吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学  §12.2 GIS技术在地下水研究中的应用 在地下水研究中应用GIS技术，是由于地下水研究需要组织、定量和解释大量的水文地理数据。早期的地下水模拟研究需要把地图、图表等信息转换成计算机可读的格式。这些工作费时、冗长，并且容易出现误差。水文信息如降水、参数信息（如水力传导度）、参数格式（如井的位置和流量值）以及辅助信息（如边界条件）都需要海量数据的组织和管理。事实上，所有这些信息都是空间分布的，在某些情况下，还是时间分布的。其中许多数据在计算机中以地图形式存在，如栅格形式、矢量格式或数据表形式的图像。由于计算机图形技术的发展，现在这些信息可以有效地通过GIS系统来存取。这使地下水模拟工具成为一个集成化的基于Windows的、界面友好的、面向图形的、功能综合的数据输入，分析和预处理系统。相关方面的软件有GIM(Argus ONE Geographic Information Modeling)，PTC(Princeton Transport Code)，MODFLOW，MT3D等。利用GIS方法，可以利用原始的空间信息来进行工作，例如，由地图提供的信息。这些信息一般是用通用的大多数人都能理解的术语，而不是用地下水模拟的特殊的术语来分类和描述。可视化的计算机图形方法使数据的组织和分析更加直观。 一、引言 过去30年来，地下水流和溶质迁移模型已经从科学探索工具变成为一种广泛应用的地下水分析和设计技术。最初，地下水模拟主要是地下水资源量的评价，但现代应用已经开始关心水质问题。地下水资源问题主要涉及水量和水质问题。其中水量问题由地下水流模型模拟；地下水质问题由地下水迁移模型模拟。 总体来看，地下水流模型的构建需要以下几个步骤： （1）确定模型描述的区域范围； （2）确定模型边界条件的水文特征； （3）编辑地质信息； （4）编辑水文信息； （5）决定模型需要的物理维数； （6）确定模型的大小； （7）模型离散化； （8）输入模型边界条件； （9）输入模型参数； （10）输入模型应力； （11）运行模型； （12）输出计算的水力梯度； （13）率定模型； （14）投入生产运行。 二、确定模型描述的区域范围 （1）包括模型模拟所有的水力头的可能变化； （2）包括用户感兴趣的区域； （3）与使用的计算机能力相匹配； （4）与区域水文边界条件相一致。 GMA由Argus ONE GIM系统和PTC地下水流和溶质迁移模型组成。PIE是两者之间的接口。PTC GUI-PIE的命令菜单安装在Argus的PIEs菜单命令下。它是新建PTC工程、编辑PTC工程的控制参数、PTC工程的运行和PTC结果输出的控制模板。 GMA方法在水文地质假设试验和实践模拟中有很好的能力。在GMA中地下水流模型的产生、执行和评价的过程如下： (1) 在启动Argus ONE后，出现Argus ONE窗口，用户通过从PIEs菜单中选择“New PTC Project”，开始模型建立； (2) 出现一个选择“Mesh type”、“Number of geological(formation) layers”的对话框。这些选择能使PIE各种地理空间图层（信息和数据图层）结构化，这些图层是PTC模拟、数据应用和管理所必需的； (3) 接下来出现一个对话框，让用户选择模拟控制参数（不是与空间有关的，如时间间隔的大小）。在输入和编辑完毕这些数值之后，用户关闭该对话框，返回到Argus ONE 窗口； (4) 随后，用户编辑地理空间信息图层的缺省值，通过手工绘制闭合的或不闭合的等值线或点，以表示合理的水文地质和水文参数、水流的源和汇以及边界条件的空间分布状况。用户也必须指定一个合理的有限元网格的密度。这些空间分布状况的信息也可直接从其它应用程序输入，如简单的文本文件、DXF（Autocad文件格式）文件、或Shape（ArcViewGIS文件格式）文件； (5) Argus ONE产生有限元的网格。