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MapGIS三维可视化,破解大武水源地地下水资源管理与保护难题

发布日期:2019-07-31 发表者:gly 浏览次数:111次

       水,被誉为生命之源,获得安全的饮用水是人类生活的基本需求。集中式饮用水水源地保护和治理,关系到千家万户的饮水安全和广大人民群众的身体健康,关系到经济社会的可持续发展。相比较于地表水,地下水质较为良好,分布范围广,且不易受到外界的污染,具有较强的调蓄能力,应用起来方便,所以常常用作供水所需的水源。在我国半干旱与干旱地区,地下水往往是主要的,有时甚至是唯一的生活以及工农业生产供水水源。

       淄博市大武水源地是我国北方罕见的特大型地下水源地。亦是淄博市主要的城市供水水源地。它位于淄博市东北部临淄区西南,面积148.3km2。主要包括辛店、大武、南仇三个富水地段,富水区面积43km2。如此大面积的地下水源地,水文地质条件复杂多样,一直以来污染防治及统筹管理难度巨大,山东省地调院针对这样的实际问题,利用MapGIS平台及其三维技术,实施了“淄博大武水源地三维可视化信息系统”,不但解决了以上难题,进一步实现了大武水源地管理与保护的可持续发展。


       构建“淄博大武水源地三维可视化信息系统

       一直以来,大武水源地管理在技术层面主要存在三大问题,一是地下水污染防治难度大,污染情况复杂,防治措施不得力,治理效果不明显;二是对水文地质条件的认识不够细致,不够准确,影响了水源地的保护管理工作;三是缺乏一个科学、综合、便捷、高效的业务管理平台。作为淄博市的重要水源地,淄博市政府高度重视大武水源地的保护管理工作,2016年,市政府出资近2000万由淄博市水资源管理办公室牵头组织,委托山东省地调院负责实施“淄博大武水源地三维可视化信息系统”,武汉中地数码科技有限公司承担信息系统建设研制开发工作。经过两年多的建设,项目在取得丰富的基础地质信息和成果资料的基础上,利用现代信息技术,构建了水源地及周边256km2范围内500米深度的三维可视化地质模型,实现了大武水源地地质结构、地下水流、水质演化的三维可视和对突发的污染等事件进行水位、水量、水质的实时监测预警,为实现大武水源地科学化、信息化管理以及合理开发利用提供了重要的平台支撑。项目在建立功能强大的空间数据库和三维可视化地质模型的基础上,又通过时间轴线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、水生态修复、地下水污染防治和地下水保护提供技术支撑和管理平台。


       “一张图展示查询

       基于统一的地理空间框架,面向地下水资源数据管理与业务办公和社会化服务目标,集基础地理、专业成果、业务管理等各类数据管理,实现工作区地理底图、遥感影像、地质图、等值线图、分区图、钻孔等数据的一体化展示查询。使得多年来取得的原始资料和成果资料进行了有效的管理和可视化。做到了人机的良性互动,界面的友好,所有数据的浏览,数据的提取、分析、统计,都能够快速灵活运用(图1)。

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图1 一张图叠加展示


       方便灵活的地质专题图件生成与编辑

       地质图件是地质内容最基本的表示形式,是整个地质工作成果的基础,大武水源地三维可视化信息系统支持地质钻孔柱状图、地质剖面图、地质图以及各种等值线图自动生成等功能(图23)。在实现面向专业地质业务流程的同时,兼顾地质专业人员的成图习惯,尽量减少手动编辑的工作量,使编图流程更加智能化、模板化、专业化、规范化和高效化。

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图2 地质剖面图


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图3 地层等值线图



       地下水监测分析与预警

       在信息系统的地质数据库中,收录了历年的地下水开采、人工回灌数据,地下水位、水质变化等数据,系统可以随时快速方便的从数据库中提取相应的信息如开采量、回灌量、净开采量、水位自动监测、人工监测数据、监测井水质取样分析成果数据等生成相应的统计图,对监测到的地下水水质、水位、水量数据进行实时接入,并根据设置相应的各指标临界值,对超过临界值的数据进行高亮及闪烁的预警显示(图4)。

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图4 某井水位变化曲线图


       地下水质量评价与保护

      在工业化和城市化迅速发展进程中,大武水源地的地下水环境也正在发生变化,受复杂水文地质条件影响,地下水质量变化的差异性明显,需要通过信息系统掌握地下水环境现状以及工业化过程对大武水源地地下水环境的影响,特别是地下水质量与污染状况。根据地下水监测数据,按照一定模型进行地下水质量类别识别,采用从劣不从优原则确定监测点的质量分级。同时实现地下水作为工业用水评价、地下水作为饮用水评价、地下水作为生态用水评价、地下水作为农业灌溉用水评价。综合评价地下水污染程度及变化趋势,编制地下水污染防治与保护区划,为大武水源地地下水污染防治和地下水资源保护、完善饮用水水质标准、保障饮水安全和健康、促进人与自然和谐相处提供依据(图5)。

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图5 直接对比法评价水质级别分布图


       三维地质建模与可视化分析

       使地球表层一定深度“像玻璃一样透明”一直是地质学家们的梦想,以三维立体图像的方式呈现“看不见”的地球内部,成为大数据时代地质人关注的焦点。三维可视化的方式,能让我们直观地感知和理解地下地质体、地质现象和地质过程。大武水源地地下岩层分布情况如何、地质构造发育如何、地下水赋存情况如何,这就需要通过三维可视化来一一解答。系统中构建了大武水源地及周边256km2范围内500米深度的三维地质模型,水源地地下岩石地层、断裂构造、溶洞、地下水实现了清晰的可视化表达。针对大武水源地复杂地质情况,如地层歼灭、透镜体、复杂断层、溶洞等,也建立了完备的三维地质结构模型。

