基于GIS的岩溶水资源量均衡法评价模块的构建

纪轶群，郭高轩，2，李文忠，沈媛媛，许 亮，南英华，陆海燕

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.中国科学院大学地球科学学院，北京 100049；3.长庆油田分公司安全环保监督部第九安全环保监督站，内蒙古乌审旗 017300）

0 引言

城市化进程加快、人口急剧增长，加之气候的不确定性等因素使得北京市的供水矛盾日益严峻。平原区第四系地下水连年超采致使水位持续下降、漏斗面积不断扩大[1～3]，地面沉降持续发展[4]。因此，以往被认为“战备水”的岩溶水资源勘查于2011年正式启动，项目是北京市于南水北调进京前开展的规模最大、手段最全的地下水资源勘查工程。

以往研究表明，北京地区的岩溶水不仅具有北方岩溶水的系统开放度高、发育规模大、系统资源要素构成多的特点，而且各水资源要素间转化关系复杂[5～6]。区域岩溶水资源量计算需要大量地理环境、基础地质、水文地质等数据作为基础，该数据呈现为海量、时空动态等特性，常规手段很难达到及时和有效的存储、查询、修改、建模、计算等工作。

地理信息系统(简称GIS)是一种集采集、存储、管理、分析、显示等功能于一体的计算机系统，是分析和处理海量空间数据的通用技术。GIS已被广泛地应用于资源调查、环境评估、水资源管理等领域[7～9]。因此，利用GIS技术，有效地对岩溶水资源勘查与开发及周围地质环境信息进行统一的数据库管理，并在数据库上层，构建岩溶水资源量评价模型，可以在时间维和空间维上准确、高效的

计算和评价北京岩溶水资源量的分布。为水文地质勘查、地下水的合理开采、高效利用、地质环境监测与保护、科学管理决策提供有力支持。

1 模块框架设计

（1）均衡法介绍

水量均衡法是评价地下水资源的根本方法。方法原理严格，计算结果准确，适宜各个地区。应用水量均衡法可以评价区域地下水补给资源量，初步确定可开采资源量。对于地下水系统来说，在补给和消耗的不平衡发展过程中，一个区域内的含水层系统，在任一时间段（△t）的补给量和消耗量之差等于该区域中水体积的变化量，这就是水量均衡法的基本原理[10]。

根据基本原理可建立天然条件下水量均衡方程式：

Q补-Q排=Q储或 Q补=Q排+Q储

式中：Q补为计算期间内地下水系统各补给量总和；Q排为计算期间内地下水系统各排泄量总和；Q储为计算期间内地下水系统储存量的变化量。

（2）模块总体结构设计

本计算模块基于C/S（客户端/服务器）技术体系结构设计及采用COM组件开发，COM组件具有封装性好，接口开放的特点，具体选用ESRI的ArcObject组件，基于C/S技术体系可以满足“北京岩溶水资源计算模块中”所需的资料量多、数据类型多、分析较复杂的特点，支持空间多元数据库的特点。

根据水文地质特点及区域岩溶水资源量计算评价的需要,北京岩溶水资源量计算模块由空间数据处理系统、属性数据处理系统、影像数据处理系统、区域资源补给项计算子模块，区域资源排泄项计算子模块、区域资源变化量子模块、区域可采资源量评价模块、资源量专题图制作等功能组成。系统总体结构（如图1所示）采用了成熟的C/S结构，方便对数据和功能的分类管理，同时安全性和稳定性比较高。

图1 模块总体结构

（3）模块采用的关键技术

系统构建采用ArcGIS平台，ArcGIS是由美国ESRI公司研制开发的一个功能强大的通用性地理信息系统软件，该软件最显著的特点是对地理信息本身的生成与处理能力较强，且支持拓扑结构，可进行空间分析、缓冲区分析和叠置分析，对处理巨量数据有较大优势，加之其提供的面向对象程序设计开发工具AO、及VBA，使用户能开发出自己需要的功能模块，并嵌入到ArcGIS中；同时它还支持DLL（动态连接库）和DDE（动态数据交换）技术，进一步提高了ArcGIS平台的开放性[11]。因此，可以在此基础上二次开发出适宜北京岩溶水资源量评价的专业化客户软件。

Geodatabase(空间数据库)与城市水资源管理集成有着明显的优势[12]。本次空间数据管理采用Geodatabase(空间数据库)统一管理各种类型空间数据。Geodatabase是一种采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型，支持在标准的数据库管理系统(DBMS)表中存储和管理地理信息，并且在很多方面增强了关系型数据库。Geodatabase支持多种DBMS结构和多用户访问，且大小可伸缩。多用户Geodatabase通过ArcSDE支持多种数据库平台。

2 模块数据库构成

北京岩溶水资源量均衡法评价模块数据库由岩溶水水资源空间数据库（包括矢量空间数据库和栅格空间数据库）、属性数据库、影像数据库、元数据库构成（如图2，表1），各子库间数据相互独立，同时逻辑关系又相互交织在一起，共同为整个信息系统提供基础数据。空间数据库以WGS-84为基准坐标系统。

图2 评价模块数据库结构关系

空间数据库由工作过程中建立的单要素图层和综合图件组成。单要素图层是反映岩溶区的基础地理、地质、水文地质条件的图形要素集，以点、线、面、体、栅格等形式存储。它是成果图件的基本组成单元。通过叠加地层图层、构造图层、自然地理等图层形成地质图；通过叠加富水性分区、岩溶水系统分区等图层形成综合水文地质图，因此，采取图层叠加的方式组合成综合图件。

