GW－Base地下水管理系統軟件的應用

魏曉燕，張保祥，李旺林

(1.濟南大學資源與環境學院，山東濟南250022;2.山東省水利科學研究院，山東濟南250013)

水是生命之源、生產之要、生態之基。近些年，我國在保護地表水方面做了很多工作，但對地下水的保護關注不夠，局部地區地下水超采嚴重，并導致地下水水位持續下降，引起地面沉降、生態退化、地下水污染等問題［1－2］。為了防止地下水過度開采和污染，及時掌握和了解地下水動態變化過程及趨勢，建立統一、完整的地下水監測管理系統就顯得尤為重要。

我國地下水監測經歷了20世紀50至60年代的起步階段、70年代初至80年代的快速發展階段、90年代的積極探索階段及進入21世紀的穩步提高階段［3］，積累至今已獲得大量的水物理及水化學基礎資料。地下水監測只是了解掌握地下水動態的第一步，面對豐富的地下水數據，地下水信息管理系統設計［4－5］是必不可少的。

隨著計算機技術、數據庫技術和網絡技術的快速發展，地下水信息管理系統主要經歷了文件管理階段(19世紀60年代之前)、數據庫管理階段(19世紀60年代末期至21世紀)以及21世紀的網絡管理階段。為了使信息管理技術取得長遠的發展，國內外一些水文機構改進了以往基于GIS的地下水信息管理系統方法。山西?。?］(2010年)、山東省(2012年)等地將德國GW－Base地下水信息管理系統軟件運用在當地地下水數據管理中。借助該軟件及地下水自動監測設備，能夠提高區域地下水信息采集、傳輸的時效性和自動化水平［7］，實現監測與信息管理一體化。

1 GW－Base簡介

1.1 GW－Base的開發歷史

GW－Base地下水管理系統軟件是德國Ribeka公司研制出的一個專門設計用來幫助監測人員管理分析地下水數據的工具，該軟件能夠完成地下水數據的收集、傳輸、整理、入庫、查詢、提取以及通過這些數據對監測區的水資源進行評價，實現監測和分析的有效結合。Ribeka公司自1995年成立以來主要開發研制地表水和地下水管理軟件，2007年GW－Base 7.0引進中國市場，2011年已將GW－Base軟件升級至GW－Base 8.0版本，該版本有英文、德文、中文三種界面，并且包含了多個擴展模塊，使地下水資料的分析展示更加靈活化、多樣化。

1.2 GW －Base的特點

基于MIS(管理信息系統)+GIS的地下水管理系統只是做到對監測數據進行簡單的匯總、統計和呈現，并不能對數據中的有效信息進行充分的挖掘和利用。GW－Base軟件在形式上也采用了MIS+GIS的結構，但是經多年研究形成了處理地下水數據的一系列數學模型，借助這些數學模型，所獲得的地下水的監測數據才能發揮其最大價值。另外，GW－Base軟件不僅可以管理地下水水物理和水化學信息，同時還可以管理研究區內的水文地質信息以及監測井信息等，提供了地下水資源管理的新形式，提高了水資源信息管理的完整性。

2 GW－Base在地下水數據管理中的應用

GW－Base具有專業的數據庫模型，可以安全、有效地監控地下水;GW－Base具有清晰的結構布局，監測人員能夠較快的掌握數據結構并對其進行分析。本文以肥城盆地地下水數據管理為例，詳細介紹GW－Base軟件的功能、用途和實際應用等。

肥城盆地位于魯中南山區、泰山西麓，是獨立地質構造單元，具有獨立的補給與排泄系統。目前，深層地下水已成為肥城盆地范圍內最主要的供水水源，為了及時掌握和了解該區域地下水動態變化過程及趨勢，建立統一、完整的地下水管理系統就顯得尤為重要。

