地下水资源动态评价机制研究与技术实现

2022-03-22 10:55:09| 浏览次数：

摘要：从WEB服务在地下水资源动态评价过程中的应用出发,重点研究了地下水资源动态评价的机制及实现过程，并通过华北地下水资源动态评价系统的开发，详细阐述了动态评价的原理、过程及关键技术手段等内容。

关键词：地下水；动态；资源；WEB；服务；源汇项

中图分类号：P641.2；TP311.52文献标识码：A文章编号：1672-1683（2008）06-0028-03

Dynamic State Assessment Mechanism and Technique Realization of Groundwater Resources

ZHOU Xiao-yuan1,ZHANG Yong-bo1,HUO Zhi-bin1,WANG Shi-qin2

（1.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, CAGS，Shijiazhuang 050061，China；

2.China University of Geosicences，Beijing 100083，China）

Abstract:

With WEB application the groundwater resource dynamic state assessment mechanism and realization process have been studied in focus. By the development of groundwater resource dynamic state in the North China, the principle of dynamic state, process and key technical measures have been expounded.

Key words: groundwater；dynamic state；resources；WEB；service；source and sink item

1 研究背景

在我国，地下水是水资源的重要的自然资源，是可持续发展的基础与条件，是环境问题与发展问题的核心；尤其是在地表水资源相对缺乏的北方干旱、半干旱地区，地下水具有不可替代的作用。在过去，评价一个地区的地下水资源分布及动态变化信息的工作流程是：在专门调查研究的工作基础上，通过综合分析各种水文地质参数，然后建立区域地下水数值计算模型，再经过反复多次资料补充、数据收集、参数调整、模型验证，最后得到最终成果，经过专家评审后再通过各种渠道发布出来。

但是，这种发布出来的地下水资源评价成果，离原始数据的采集时间已过去了几年甚至更长时间。随着我国社会经济的快速发展，对水资源的需求也随之加速。无论从国家政策的宏观调控，还是小区域的工农业生产，都越来越需要及时地了解一个地区的地下水最新动态信息，否则，就很有可能造成地下水资源的盲目开采（在现阶段地下水资源发生很大改变时还按照早期的地下水资源制定开采方案）或过量开采（开采速度大于其补给速度），这将会给国民经济建设以及子孙后代带来巨大损失。

目前的信息技术提供了强大的数据处理能力和网络协同工作的能力，已经能够通过网络动态获取开采数据、调整模型参数以及修正开采方案，从而对地下水资源的随用随取、定制发布、实时更新，实现实时地下水资源动态评价的最终目标。本文以华北平原的地下水资源评价为

例，研究地下水资源动态评价的机制及实现过程。

2 基于动态数据地下水资源数值计算模型

2.1 地下水资源量数值计算模型介绍

目前常用的地下水评价的程序软件有基于有限元的FEFLOW, FEMWATER/ LEWASTE等，以及基于有限差分的PMWIN、MODFLOW、GMS（其中包括MODFLOW的计算模块）等软件。而MODFLOW是目前在国际上使用频率最高的地下水流模拟软件，包括目前流行的可视化地下水流评价软件PMWIN、GMS等，内部重要的计算模块的核心就是MODFLOW。

MODFLOW是英文Modular Three-dimensional Finite-difference Ground-water Flow Model (模块化三维有限差分地下水流动模型)的简称。这套计算机程序由美国地质调查局(U.S.Geological Survey)的McDonald和Harbaugh使用FORTRAN语言于20世纪80年代开发出来。它是一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件。由于不需要对源程序进行任何修改，MODFLOW就可直接用来解决大多数地下水模拟问题。这为我们提供了一个相对来说标准化的软件，也为同行之间的交流提供了方便。因此，自从软件问世以来，MODFLOW已经在全世界范围内，在科研、生产、工业、司法、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用。目前，它已经成为世界上最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序。

由于MODFLOW采用了有限差分的方法，以及独立的模块化设计，原理简单，结构清晰，而且数据输入具有固定的格式，因而为模型软件数据接口提供了实现的可能性。

本文重点研究网络数据动态获取技术和MODFLOW建模技术，建立动态地下水资源评价模型。

2.2 基于动态数据的地下水数据值计算模型

基于MODFLOW的地下水资源评价模型本来是运行于单机环境的“静”态模型，为适应动态数据的运行模式，可以将地下水资源评价模型稍加改进，做成“动静结合”模型，见图1。

“动静结合”地下水数值计算模型中的“静”指在研究区短期内不会发生太大变化的量，如研究区的地质结构、区域边条件、模型的基本参数（这里的参数指的是已经经过调整验证的参数，包括渗透系数、给水度、释水系数等等）、模型的数学算法（方法中引用的参数经验证真实可靠）以及输出文件格式（该格式便于在结果显示中提取信息），即分别确定了模型所需的数据文件：DIS（离散子程序包）、LPF（含水层属性单元间渗流子程序包）、PCG（预处理共轭梯度法子程序包）和OC（输出控制子程序包）文件。

“动静结合”地下水数值计算模型中的“动”指数值计算模型中可以动态更新的参数，主要指研究区内地下水的补、径、排条件，称之为源汇项。主要源项包括：降雨入渗补给、灌溉回渗补给、河流渗漏补给、侧向径流流入补给；主要的汇项包括：蒸发排泄，工农业及生活用水开采排泄、侧向径流流出排泄以及河流沟渠排泄。

