基于Surfer的聊城市地下水埋深分析及對策建議

陳成勇,鄭 蕾,姜明新,楊緒超

(聊城市水文中心,山東 聊城 252000)

0 引 言

地下水是重要的水資源之一,被廣泛用于農業、工業和城市供水等領域。地下水埋深是地下水研究中重要的參數之一,它直接反映地下水資源的變化情況。人類活動、氣候變化等因素導致的地下水埋深變化,對生態環境和社會經濟發展產生著深遠影響。

近年來,地下水埋深研究在技術手段、監測方法和應用領域方面都有了重要進展。傳統的地下水埋深監測方法主要是基于人工記錄,存在著數據質量不穩定、耗時費力等問題?，F在,隨著無線網絡、智能傳感器等技術的應用,自動化、遠程遙測的地下水埋深監測系統逐漸成為主流,這些系統可以通過互聯網實現數據實時傳輸和遠程管理,提高了監測效率和數據準確性?；跀祵W模型的地下水埋深研究也取得了一定進展。例如,利用數值模擬方法,可以模擬地下水埋深的空間分布和時間變化規律,有效地解決一些難以實驗觀測的問題[1-2]。同時,結合人工智能技術,可以更加準確地預測地下水埋深的變化趨勢,在水資源管理、環境保護、城市規劃、災害防控等多個領域有廣泛的應用前景。

因此,及時、準確地進行地下水埋深分析,對于研究地下水埋深的變化趨勢和規律,推動地下水資源管理和保護、預防地下水災害、維護生態平衡等領域的創新發展具有重要意義。Surfer軟件是一種強大的地球科學數據可視化和分析工具,內置的多種插值算法可以將離散的地下水觀測點數據轉換成連續的等值線或三維網格模型等形式,直觀地展示地下水埋深的空間分布特征,實現數據的可視化,廣泛應用于地下水資源的研究分析。

目前關于聊城市地下水埋深的研究相對較少,且未見有通過3D模型來展示的案例。文章運用Surfer15軟件,選取聊城市境內248眼地下水井2022年的平均地下水埋深數據進行分析,形成二維平面圖、三維立體圖的研究成果,賦予地下水埋深立體、直觀的視覺效果,以期為地下水資源管護策略的制定提供更加科學的技術支撐。

1 研究區概況

聊城市位于山東省西部,地處冀魯豫三省交界處,是黃河下游的重要城市之一,境內有黃河、金堤河、徒駭河、馬頰河、漳衛河、京杭大運河等河流和北方最大的內陸湖泊—東昌湖,區域主要地貌類型為黃河沖積平原,地勢西南高、東北低。聊城市主要含水巖組為第四系松散巖類孔隙含水巖組,僅在南部黃河北岸零星分布奧陶系裂隙巖溶含水巖組。地下含水層在空間分布上結構復雜、置疊交錯、具有明顯的垂直分帶性,埋深區間0～30 m,巖性可分為壤土與砂壤土互層和細砂、粉細砂層,細砂、粉細砂厚度大、顆粒粗、含水性強、分布穩定,是儲存潛水-微承壓水的主要層位[3]?！?021年度聊城市水資源公報》顯示,聊城市水資源總量約為31.9億m3,其中地表水資源量約為15.6億m3,地下水資源與地表水資源不重復量約為16.3億m3。

然而,隨著城市經濟和人口增長以及氣候變化等因素的影響,聊城市地下水資源面臨過度開采、水位下降、環境污染等一些挑戰和問題。因此,準確科學的地下水研究分析對于了解地下水的流動、儲存和量質轉變的復雜水文過程,幫助確定潛在的過度開發區域,并提供關于如何可持續管理地下水資源的信息,分析評估農業或工業等潛在的污染源對公眾健康構成的風險方面作用明顯,而這些分析結果對于精準制定、實施地下水資源管護策略,規劃保護公眾健康和確保飲用水供應安全的戰略,保障聊城市地下水資源利用的健康有序發展顯得尤為重要。

本次研究采集2022年聊城市248眼地下水井的平均埋深數據進行分析,監測站點分布見圖1。

圖1 聊城市地下水監測站點

2 結果輸出

2.1 繪制二維等值線圖

1)建立后綴為“.DAT”格式的數據文件,用記事本打開,將聊城市地下水監測點位的經度、緯度和地下水埋深數值輸入文件,各數據之間用一個空格隔開,待用。

2)制作GRD格式文件,打開Surfer15軟件,通過“網格”、“數據網格化”添加“DAT”格式的數據文件,當出現網格數據對話框時,其中網格線的幾何特征表示X方向、Y 方向區域底圖的最大外邊界經緯度值,建議將基底圖層包含在內[4]?？死锝鸩逯捣ń洺１痪W格化算法所采用,在分析了Surfer 自帶的12 種插值方法優缺點,并借鑒梁鑫等,馬寶成等研究的情況后,選用克里金法對數據進行網格化操作,在設置好生產文件后點擊“確定”按鈕,生成網絡數據GRD 格式數據文件[5]。

3)在“主頁”下選擇“等值線圖”,選擇上一步制作的GRD數據文件,生成新的二維平面等值線圖。

4)選中上一步生成的二維平面等值線圖,在“主頁”中選擇“圖層”下的“基底層”按鈕,導入ESRI Shapefile文件格式的聊城市行政區域基底層,形成復合等值線圖。

