基于Surfer的聊城市地下水埋深分析及对策建议

陈成勇,郑 蕾,姜明新,杨绪超

(聊城市水文中心,山东 聊城 252000)

0 引 言

地下水是重要的水资源之一,被广泛用于农业、工业和城市供水等领域。地下水埋深是地下水研究中重要的参数之一,它直接反映地下水资源的变化情况。人类活动、气候变化等因素导致的地下水埋深变化,对生态环境和社会经济发展产生着深远影响。

近年来,地下水埋深研究在技术手段、监测方法和应用领域方面都有了重要进展。传统的地下水埋深监测方法主要是基于人工记录,存在着数据质量不稳定、耗时费力等问题。现在,随着无线网络、智能传感器等技术的应用,自动化、远程遥测的地下水埋深监测系统逐渐成为主流,这些系统可以通过互联网实现数据实时传输和远程管理,提高了监测效率和数据准确性。基于数学模型的地下水埋深研究也取得了一定进展。例如,利用数值模拟方法,可以模拟地下水埋深的空间分布和时间变化规律,有效地解决一些难以实验观测的问题[1-2]。同时,结合人工智能技术,可以更加准确地预测地下水埋深的变化趋势,在水资源管理、环境保护、城市规划、灾害防控等多个领域有广泛的应用前景。

因此,及时、准确地进行地下水埋深分析,对于研究地下水埋深的变化趋势和规律,推动地下水资源管理和保护、预防地下水灾害、维护生态平衡等领域的创新发展具有重要意义。Surfer软件是一种强大的地球科学数据可视化和分析工具,内置的多种插值算法可以将离散的地下水观测点数据转换成连续的等值线或三维网格模型等形式,直观地展示地下水埋深的空间分布特征,实现数据的可视化,广泛应用于地下水资源的研究分析。

目前关于聊城市地下水埋深的研究相对较少,且未见有通过3D模型来展示的案例。文章运用Surfer15软件,选取聊城市境内248眼地下水井2022年的平均地下水埋深数据进行分析,形成二维平面图、三维立体图的研究成果,赋予地下水埋深立体、直观的视觉效果,以期为地下水资源管护策略的制定提供更加科学的技术支撑。

1 研究区概况

聊城市位于山东省西部,地处冀鲁豫三省交界处,是黄河下游的重要城市之一,境内有黄河、金堤河、徒骇河、马颊河、漳卫河、京杭大运河等河流和北方最大的内陆湖泊—东昌湖,区域主要地貌类型为黄河冲积平原,地势西南高、东北低。聊城市主要含水岩组为第四系松散岩类孔隙含水岩组,仅在南部黄河北岸零星分布奥陶系裂隙岩溶含水岩组。地下含水层在空间分布上结构复杂、置叠交错、具有明显的垂直分带性,埋深区间0～30 m,岩性可分为壤土与砂壤土互层和细砂、粉细砂层,细砂、粉细砂厚度大、颗粒粗、含水性强、分布稳定,是储存潜水-微承压水的主要层位[3]。《2021年度聊城市水资源公报》显示,聊城市水资源总量约为31.9亿m3,其中地表水资源量约为15.6亿m3,地下水资源与地表水资源不重复量约为16.3亿m3。

然而,随着城市经济和人口增长以及气候变化等因素的影响,聊城市地下水资源面临过度开采、水位下降、环境污染等一些挑战和问题。因此,准确科学的地下水研究分析对于了解地下水的流动、储存和量质转变的复杂水文过程,帮助确定潜在的过度开发区域,并提供关于如何可持续管理地下水资源的信息,分析评估农业或工业等潜在的污染源对公众健康构成的风险方面作用明显,而这些分析结果对于精准制定、实施地下水资源管护策略,规划保护公众健康和确保饮用水供应安全的战略,保障聊城市地下水资源利用的健康有序发展显得尤为重要。

本次研究采集2022年聊城市248眼地下水井的平均埋深数据进行分析,监测站点分布见图1。

图1 聊城市地下水监测站点

2 结果输出

2.1 绘制二维等值线图

1)建立后缀为“.DAT”格式的数据文件,用记事本打开,将聊城市地下水监测点位的经度、纬度和地下水埋深数值输入文件,各数据之间用一个空格隔开,待用。

2)制作GRD格式文件,打开Surfer15软件,通过“网格”、“数据网格化”添加“DAT”格式的数据文件,当出现网格数据对话框时,其中网格线的几何特征表示X方向、Y 方向区域底图的最大外边界经纬度值,建议将基底图层包含在内[4]。克里金插值法经常被网格化算法所采用,在分析了Surfer 自带的12 种插值方法优缺点,并借鉴梁鑫等,马宝成等研究的情况后,选用克里金法对数据进行网格化操作,在设置好生产文件后点击“确定”按钮,生成网络数据GRD 格式数据文件[5]。

3)在“主页”下选择“等值线图”,选择上一步制作的GRD数据文件,生成新的二维平面等值线图。

4)选中上一步生成的二维平面等值线图,在“主页”中选择“图层”下的“基底层”按钮,导入ESRI Shapefile文件格式的聊城市行政区域基底层,形成复合等值线图。