2.1 數據管理

(1)數據管理

GW－Base軟件能夠管理的數據包括:水位數據、地形及地質數據、取樣和分析數據、地圖和文件等，每一項又包括多個子項目，詳見表1。還可以按需求查看、刪減數據。

表1 GW－Base軟件管理數據統計表

(2)數據輸入

將匯總得到的肥城盆地地下水水位數據、地形及地質數據、取樣和分析數據等制成Excel、TXT或ASCII文件(csv文件)，導入GW－Base軟件，也可以手動輸入。

(3)數據查詢

通過GW－Base軟件提供的復雜數據的查詢功能，可以查詢地下水水位、埋深、取樣和分析結果等。另外，方便監測人員查詢到地下水水位低于某一定數的值，或某一時刻所有的監測值，或利用閾值工具進行在單一參數以及組合參數之間查詢，例如，查詢肥城盆地所有采集到的樣品中的硝酸鹽濃度在5.0 mg/L之下并且硫酸鹽濃度在150 mg/L之下時監測井編號及監測時間。除此之外，所有查詢結果能夠以Excel文件或報告形式輸出。

(4)數據輸出與報告生成

GW－Base軟件具有輸出功能，以Excel文件形式輸出之前輸入的水位及取樣分析等數據，或者直接輸出到GW－web中，也可以輸出GW－Bas軟件識別的mdb格式文件。另外，為了方便定期提交報告，可以創建、修改和管理GW－Base報告模板，完成報告并打印輸出。

2.2 采樣管理

通過使用取樣日歷，可以對未來肥城盆地地下水采樣的任務和日期有著明確規劃，簡化了大量數據分析、取樣、實驗、研究項目及日期的管理的工作，用Excel表格將需要分析的數據發送到實驗室，實驗室返回的數據可直接導入到GW－Base數據庫中。

3 GW－Base生成圖像解釋

GW－Base可以提供多種圖形評估和展示地下水數據的工具，這些工具可以根據客戶需要對圖層進行定制，并自動生成時間序列圖、等值線圖、柱形圖、餅狀圖、堆疊圖、水化學圖、水文地質剖面圖等。監測人員可以直接將結果以圖形(BMP、EMF、WMF)或者PDF文件的形式輸出，并增加成圖相關信息如編號、制圖、標題等。

(1)時間序列圖

利用GW－Base系統軟件可以繪制肥城盆地地下水水位及各水化學某元素濃度的時間序列圖表，并且自動計算和匯總參數并設定監測標準值。如圖1所示，即表示肥城盆地內省級監測井S－33A從1980年到2012年的地下水埋深變化情況。

圖1 時間序列圖

(2)等值線圖

GW－Base系統也可以根據水位、埋深、降雨、水溫和各種水化學指標等創建肥城盆地

地下水等值線圖，可選擇的插值方法有克里格插值法、反距離加權插值法和線性插值法。能夠直接生成被ArcGIS等軟件識別的SHAPE格式圖元件，便于后期的圖形處理加工。圖2表示1995年3月1號選用克里格插值法做出的肥城盆地地下水位等值線圖。

(3)柱形圖、餅狀圖

GW－Base系統可以提取肥城盆地內某一時刻的地下水中某一元素或某些元素的濃度，用柱形圖或餅狀圖表示。圖3(a)、(b)分別用柱形圖、餅狀圖表示2011年10月1號肥城盆地內7個省級監測井監測得到的地下水中鈣(Ca)、氯(Cl)及硫酸鹽(SO4)濃度。

圖2 地下水位等值線圖

圖3 (a) 地下水水質柱形圖

圖3 (b) 地下水水質餅狀圖

(4)堆疊圖

堆疊圖是時間序列圖與柱形圖合并后的復合圖，表示某一眼井在某個時段內某一項或某幾項化學元素的濃度變化。圖4表示從1999年9月1號至2011年10月1號省級監測井S－33A地下水中鈣、氯及硫酸鹽的濃度變化情況。圖中堆疊圖每一元素的高度代表該元素在這一時刻的濃度，堆疊圖的總高度是各元素濃度的總和，從圖中可以看出某一時刻樣品中鈣、氯及硫酸鹽的濃度總和與各自濃度，以及從1999年至2011年每一元素的濃度變化情況。

