HGA在地下水数据管理中的应用研究
——以肥城市为例

，保祥，吉圣，

(1.济南大学，山东 济南 250022；2.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013；3.山东省肥城市水资源办公室，山东 肥城 271600)

水资源短缺和环境污染问题受到全社会的高度关注，而地下水对于经济社会可持续发展的重要性也日益凸显。在以往的水资源管理阶段，往往只关注“看得见”的地表水，却常常忽视“看不见”的地下水给人们带来的灾难。局部地区地下水超采严重，引起地面沉降、地面塌陷和地裂缝；地下水位持续下降导致海(咸)水入侵、湿地退化、水生生物消亡以及地下水污染等问题[1-2]。为了更好的保护和利用地下水，监管地下水动态变化过程，进一步作出地下水资源评价，采用专门的地下水管理软件对地下水数据进行管理是十分必要的。

地下水监测经常伴随着大量的数据产生，由于各种客观原因的限制，采集取样时各种原始记录不同、数据来源方式的不同，各单位的数据保管方式不同，电子资料和纸质资料并存，各种类型以及不同年份的资料混杂，这无形之中对后期数据的整理及处理带来诸多麻烦，将耗费大量的人力时间。

20世纪60年代之前，主要是单纯的纸质文件管理；20世纪60年代末期至21世纪初期，随着计算机技术的发展，主要使用电子数据文件管理；21世纪至今，主要是数据库及网络云管理阶段[3]。从20世纪50年代，我国开始进行地下水监测，至今地下水监测工作进入稳步提高阶段，监测站网密度稳步提高，基于信息化开发了地下水监测信息服务系统[4]。传统的地下水信息管理方式仅仅是将纸质的信息记录转变成为电子文件存放，并没有伴随着先进技术的进步而应用到实际工作中去。国外对于生态环境的重视以及版权意识往往也催生出更加方便、高效、快捷的软件及应用，大大节省了人力，对地下水信息科学管理起到了促进作用[5]。曹小虎基于德国RIbeka公司的GW-Base软件，结合GIS，二次开发出山西省地下水信息管理系统[6]，Jo o Paulo Lobo-Ferreira通过HGA构建了葡萄牙Torres Vedras地区的主要水文地质剖面图，确立了三个主要含水层[7]；孙佳玮等利用HGA构建了大沽河地下水源地信息管理系统，为当地地下水管理提供数据和技术支持[8]。

过去的地下水管理方式仅仅是水文地质数据的简单收集、整理、编辑等基础的操作。简单的人工操作并不能清晰、直观的展示地下水数据的状态及其特性，计算机的飞速发展以及各种软件的开发，为方便、高效地对地下水管理提供了可能。本次研究利用HGA对肥城市地下水各项数据进行整合分类，形成一个完整的肥城市地下水信息管理系统，为今后肥城市地下水资源管理提供数据和技术支持，具有十分重要的现实意义。

1 HGA概况

水文地质分析软件Hydro Geoanalyst(简称HGA)，是加拿大斯伦贝榭水务公司(Schlumberger Water Services)公司开发的一款专门用于地下水数据管理及三维可视化的软件。HGA作为一个专业的地下水信息管理软件，有关地下水的信息都能录入，也可根据实际情况人为增减基本的数据项，基于MS-SQL数据库技术，快捷编译检索，并且可利用地质信息进行三维可视化，为相关工作人员提供更方便的视角去了解研究区[9]。其专业性的功能可以适用于现场技术人员、数据管理人员、地质学家、水文地质学家、地质化学家、地下水建模者以及政府报告等，具有相对较大的受用面。自2008年发布以来已升级到2016.1版本，目前北水国际公司已将HGA引入中国，提供软件购买及相应的培训服务。

1.1 HGA的特点及主要模块构成

在我国现行的地下水信息管理工作中，往往测得的数据收集整理之后只是简单地制表分类存储在硬盘里，某种程度上方便了查阅，但与过去文件式的管理无差别。基于Microsoft SQL Server数据库技术，结合GIS，HGA经过数十年的发展，功能不断强大，界面更加美观，性能持续优化，已日臻成熟，不仅能提供数据存储，而且能根据所填充的数据提供相应的模块并有针对性的生成各类图表，将文字、数字数据转化为直观的图表数据，深度挖掘了数据之间的联系及所包含的信息，实现了数据的可视化。

根据功能不同，HGA的模块大致可以分为三类：

(1)数据存储与管理模块：站点(Station Group)、查询(Queries)；(2)数据可视化模块：时间序列图(Time Series Plots)、钻孔文件(Well Profile)、地图工程(Map Project)、剖面图(Cross-Section)、场景图(Scenes)、报告编辑器(Report Editor Reports)、文档报告(Office Report)；⑶辅助模块：模板编辑器(Template manager)：用来定义数据库结构，需要根据所获取的研究区数据进行调整；快速检查(quick checker)：对被导入的数据进行快速的验证，不符合要求的数据给出红色叹号的警告；岩性规范(material specification)：提供了多种岩性的示例，并可自主创建编辑新的岩性示例；备忘录(Event Planning)：用来记录各种事件或制定计划；导入数据模板设计器(EDD Template Designer)：设计快速导入模板；三维插值(3D Interpolation)：可进行三维羽状物的定义及生成。