5)生成地下水流向,选择“主页”、“专业图”下的“单因素网格矢量图”,生成流向箭头,并根据实际情况更改流向箭头的密度。

经过以上步骤形成带有地下水流场的聊城市地下水埋深等值线图,并在聊城市中部横向绘制地下水埋深剖面图,如图2所示。

图2 聊城市地下水埋深等值线图及剖面图

2.2 绘制三维曲面等值线图

在“主页”中选择“3D曲面图”,选择已制作好的GRD数据文件,生成三维曲面图。选中生成的三维曲面图,在“主页”中选择“图层”下的“基底层”按钮,导入ESRI Shapefile文件格式的聊城市行政区域基底层,并叠加之前制作的带有地下水流场的地下水埋深等值线图可以形成复合三维曲面图。

三维曲面等值线图在显示地下水埋深方面优势明显,它提供了地下水埋深值在特定区域内变化的直观表示。三维曲面等值线图具有清晰的视觉效果,与传统的二维(2D)地图相比,能更准确的识别、展示地下水位的形状和深度,为了解地下水系统的行为提供有价值的信息,同时可以用颜色编码或阴影来表示地下水的埋深,使之易于解释数据。

通过提供更精确易懂的地下水埋深表现形式,三维曲面等值线地图可以帮助水行政主管部门确定地下水取用可能导致地面沉降等问题的具体区域,或者实施地下水补给效果更佳的区域。同时,加强科学家、水利工程师和公众之间的交流,促进对地下水资源管理战略的讨论。

3 结果分析

从图2(a)可以看出在聊城市的西部,地下水埋深等值线的密度较大,表明在此区域地下水埋深的数值变化较大,通过剖面图2(b)可以看出聊城市的西部区域地下水埋深大于东部。

Surfer软件输出的二维平面图对于地下水埋深空间分布及差异化的展示程度不充分,三维曲面图的表达程度将会更高。三维曲面图使“平躺”的地下水埋深数据“站起来”,显示聊城市西部的地下水埋深要大于东部县区,在西部的临清市、冠县、莘县已经形成了明显的地下水超采漏斗区,结果与冯新华等人的表述一致。

4 结 语

4.1 对策建议

地下水超采漏斗区的形成一般与地下水资源过度开采、地表水等补给不足、过度采矿等人类活动引起的地下水流动受阻有关,修复地下水超采漏斗区并恢复地下水生态环境是一个复杂而长期的过程,需要各方面共同努力,采取综合性的措施和技术。

1)合理的利用地下水资源是防止超采漏斗区形成的关键,同时也是修复超采漏斗区的基础。需要建立科学的水资源管理体系,加强地下水资源调查和监测,及时掌握地下水埋深变化情况,采取有效的管理和控制措施,限制过度开采和浪费,确保地下水资源可持续利用。

2)通过开展水资源调配、水利工程建设和保护水源地等措施优化地下水补给,增加地下水的补给量,提高地下水埋深,恢复和保护地下水生态环境。

3)推广节水技术,通过改进灌溉方式,降低灌溉用水量,减少灌溉的频率和强度,减轻地下水资源的负担,恢复地下水水位。

4)实施水源置换、雨水收集利用等措施,减轻对地下水资源的依赖,恢复地下水资源量。

5)建立地下水生态修复体系,通过建设回灌池或实施人工回灌技术进行人工补给、植被恢复、建设人工湿地等有效的地下水补给和生态修复手段,加地下水的补给量,提高地下水埋深,促进地下水生态环境的修复和改善。

6)制定监督计划,跟踪地下水保护措施和修复技术的效果,确保地下水资源恢复管理计划达到既定目标。同时,通过滚动式的水文评估,及时掌握补充地下水供应、恢复地下水生态的程度,并适时优化修复措施。

4.2 Surfer软件的应用展望

Surfer内置的多种插值算法和处理工具,能够对地下水埋深数据进行高效的处理和分析,并可通过可视化技术将地下水埋深数据转化为直观的等高线图、三维表面图和色斑图等形式,更加准确地揭示地下水埋深的空间分布规律和变化趋势,使得研究人员更容易理解和分析数据。同时,软件具有地图、图片、动画等多种输出格式,方便用户进行结果的展示和分享。

Surfer软件的应用涵盖了水文地质、环境监测、资源评价等多个领域,并可与ArcGIS、AutoCAD等进行集成,进一步丰富了地下水埋深分析的可能性和功能,有利于推动学术交流合作、学科交叉创新发展。同时,可视化的结果可以直接用于决策支持系统中,比如水资源配置、地下水污染治理等方面,能够为地下水的管理和保护提供有效的技术支持,为防治地下水灾害提供科学依据,促进地下水资源的健康利用和高质量发展。

随着时代的发展,Surfer软件作为地下水埋深研究中的一种工具,在数据精度和可靠性、数据获取与处理和模型建立等方面也面临着一些挑战,但随着技术的不断进步,地下水埋深研究中数据采集和处理的技术、建模水平等也将不断提升,这将为Surfer软件的应用提供更加精确和可靠的数据支撑,而涉及水文、地质、环境、大数据等多个学科的交叉应用及跨学科的协同合作,将成为Surfer软件在数字孪生水文、智慧水利建设领域的有益探索和生动实践。