       特殊地质体建模岩溶水动态受诸多因素影响,是岩溶水补、排关系的体现,掌握其规律,可以为合理利用岩溶水资源提供依据。但由于勘探手段有限,三维溶洞模型从钻孔上很难体现其真实形态,三维溶洞建模功能将提供多样化的溶洞样式库,地质人员可根据专业认知选择各溶洞的形态样式,并设置其大小、材质等参数(图6)。

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图6 三维岩溶模型



       三维地质结构建模针对地质调查过程中产生的地质钻孔、地质剖面、高程点、等值线等多源地质数据,系统提供一系列的建模工具,辅助用户快速构建地质三维结构模型,主要包括钻孔全自动建模、多源数据耦合层状地质体建模、基于地层分区的地质图快速建模和基于剖面的复杂地质体半自动交互建模,用户可根据实际数据情况及建模精度要求选择合适的建模方法(图7)。


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图7 大武水源地地质结构模型



       三维地质模型与数值模拟成果融合分析流动的地下水是一种普遍的地质营力,以自组织的地下水流系统模式,控制着与地下水有关的各种自然现象和自然作用的空间有序分布。因此,地下水水流对地下水时空分布起着关键性作用。在干旱条件下,降雨时空分布不均、农业集中发展、过度开采、工业建设等气候与人类活动导致地下水循环条件发生明显变化,地下水位的波动将直接影响该地区的生态环境。故地下水水流和水位预测在地表水和地下水资源的综合管理中起着重要作用。

       地下水的流场模拟主要是用水流线的形式来表现,水流线的方向即表示水的流向,线的颜色表示水的流速;为更直观的表达水流方向,系统将各类地质模型与水流模拟可视化模型进行集成展示。通过分析水流模型能够看出水流的整体流动方向,在易形成地下水快速流动通道的断裂带表现为快速流动,在开采量较大的井点位易形成地下水开采漏斗,可与当地的地下水流动规律比较分析。通过分析研究得知大武水源地由于多年严重超采,已形成很大的降落漏斗。集中开采区开采水平的不同导致年内、年际间漏斗面积与水位变动带附近的给水度有所变化。亦即降深不同,水源地的单位储水量变化较大,这主要是岩溶含水介质中的储水空隙的发育具明显的层控性及水平方向上的分带性所致(图8)。

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图8 大武模型加水流



       水位可视化模拟是对地下水水位面的动态模拟,但由于水面无法很好的进行立体水位展示,用户可进行深度下推建立水体示意模型,配合进行水位变化展示。另外,还可叠加各类地质要素进行融合显示。在地下水水位可视化模拟的过程中,由于水体模型会把水流、污染物等遮盖住,因此特意研制开发了水体透明的功能,可以实时调节水位体的透明度,来与水流、污染物结合展示。通过三维水位可视化,科学划定了地下水位黄色、橙色、红色警戒线,实行地下水位预警管理,进一步规范大武水源地地下水开发利用,促进地下水采补平衡,保障供水安全和生态环境安全,实现大武水源地地下水资源的可持续利用(图9)。

9 水位、钻孔、岩溶、地表综合展示.png

图9 水位、钻孔、岩溶、地表综合展示



       为什么要进行地下水污染物的模拟呢?因为在大武水源地上化工企业很多,大武水源地南部是石灰岩裸露区,地下水易被污染,一旦被污染会直接影响大武水源地的水质,对数十万人的饮水安全造成直接影响,因此该地区的污染风险评价对地下水源保护有重要作用。多年来,水源地个别水井遭受了化工有机物污染,为了研究有机物的污染情况,系统进行了污染物分布的可视化模拟。图10所示选择氨氮污染,可查看对应模拟方案下的氨氮污染扩散情况。通过地下水污染物扩散模拟,为大武水源地地下水污染治理与防治保护提供决策依据。

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图10 水流水质模拟图



       重大技术突破与社会经济效益

       “淄博大武水源地三维可视化信息系统”在地质表达、数值模拟等方向取得了重大技术突破。获得了如下成果:

       1)建立了大武水源地标准化数据库,提高了历史数据利用价值;

       2)实现了大武水源地三维可视化信息系统的全流程管理,包括数据管理、二三维成果制作与可视化、成果共享,为大武水源地地质数据成果及应用提供了信息化、科学化、智能化有力支撑;

       3)建立了大武水源地三维地质模型,包括地表道路水系、地下钻孔、三维断层模型、地下岩溶模型、侵入岩模型、水体模型等,将传统地质资料进行了高度集成的三维可视化表达,打造了具有典型示范意义的“透明水源地”;

       4)在行业内,首次实现了数值模拟模型与地质模型的融合展示,将数值模拟成果无缝集成到地质三维平台,实现了三维地下水流场、水位、污染物在地质模型内的模拟可视化,打通了地质软件与数值模拟软件的技术壁垒,对传统地质应用与数值模拟应用结合开创了新的发展方向。

       2019年4月30日,由中国工程院院士武强任评审组长,中国地质调查局、中国地质科学院、南京大学等8位专家教授组成的专家组一致认为,大武水源地三维地质结构模型,应用前景广泛,社会经济效益明显,成果总体达到国际先进水平,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,建议进一步扩大推广应用。