1.2 HGA与其他软件的交互性

Schlumberger作为专门从事与地下水资源和环境有关的计算软件与硬件开发和技术咨询工作的国际化公司，研发了包含地下水流及溶质运移模拟软件Visual ModFlow、抽水试验数据解译软件AquiferTest、地下水水化学分析软件AquaChem在内的几十款水文地质专业软件及多种地下水自动监测设备。借助于WHS(Waterloo Hydrogeologic Software)的统一标准，这些软件之间可以灵活地互相转换利用数据，具有良好的交互性，来进行数据管理、分析以及可视化。

HGA可以利用各种不同的数据形式，通用性及兼容性都较好。某些软件可用的数据经过简单调整即可方便快捷导入HGA里使用；HGA通过对导入的数据进行处理之后也可供其他软件使用。例如，AquaChem可利用HGA中的水化学信息和水质信息来进行绘图、统计计算及分析；HGA中井及水位信息的界面内直接调用Aquifer Test，将此分组的数据资料在Aquifer Test中打开进行含水层的分析，分析后计算得出的导水系数、释水系数也可保存在HGA的数据库中；一些关键性的参数数据可以从HGA中导出，运用在Visual MODFLOW中，HGA中生成的横截面数据可直接导入用于模型网格的创建等。HGA在地图工程中，可导入由ArcGIS生成的shape文件来进行地图编辑，同时通过作图生成的文件也可导入ArcGIS中进行编辑。

HGA工作流程见图1。

图1 HGA工作流程

2 HGA数据库结构、导入及分类

HGA支持多种管理项的数据输入，并提供可扩展性，同时支持多种文件类型的数据导入，例如excel表格、图片、zip_hga压缩文件、LAS文件及Diver自动监测设备所产生的文件。

2.1 数据输入

2.1.1 数据结构

在基于HGA创建的肥城市地下水信息管理系统中，所有的地下水数据都依托于二维地理坐标点存储，每个点的数据目录下都包含有9大类数据，导入数据时可根据研究区实际所取得的资料有选择性的进行导入。另外，软件本身也提供了数据库结构的修改及可定制，利用模板编辑器即可编辑数据库的结构。表1为该系统默认支持导入的数据类型。

除了以上列举的管理数据项之外，也可根据实际需要添加或删除数据结构来自定义数据库结构模板，满足实际工作需要。

2.1.2 导入方法

HGA共有三种导入数据的方法：(1)通过站点数据列表单个逐项地完成所有数据的输入；(2)借助于先进的数据转换系统(Data Transfer System)，将数据分类，按照格式要求整理好数据，选择导入的数据应该存储在的位置，匹配各项信息，即可完成导入。另外，可根据用户自己的需要，可以创建信的数据库模板或者是在现有的模板之上改进或完善，以满足实际工作需求。(3)传统的导入方法，使得每一类数据都需要有单独的文件导入，若数据种类较多，导入过程需重复多次，费时费力。也可运用EDD Template Designer工具，高速、有效地导入研究区的数据。首先根据研究区实际取得资料生成本次工作的数据模板，将各类数据写入模板，利用Quick Checker验证数据是否有效，生成压缩文件，整体导入HGA中[10]。这样仅需要一次即可把所有数据导入到数据库，也不需要再进行数据的匹配与位置的选择等步骤，简化了数据导入繁琐的过程，提高了工作效率。

表1 地下水信息管理系统数据库所支持数据

2.2 数据分类

完成导入数据之后，在站点列表(Station Group)里，所有点及数据就保存在这个模块也就是该系统的数据库，这是所有工作完成的基础，在此之后就需要有目的的将数据筛选分类并保存结果，在后续的数据可视化中会用到。

这种分类查询是通过Queries模块来实现的。通过Microsoft SQL Server专业数据库语句，结合逻辑表达式和运算符，进行限定条件来筛选出符合条件的站点并自动成为一组目录生成在检索菜单下，这样就可以对数据库存储的数据进行有效管理和快速检索。需要查阅时仅需点击该条目录，即可显示出限制符合条件的站点及相应数据。

3 HGA在肥城市地下水信息管理中的应用

肥城市隶属山东省泰安市，地处山东中部、泰山西麓，全境南北纵距最长48.0 km，东西横距最宽37.5 km，总面积1277.3 km2。地形基本趋势是东高西低、北高南低，由东北向西南倾斜，中部隆起。北部形成以肥城盆地为特征的康汇平原，南部形成以大汶口盆地为特征的汶阳平原。肥城市属华北型沉降构造，区内变质岩基底上沉积了浅海相、海陆交互及陆相地层，有前震旦系泰山群、寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系、第四系等。境内主要有第四系孔隙水含水岩组、石炭系灰岩及岩溶裂隙水含水岩组、寒武系和奥陶系岩溶裂隙水含水岩组、前震旦系泰山群花岗片麻岩裂隙水含水岩组。