(5)水化學圖

GW－Base也有類似于AquaChem軟件的功能，可以利用Piper三線圖判斷地下水水質變化，圖中可以表示地下水中陽離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)與陰離子(Cl－、HCO3－、SO42－、NO3－)的百分比含量。圖5表示肥城盆地2011年10月1號省級監測井S－33A、S－61A和S－110A監測所得的水化學圖。

(6)水文地質剖面圖

水文地質剖面圖是反映某一地段在一定垂直深度內水文地質條件的圖件。它主要反映含水層的埋藏與分布，地下水位及地下水的補給、徑流、排泄情況，地下水化學類型及其垂向變化等。GW－Base軟件可以根據已錄入擴展模塊GW－Bore數據庫中的地質信息，自定義連接監測井的剖面線，自動繪制水文地質剖面圖。

圖4 地下水水質堆疊圖

圖5 地下水水化學圖

4 GW－Base擴展模塊

GW－Base有多個擴展模塊，其主要功能與用途詳見表2。借助這些擴展模塊，能夠使得研究區地下水資料的分析展示更加靈活化、形象化。以GW－Bore模塊在肥城盆地中的應用，介紹該軟件的主要功能。

表2 GW－Base地下水管理系統擴展模塊一覽表

借助GW－Bore模塊將肥城盆地內收集到的水文地質數據和技術參數存儲在數據庫中，用來管理盆地內的鉆孔和成井數據。肥城盆地內收集到的69個生產井柱狀圖可以存儲在GWBore建立的一個項目中，由生產井的點坐標確定各個生產井的位置分布并繪制肥城盆地剖面圖及生產井柱狀圖。繪制的生產井柱狀圖如圖6所示，圖中顯示生產井P－62A所在區域的水文地質信息(水井地質剖面、地質年代、靜水位、含水層位置及取樣點位置等)及鉆孔信息(鉆孔深度、開孔及終孔直徑、井壁管直徑、套管位置、回填情況等)。

圖6 GW－Bore鉆孔柱狀圖示意圖

5 結語

肥城盆地地下水監測管理信息系統是建立在地下水信息數據庫基礎之上的，利用GW－Base地下水管理系統軟件實現地下水信息的存儲、管理、查詢、分析和輸出等。GW－Base地下水管理系統軟件簡單易學，可以同時管理地下水水物理、水化學信息、地形地質信息以及監測井信息等，能夠提高水利部門的工作效率和水資源信息管理的完整性。GW－Base可以輸出多種格式的文件，與ArcGIS、Arcmap等軟件相結合，更加靈活地分析展示地下水信息。

GW－Base所具有的諸多功能和特點，決定了該軟件能夠廣泛應用于水利部門、環保部門、自來水公司、垃圾填埋場等與地下水相關機構的地下水數據采集、監測、分析和管理。結合ArcGIS軟件使系統搭建覆蓋整個研究區域的水務一體化管理信息系統平臺，為動態及時掌握區域水資源及其開發利用總體狀況提供了準確的依據，為實行最嚴格水資源管理制度提供了技術保障。

［1］吳麗英.地下水資源管理中存在的問題及解決方法［J］.地下水，2011，5，33(3):26 －27.

［2］羅蘭.我國地下水污染現狀與防治對策研究［J］.中國地質大學學報(社會科學版)，2008，3，8(02):72 －75.

［3］王愛平，楊建青，楊桂蓮等.我國地下水監測現狀分析與展望［J］.水文，2010，12.30(6):53 －56.

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［5］彭九敏.承德市城市水資源實時監控和管理系統的設計與實現［D］.電子科技大學，2012.

［6］曹小虎，崔軍明，趙艷鋒.德國GW－Base地下水管理系統的應用研究［J］.水利信息化，2010，5:50 －52.

［7］田景宏，許立燕.地下水資源監測分析管理技術［J］.中國水利，2007(22):69.