11 Generation of vector map

通过分析矢量图可知，调查区西北部个别水井中的潜水具有一定的承压性，总体上能判断区内地下水的流向为：由西北流向东南。

（6）Surfer软件图形的输出

通过File菜单下“Export”输出图片格式，jpg、tif格式均可。

4 MapGIS成图

流场图制作主要应用Surfer软件生成等值线图，将Surfer软件生成的等值线图tif格式文件，以点的形式添加到MapGIS（图12）。再通过点线面文件对图形完成修饰，如添加图例、比例尺等。其范围、点位以及文字描述均在MapGIS中完成，方便后期的修改。

图12 MapGIS添加点格式文件和Surfer生成图片 Fig 12 MapGIS Add point format file and Surfer generate pictures

Surfer软件闭合区域曲线，白化或镂空法不能很好地保留生成图件内的标识[14]。在MapGIS软件中依据研究区范围画线，确定调查区边界，再建区将范围外的区域覆盖，编辑点位、水流向、图例、比例尺等最终成图[1,15-18]（图13），输出图片格式。

图13 地下水流场图 Fig 13 Groundwater flow field map

5 文件转换应注意的问题

污染场地地下水调查项目需要完成各项数据的处理、分析和图件的制作。目前均是Surfer与MapGIS以及Surfer与AutoCAD的格式转换。

5.1 Surfer转MapGIS格式

通常是先将Surfer图形文件输出成dxf或mif格式，再转换成MapGIS的点、线、面格式[19-20]。但在Surfer图件转换为MapGIS图件时，其等值线标注会有偏移，使图件不标准也不美观。再者两软件采用的单位不同，Surfer软件和MapGIS的单位分别是cm和mm，转换时要注意图形比例不同[21]，生成的点、线、面混乱零散，甚至有些相互混入，修改的工作量太大，无法轻松完成工作。转换后的字体、线型、线的参数等内容也要重新调整。

5.2 对比Surfer软件和AutoCAD在污染场地地下水调查项目中的应用

Surfer软件输出文件类型选择为“AutoCAD(*.dxf)”类型，再由AutoCAD导入、编辑[5,22-23]。在转换过程中，虽相较于转成MapGIS稍好，但地勘单位的技术人员应用AutoCAD软件较少，不能很好的操作。

6 结论

污染场地地下水调查中不但需要对项目获得的测量数据进行整理、汇总与分析，还需要显示调查区地下水监测井的点位、地下水水位等值线图、地下水流向、地下水流场图等。通过Surfer和MapGIS软件结合使用，发挥两者的优点，使用Surfer软件能对各种数据进行处理，且绘制出的图形更加美观且易于调整。利用Surfer软件作图并转换成MapGIS格式图件，既满足了提交资料的要求，也更符合地质工作者的使用要求。通过介绍两种专业软件联用的使用方法和技巧，提供了一种简单、易操作的过程和方法，为广大地勘技术人员提供一定的借鉴。