本次研究中，Microsoft SQL Server数据库技术为基础，通过GIS依托于二维地理坐标点将相应的地下水数据存储于数据库中，该研究主要收集整理了肥城市地下水位、地下水质、钻孔柱状图等资料。其中水位资料均以埋深表达，水质检验报告主要检测项包括pH、TDS、电导率、K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-、NO3-、NO2-、NH4+高锰酸盐指数、总硬度等。

在HGA中，不同的模块提供了不同的图件评估和展示地下水数据的工具，这些工具可以根据用户需要对所生成图表进行编辑，并简便地生成时间序列图、钻孔柱状图、地貌图、水文地质剖面图、等值线图以及三维污染羽等。在任一模块中，均包含有导出项，可以将所得到的图件以图片(jpg或bmp)、表格或演示文稿等形式导出，并在系统内部集成了多种报告模板，使用时仅需选定模板，即可输出为相应的格式。同时，允许用户自定义模板，生成自定制报告界面。

3.1 时间序列图

利用HGA软件可以绘制肥城市地下水水位及各水化学某离子浓度的时间序列图表。如图2所示，即表示肥城市某省级监测井从1980-2012年的地下水埋深变化情况。

图2 肥城市某省级监测井地下水位埋深时间序列图

3.2 钻孔柱状图及水文地质剖面图

根据导入的钻孔土壤取样数据和井壁管长度及直径生成钻孔柱状图，如图3所示为肥城市某公司水源井柱状图，刻度表示以井口为0，重力方向为正。在查询里筛选出所有钻孔资料，在地图管理其中将钻孔数据导入地图，定义水文地质剖面线。在此剖面线上的多个钻孔柱状图组合即可生成水文地质剖面图(图4)，此水文地质剖面包括了不同深度7个钻孔信息。以每个剖面图相同的钻孔作为连接点，就像拼图一样，多条水文地质剖面图组合，可以得到水文地质剖面三维视图(图5)，并可在其中加入钻孔、地图、污染羽等数据。水文地质剖面图是反映某一地段在一定垂直深度内水文地质条件的图件。它主要反映含水层的埋藏与分布，地下水位及地下水的补给、径流、排泄情况及其垂向变化等[11]。

图3 典型钻孔剖面图

图4 水文地质剖面图

图5 水文地质三维剖面图

3.3 等值线图

HGA可根据地表高程、水位、埋深和各种离子浓度等指标创建各类等值线图，可选择的插值方法有反距离加权插值法、自然临界法和克里金插值法。能够直接生成被ArcGIS软件识别的Shape格式图文件，便于后期的图形处理加工。

4 结语

HGA由于其数据结构的多样化和多模块化的设计，可以满足地下水资源管理、矿产行业、环境地质、地下水建模以及气象研究等行业内专业人士的使用需求，对数据进行有效的管理。

基于HGA地下水资源数据管理软件，整合了肥城市地下水相关数据，创建了肥城市地下水数据管理系统，可以实现地下水数据的存储、管理、维护、查询、分析以及可视化等功能，功能全面，集成度高，为未来的更高密度的地下水监测工作提供了支撑平台。解决了以往工作时数据存放杂乱、获取困难、管理不规范和利用效率低等问题，对水资源信息管理时的不足之处提出了解决方法，可以有效的提高相关从业人员在地下水管理过程中的工作效率，简化了工作流程。

在该系统中，能够根据所导入数据，结合MS-SQL数据库技术，提供了多种图表的绘制和数据展示的工具。能够方便、快捷地生成地下水水位及水质的时间序列图、等值线图，展示了其动态变化规律和空间分布特征；也可快速、精确地生成钻孔剖面图，尤其是生成水文地质剖面图及其三维视图更为方便，为从业人员了解研究区水文地质条件、补给径流条件提供了更准确的视角。该系统的构建以及应用，能为地下水资源评价、科学管理及环境地质问题的研究和污染防治提供科学依据，并最终为实施最严格水资源管理提供信息平台和技术支撑。

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[6]曹小虎, 崔军明, 赵艳锋. 德国GW-Base地下水管理系统的应用研究[J].水利信息化.2010.5:50-52.

[8]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[J]. 地下水.2016.38(5): 57-60.

[9]Yongqiang Qi, Vincent Post. Hydro GeoAnalyst: A Data Management Solution to Ground Water and Environmental Projects [J]. Ground Water, 2008, 46(3): 349-353.

[10]Waterloo Hydrogeologic. Hydro GeoAnalyst 2016.1_User’s Manual[M].2016: 32-36.

[11]沈照理, 朱宛华, 钟佐燊. 水文地球化学基础[M]. 北京:地质出版社.1999.