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数值模拟与地质模型双剑合璧,大武水源地信息系统的颠覆突破

发布日期:2019-10-12 发表者:gly 浏览次数:39次

       “一切成功的背后都是艰辛的付出”,这句话用来形容创造了“首次”、“国际领先水平”、“重大技术突破”等定义的“大武水源地三维可视化信息系统”的建设过程恐怕是再恰当不过了。首次把水流、水质数值模拟和地质模型完全融合,实现了重大技术突破;在地质结构、地下水流、水质演化三维可视一体化模型的建立与应用研究方面达到了国际领先水平;系统成果应用前景广阔,社会经济效益明显……这是20 多人组成的项目团队,600 多个日夜的奋斗,攻克了众多技术难题而取得的成绩。山东省地质调查院杨丽芝博士在与笔者的交流中多次提到了项目攻坚的不易,特别是水质模拟与地质模型的融合过程,一度也曾陷入迷茫期,不知道能不能做成功,最终皇天不负有心人,系统按照预期提前两个月建设完成,在建立功能强大的空间数据库和三维可视化地质模型基础上,又通过时间轴将过去和未来的地下水流及溶质在地质模型中的运移过程串联起来,创造性的构建了四维可视化信息系统。项目成果为大武水源地及周边工业规划、土地利用、生态修复、地下水污染防治及保护提供了技术支撑和管理平台。


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山东省地质调查院杨丽芝博士


       数值模拟+地质模型,真四维的首次壮举

       大武水源地位于山东省淄博市临淄区,主要富水区27平方公里,地下水资源丰富,担负着近八十万人的生活用水及齐鲁石化等企业的工业用水重任。过去的环保意识不强,难免对地下水产生一定的污染。但大武水源地关乎淄博市的经济和社会发展,水资源保护必须重视起来。大武水源地管理部门尝试用数值模拟技术模拟水流及水质的变化,试图解决水资源管理、监测与保护的问题,但始终没有成功,即使模拟好了,也用不起来,他们一直没能找到症结所在,直到看到了济南城市地质三维可视化系统,在与山东省地质调查院的多次交流后,发现了问题的关键:他们没有考虑地下的情况,没有和地质模型结合的数值模拟是没有灵魂的。

       于是,山东省地质调查院联合济南城市地质三维系统的建设方中地数码一起,开始了这场攻坚战。“我们考察了广州、南京等城市,也找到了上海丹华做数值模拟,经过不断的深入探讨,确定了一个数值模拟与地质模型合二为一的系统,在技术上是可以实现的”,杨博士说道,“2017 年6 月,项目正式投标。三维地质模型的建设相对顺利一些,因为有中地数码MapGIS 三维地质建模的基础,虽然大武水源地构造比较多,工作量大一些,但技术难度不大。最难的是,在三维模型做好了以后,如何把数值模拟融合其中。融合说起来简单,但操作起来却不容易。因为两项内容从数据格式及读取方式等就是不一样的。我们先把模拟好的数据放到三维地质模型系统里,确定是否能够展示,后续再一步步把模拟过程放到系统里,从源头看参数、分区,最终把整个数值模拟与三维地质模型融合成一个系统,真正的实现了四维可视化。”


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水流水位动态变化模拟


       解决水质模拟难题,监测污染物扩散 

       大武水源地的数值模拟分为水流模拟和水质模拟。由于水源地多数为裸露岩溶区,防污性能差,只要有污染物就会渗透进含水层,而当地的化工企业又特别多,所以监测污染物扩散是非常重要的保护水源地的一环。水质模拟要做到的是,一旦有含废水、原料等的管道泄漏,污染物多长时间能够流到抽水井里。由于污染物的扩散不仅随着水流走,还有自身的扩散,所以和地质模型的结合,可以判断其可能的扩散路径,比如有的断层是导水的,有的断层是阻水的,有的断层可以阻挡污染物扩散,有的如同管道一样可以让污染物快速到达出水井,水质模型融合地质模型后,就能准确判断污染物扩散的路线。同时,由于大武水源地工厂林立,环境复杂,不同区域的污染物也不尽相同,比如北部山前地带苯等有机污染物比较多,东边氨氮比较多,南边则是硫酸盐,这就要求系统还要能够模拟每一种污染物的变化情况。“污染物扩散是水源地管理人员最关心的问题,水质模拟也是整个过程里面最难的,比水流模拟还要难,十年二十年污染物可能的扩散方向,会对供水井产生怎样影响,都要进行模拟。而且有些污染源随着时间的推移,是很难查到的,也要考虑,但最终我们攻克了这个难题,且提供了可视化系统,让不懂专业技术的管理人员也能够直观的监测水源地的日常动态,判断水源地的污染与保护情况”,杨博士不无骄傲的说道。