“动静结合”地下水数值计算模型的动态处理除源汇项数据是动态的以外，还包括两方面内容：一是对模拟期的动态处理，可以作一年或多年的模拟或预测计算；另一方面是源汇项的动态处理，在数据库中存放多份的源汇项资料。根据所选模拟期的年份，确定模拟开始时间，以及预测计算时间，调用数据库中相关源汇项数据进行评价计算或者预测计算，从而得到模拟期结束后水位的相关信息。

3 地下水资源动态评价机制

3.1 WEB服务与动态数据获取技术

WEB服务（WEB Services）简单的说，就是一个应用程序，它最主要的特点是向外界暴露出一个能够通过WEB进行调用的API。也就是说，可以让其它客户通过WEB来调用这个应用程序。

部署WEB服务后，可以通过一系列标准的、与平台无关的协议访问，让网络中任何应用（用户）都可以松散地、跨平台地调用这些服务，同时简化了最终用户的操作。这种跨平台的、松散耦合的特性，赋予了WEB服务很强的生命力，也保证各种应用程序之间能动态连接与动态管理。

通过WEB服务实现动态数据获取，由于具有从网络环境中实时动态的获取所需数据的特殊本领，这种技术显然是解决那种数据异地分步、原始数据保密、必须协同工作、评价结果具有时效性等工作问题的非常好的解决方案。主要表现两个方面：一是按需获取，根据应用的不同请求，可以动态地查找所需的数据，数据是随用随取，而不用去各个异地数据库中查找所有的数据，也不用提交最原始的保密数据。二是每次请求的数据都可能不同，而是服务节点提供的最新动态数据。动态更新的数据，会导致应用结果的动态变化，这在地下水资源评价过程中非常明显。

地下水资源评价动态数据获取过程，见图2。通过WEB服务就可以获取到节点1、节点2、……、节点N的源汇项数据库，并为地下水资源数值计算模型准备模型运行所需的数据。因为各个节点远程分布且各个节点的数据库可自治管理。节点管理员可以随时向数据库中追加新的地下水补给、排泄等源汇项数据。这种就是实现地下水资源动态评价的基本机制。

地下水资源评价动态数据获取过程分为三个过程：一是单节点的源汇项数据服务，主要完成对各数据节点的源汇项数据进行查询与提取。二是基于多节点的源汇项数据的动态提取服务，主要完成对多个数据节点源汇项数据进行动态提取并汇聚成地下水资源数值计算模型所需的数据文件。三是运行地下水资源数值计算模型，得到模型的运行结果。

由于是基于WEB服务的地下水动态资源评价，在上述三个过程的应用开发时，需要根据WEB应用系统的特点采取相应的技术手段，如异步服务调用技术来实现各节点服务的并发调用、地下水资源数值计算过程的并发性处理等。

3.2 华北地下水资源模型的动态数据的实现

根据华北地区补、径、排条件，建立如下源汇项数据库，见表1。

其中地下水资源数值模型空间参数主要是以GIS图的形式表达地下水资源模型参数的空间分布，地下水资源数值模型数值数据表则是以外挂属性表的形式记录了大量的动态数据。不管各节点的源汇项数据库的结构及表达方式是否一样，但通过节点的源汇项数据服务的封装提取以后，可以取到模型所需要的所有的动态数据。

图2所示的地下水资源数值计算模型的源汇项数据动态提取服务已封装如下功能。

①各节点利用Mapgis IMS的WEB服务进行格网剖分，生成M行N列网格点、线、面文件。

②各节点中各模型空间参数与格网点线面文件进行叠加进行空间交分析。

③各节点空间参数数据和源汇项数值数据表联合检索，得到各格网单元每一项源汇项数值。

④合并多节点的网格单元的源汇项数值。

⑤整个模型研究区内所有的格网源汇项数值输出成地下水资源数值模型的数据文件。

4 华北地下水资源动态评价系统的实现

华北地下水资源动态评价系统的基本流程见图3。

华北地下水资源动态评价系统是以“WEB服务+WEB应用程序”模式实现，采用Microsoft Visual Studio .NET 2003开发的WEB应用系统及WEB服务，地下水资源数值模型由Fortran77编译成EXE文件，最后由Microsoft Visual Studio .NET 2003封装成WEB服务；系统可以直接由Internet访问，通过调用分布于北京、天津、山东、河北、河南五省市的源汇项数据服务，获取到最新的地下水资源的开采量、补给量等数据，结合其它的模型参数，直接调用后台的地下水资源数值计算模型，即可得到华北地下水资源动态评价结果。

华北地下水资源动态评价系统是基于WEB的应用系统，可以借助服务器端有利的软硬件资源来处理地下水资源动态评价结果。本次研究中在服务器端布署了Surfer及Mapgis软件，通过WEB服务的调用，成功实现了服务器端生成评价结果的等值线分区图的绘制等成果的表达功能，见图4。

5 结语

本文研究的地下水资源动态评价机制，是将地下水数值计算模型方法和网络技术等“新”“老”技术进行综合研究的成果，这是在信息技术条件下，用新技术解决地下水资源评价中的一些突出问题的研究探讨。根据这种机制建立起来的地下水资源动态评价WEB系统，可以很好地利用地下水资源数值评价模型研究成果，实现地下水资源动态评价和服务社会的目标。

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