5)生成地下水流向,選擇“主頁”、“專業圖”下的“單因素網格矢量圖”,生成流向箭頭,并根據實際情況更改流向箭頭的密度。

經過以上步驟形成帶有地下水流場的聊城市地下水埋深等值線圖,并在聊城市中部橫向繪制地下水埋深剖面圖,如圖2所示。

圖2 聊城市地下水埋深等值線圖及剖面圖

2.2 繪制三維曲面等值線圖

在“主頁”中選擇“3D曲面圖”,選擇已制作好的GRD數據文件,生成三維曲面圖。選中生成的三維曲面圖,在“主頁”中選擇“圖層”下的“基底層”按鈕,導入ESRI Shapefile文件格式的聊城市行政區域基底層,并疊加之前制作的帶有地下水流場的地下水埋深等值線圖可以形成復合三維曲面圖。

三維曲面等值線圖在顯示地下水埋深方面優勢明顯,它提供了地下水埋深值在特定區域內變化的直觀表示。三維曲面等值線圖具有清晰的視覺效果,與傳統的二維(2D)地圖相比,能更準確的識別、展示地下水位的形狀和深度,為了解地下水系統的行為提供有價值的信息,同時可以用顏色編碼或陰影來表示地下水的埋深,使之易于解釋數據。

通過提供更精確易懂的地下水埋深表現形式,三維曲面等值線地圖可以幫助水行政主管部門確定地下水取用可能導致地面沉降等問題的具體區域,或者實施地下水補給效果更佳的區域。同時,加強科學家、水利工程師和公眾之間的交流,促進對地下水資源管理戰略的討論。

3 結果分析

從圖2(a)可以看出在聊城市的西部,地下水埋深等值線的密度較大,表明在此區域地下水埋深的數值變化較大,通過剖面圖2(b)可以看出聊城市的西部區域地下水埋深大于東部。

Surfer軟件輸出的二維平面圖對于地下水埋深空間分布及差異化的展示程度不充分,三維曲面圖的表達程度將會更高。三維曲面圖使“平躺”的地下水埋深數據“站起來”,顯示聊城市西部的地下水埋深要大于東部縣區,在西部的臨清市、冠縣、莘縣已經形成了明顯的地下水超采漏斗區,結果與馮新華等人的表述一致。

4 結 語

4.1 對策建議

地下水超采漏斗區的形成一般與地下水資源過度開采、地表水等補給不足、過度采礦等人類活動引起的地下水流動受阻有關,修復地下水超采漏斗區并恢復地下水生態環境是一個復雜而長期的過程,需要各方面共同努力,采取綜合性的措施和技術。

1)合理的利用地下水資源是防止超采漏斗區形成的關鍵,同時也是修復超采漏斗區的基礎。需要建立科學的水資源管理體系,加強地下水資源調查和監測,及時掌握地下水埋深變化情況,采取有效的管理和控制措施,限制過度開采和浪費,確保地下水資源可持續利用。

2)通過開展水資源調配、水利工程建設和保護水源地等措施優化地下水補給,增加地下水的補給量,提高地下水埋深,恢復和保護地下水生態環境。

3)推廣節水技術,通過改進灌溉方式,降低灌溉用水量,減少灌溉的頻率和強度,減輕地下水資源的負擔,恢復地下水水位。

4)實施水源置換、雨水收集利用等措施,減輕對地下水資源的依賴,恢復地下水資源量。

5)建立地下水生態修復體系,通過建設回灌池或實施人工回灌技術進行人工補給、植被恢復、建設人工濕地等有效的地下水補給和生態修復手段,加地下水的補給量,提高地下水埋深,促進地下水生態環境的修復和改善。

6)制定監督計劃,跟蹤地下水保護措施和修復技術的效果,確保地下水資源恢復管理計劃達到既定目標。同時,通過滾動式的水文評估,及時掌握補充地下水供應、恢復地下水生態的程度,并適時優化修復措施。

4.2 Surfer軟件的應用展望

Surfer內置的多種插值算法和處理工具,能夠對地下水埋深數據進行高效的處理和分析,并可通過可視化技術將地下水埋深數據轉化為直觀的等高線圖、三維表面圖和色斑圖等形式,更加準確地揭示地下水埋深的空間分布規律和變化趨勢,使得研究人員更容易理解和分析數據。同時,軟件具有地圖、圖片、動畫等多種輸出格式,方便用戶進行結果的展示和分享。

Surfer軟件的應用涵蓋了水文地質、環境監測、資源評價等多個領域,并可與ArcGIS、AutoCAD等進行集成,進一步豐富了地下水埋深分析的可能性和功能,有利于推動學術交流合作、學科交叉創新發展。同時,可視化的結果可以直接用于決策支持系統中,比如水資源配置、地下水污染治理等方面,能夠為地下水的管理和保護提供有效的技術支持,為防治地下水災害提供科學依據,促進地下水資源的健康利用和高質量發展。

隨著時代的發展,Surfer軟件作為地下水埋深研究中的一種工具,在數據精度和可靠性、數據獲取與處理和模型建立等方面也面臨著一些挑戰,但隨著技術的不斷進步,地下水埋深研究中數據采集和處理的技術、建模水平等也將不斷提升,這將為Surfer軟件的應用提供更加精確和可靠的數據支撐,而涉及水文、地質、環境、大數據等多個學科的交叉應用及跨學科的協同合作,將成為Surfer軟件在數字孿生水文、智慧水利建設領域的有益探索和生動實踐。