       今年4 月,以中国工程院武强院士为评审组长的专家组,对大武水源地三维可视化系统进行了成果鉴定。“武院士对这个系统非常感兴趣,他肯定了这是国内首次把水流、水质数值模拟和地质模型完全融合,做成了一个系统”,杨博士说到当时成果鉴定的情况,“各位专家给予了系统很高的评价,且建议在未来推广应用。”


       水源地管理效率大幅提升,社会经济效益显著

       从今年4 月底项目提交成果报告,完成成果鉴定以来,大武水源地三维可视化信息系统在实际应用中发挥出了越来越大的作用。据杨博士介绍,一方面,原来的水源地管理需要人工抄表,记录各项数据,数据上报后也由专人制表、发布。而现在的系统里,水位、水质等各项数据都可以直接记录,且设计了报表格式,可以按照预置时间直接发布。大大了节约了人工成本,提升了工作效率;另一方面,设有预警系统,比如如果出水量显示负值,系统会有声音及亮灯提醒,判断可能是仪器设备出现问题。再比如水源地要求控制水位不能低于0 米,否则需要停产,系统可以设置当水位是5 米时,变成黄色预警,警戒超采超量问题。对于水质的管理,某一项离子超标或即将超限,也会有亮灯提醒等。

       同时,大武水源地三维可视化信息系统还研发了手机客户端,也就是说,只要一部手机,整个水源地的信息就可以全部掌握。不需要再像以前一样,人工巡查几百平方公里。切实改变了管理人员的工作模式,管理变得游刃有余。

       “马上,这个系统就要安装到淄博市政务网里了,为此我们也对系统设置了不同权限:一个是针对管理者的,管理版,前面提到的水位、水质变化、开采条件等,淄博市水资源管理办公室和大武水源管理处的管理人员都可以使用、查看;一个是针对专业人员的,专业版,未来当地的自然环境及社会环境可能还处在不断的变化中,需要做一些专业参数的调整及相关的专业内容,需要专业人员应对。”杨博士介绍道。

       据了解,系统登录淄博市政务网后,公众也可以查看水源地的一些基本信息,水源地的发展状况及一些相关科普;而像是其他部门,比如环保部门、自然资源部门,如果需要系统的相关数据,也可以授予不同权限来使用。


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大武水源地三维可视化信息系统手机客户端



       典型产品已经形成,未来构建大生态系统

       武强院士在成果鉴定时说道,数值模拟的原理是一样的,这个数值模拟软件融合到三维地质模型结构里,代表了其他相关软件也能够融合进去。的确,项目成功的下一个目标就是产品化,而大武水源地三维可视化信息系统,已经做到了这一点。杨博士说:“实际上我们做的是一个四维可视化系统,这个系统是可以作为产品来推广应用的”。而据2016 年国家水利部的统计,中国目前地下水饮用水水源地有近2000 处,也许很多地区没有大武水源地这样的规模,但这一样预示着系统应用前景将相当广阔。

       其实,不仅仅水源地可以推广应用这个系统,城市地质和水有关的都可以应用,涉及数值模拟和地质模型结合的也都可以应用。以前的城市地质,没有单独考虑到水的因素,是因为技术水平没有达到,大武水源地三维可视化信息系统实现了数值模拟与地质模型结合的创新突破,或许也将为未来城市地质发展与应用带来新的变革。当然不仅仅是自然资源部门,水利部门、环保部门等等都可以借鉴使用。

       未来,在大武水源地探索的基础上,淄博市也有可能开展城市地质调查工作,推进水源地及周边大生态系统建设,联系淄博历史文化——齐国古都及足球发源地的特色,创造一个更加绿色的生态文明城市。