在运行PTC程序前，用户可修改已经存在的任何空间或非空间信息； (6) 选择“PTC Mesh layer”，通过选择“Run PTC option”，PIEs菜单输出地理空间和非空间信息。Argus ONE为PTC写出标准的输入数据文件，运行PTC模拟。当模拟完成后，用户可选择在Argus ONE中画出模拟结果。 工程边界 接下来确定模型工程的边界。第一步，确定模型空间边界，为地下水模型中评价数据输入和输出提供一个可视化的参考点，这需要一个计算机可读的基础地图（基础地图描绘一个研究区基本的地理特征。道路、抽水井、建筑物等等）。这个基础地图提供了地下水模型中重要的水文地质和水文地球化学信息。基础地图可通过已经存在的研究区的纸质地图扫描产生。用图形编辑工具，即可产生这个复杂的地图的简单的、计算机可读的数字地图。 这里所说的图层是模型或工程图层，不是地质或含水层。对于每个含水层，可以有几个工程图层。 设置地图比例尺 屏幕上的工程图可以根据屏幕坐标确定空间位置。屏幕坐标是以Argus ONE 工程窗口的左上角作为起点确定的。最后需要将屏幕坐标转换到实地坐标。实地坐标正确地确定了地图图层中的各种地理要素的空间位置。 要进行坐标转换，激活地图图层。放大地图图层2倍，把光标放在比例尺的左边，记下位置值（如1.14cm）。把光标放在比例尺的右边，记下位置值（如2.29cm）。相减得1.15cm。然后根据底图的比例，这个在屏幕上的1.15cm就代表了实地1英里。这个数取整数是很方便的，如屏幕上1cm代表实地地图单位1英里。 为了实现转换，选择“Special”，然后选择“Rotate and Scale”。用1除以1.15，得0.87。因此减少最初的地图0.87，即可得到一个屏幕单位1cm代表实地1英里的地图。 确定模型几何 有两种方法，一种是通过指定模型边界的点的坐标；另一种是用鼠标在计算机屏幕上画出模型边界。 确定点边界的位置 这些点以后用于确定点源和汇的空间位置。例如抽水井的位置、污染源的位置等。这通过“Geographi tool”来实现。三个图标分别对应闭合、不闭合和点的等值线。选择“Point tool”，拖动到你计划的点边界条件的地方，例如一个井，然后“Click”即可。双击“spin box”，定义“Source”。 三、确定模型边界条件的水文特征 利用好的、独特的水文地质特性作为模型边界是一种较好的方法。这是因为模型边界范围与外界相比，具有其特殊性。因此，定量化的特征，如地表水体的水位，是一个的很好的模型边界。 地质构造或岩石的变化，也能定义模型的边界。岩层作为隔水层是适当的方法。例如由砾石或砂质地质单元与一个相对不透水的基岩单元组成的界面，对模型来说，基岩单元能作为适宜的不透水的阻挡层，以模拟在砾石和砂质单元中地下水的运动。 典型的适合作为模型边界的特性如下： 1．湖泊； 2．大的池塘； 3．河流； 4．港湾，河口； 5．海岸线； 6．运河，沟渠； 7．人工水库； 8．由于地质物质的变化而导致的不透水障碍物； 9．不透水的人工障碍物如堤； 10．人工汇项如排水沟； 11．人工源项如下渗的通道。 在干旱气候区，地表水体和地下含水层的水文动态联系较弱，在这样的环境条件下利用经典的水文边界条件来进行地下水模拟研究时常是困难的。 四、地质信息的编辑 组成地下水基质的含水介质的特性与地下水蓄水库的水文特性时间具有紧密的联系，因此，地质信息的特征和编辑是很有用的。例如，物质的水力特性一般依赖于它所产生的地质环境。粘土沉积物在静止的条件下形成，沉积物粒径很小，孔隙也很小（尽管粘土的孔隙度能很高）。所以粘土沉积物中地下水流运动过程中摩擦损失很大。相应地，粘土则是一种低透水性的物质（也就是说它的水力传导率低）。 粘土单元的区域和垂直分布一般与古水体相一致，其能量环境很低。这样的区域可能会很大，如大湖泊的低部。也可能很小，如沿着河边的一个静水池塘。 从沉积物形成的自然环境背景可以分析出它的分布范围，也能辨别出粘土层是否是连续的，这在实地是比较常见的。这主要是由沉积物沉积后侵蚀作用或沉积层的缺失造成的。因此，粒径的大小在地下水流和溶质迁移模型中是很重要的。