属性数据库包括一般事务性描述性属性和图形数据内部属性的扩展，在图形内部属性结构中，为了减小数据冗余，实现数据快速调用，内部属性只记录了地理实体数据的基本信息，详细的序列记录建立在其他数据表中，例如观测井分布图中，内部属性信息只包括观测井的统一编号，地理位置、坐标数据，而日常动态观测数据则建立在一般性属性表中，空间数据库与属性库记录通过统一编号进行关联（如图3），通过编程实现图形和属性间互动查询。

影像数据库包括各岩溶区航空遥感影像共9940km2。由于航片影像文件较大，为了便于后期使用，在入库前对各航片采用影像金字塔技术，提高后期浏览效率。

表1 北京岩溶水资源量评价模块数据库组成和结构

元数据库，元数据是“关于数据的数据”，由于岩溶水资源量评价涉及众多空间数据、属性数据，需要对地理、地质、社会数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其他特征进行描述，才能正确的管理、编辑、使用数据；它也是实现地理空间信息共享的核心标准之一。

3 模块功能构建

实现均衡法岩溶水资源计算，即每个子模块应根据建立的均衡方程式实现每一项的计算功能；首先按照北京地区岩溶水资源源汇项特点，构建北京岩溶系统水均衡项，如公式1，后按照各源汇项进行子模块的构建。

式中：

补给项：

Q入——大气降水入渗补给量（万m3/a）

Q回——农灌水回渗量（万m3/a）

Q渠——地表水渗漏补给量（万m3/a）

Q越——越流量（万m3/ a）

Q侧入——地下水侧向流入量（万m3/a）

消耗项：

Q开采——开采水量（万m3/a）

Q泉——泉水流量（万m3/a）

Q燕——地下水蒸发量（万m3/a）

Q地——河水基流（万m3/a）

Q第四系——向第四系顶托越流补给量（万m3/a）

Q测出——地下水侧向流出量（万m3/a）

其它参数含义：

μ(s)——均衡区内潜水水位变幅带内含水层给水度（μ）及承压水弹性释水系数（s）

F——均衡区面积（m2）

△H——均衡时段内地下水位变幅（m）

△t——均衡时段（a）

3.1 补给量计算功能

（1）大气降水入渗补给量

该模块先进行区域降雨量计算，按照观象台位置数据生成泰森多边形（Thiessen polygon），控制不同区域降水量。可溶岩大气降水入渗计算使用Q入=F☒P☒α×10-4（大气降水入渗补给量（万m3/a）；F计算面积（m2）；P降水量（m）；α入渗系数）公式。模块中可以量测点与点的距离和计算多边形的面积F，可以按照岩溶水各等级系统来统计入渗量。

图3 空间数据库与属性数据库之间的链接

（2）农业灌溉回渗量

该模块实现农业灌溉回渗量计算按照Q回=Q农灌×β（Q回为农灌回渗量（万m3/a），Q农灌地下水（或地表水）灌溉水量（万m3/a），β地下水（或地表水）灌溉回归系数））公式。灌溉面积可以在模块中由土地利用数据获取各系统裸露山区园地和耕地面积，保持了计算集成性。

（3）地表水渗漏补给量

根据河流不同测站的径流量来计算此段河流的入渗量。如子模块中可以查询永定河上游雁翅流量站径流量与下游三家店流量站径流量，两者相减，加入其他修正项后，可算出永定河从雁翅站到三家店段的永定河渗漏量。

（4）越流量

第四系地下水水位高于下伏岩溶水水位，存在着垂向交换量，以越流方式补给岩溶水，该子模块实现计算通过V=KI×10-4=K（HA-HB）×10-4/M（V为单位面积越流量（万m/d）；K为弱透水层垂向渗透系数（m/d）；I为两个含水层之间的水力梯度；M为弱透水层厚度（m）；HA为上覆第四系含水层水位（m）；HB为下伏含水层水位（m））公式，在计算的数据结构上可以抽象为不同栅格图层的计算，即使用地图代数进行多个栅格层之间的数学运算。

（5）地下水侧向径流量

该子模块采用达西定律计算实现Q侧入=K☒I☒H☒B×365×10-4（Q侧入侧向流入量（万m3/d），K含水层渗透系数（m/d），I水力坡度，H含水层厚度（m），B断面宽度（m）），此模块中提供岩溶水系统入流边界的地质剖面图。因此，可以测量含水层宽度和厚度，方便计算不同入流断面来水量，同时根据地下水水位等值线来计算水力梯度。

3.2 排泄量计算功能

（1）开采量

功能上实现基岩井及水源地集中井，按照不同时间段、不同行政区域、不同岩溶水系统，统计出开采量，支持Excel格式数据导入和导出。

（2）泉水流量

子模块实现泉点位置添加、编辑、删除，对流量表的查询、修改并按照不同行政区域，不同岩溶水系统给出某个时间段的统计监测泉流量。

（3）蒸发量

当岩溶水水埋深小于极限蒸发埋深时，地下水将产生蒸发，在功能实现上子模块采用Q蒸=ε☒F☒10-4（Q蒸为地下水蒸发强度（万m3/a），ε为蒸发系数，F为面积m2）；蒸发系数ε通过ε=ε水蒸☒η☒(1-h/h0）2，(ε水蒸为气象站蒸发值（mm）;h为地下水水位埋深（m），h0为蒸发极限埋深（m），η为折算系数)，在功能中读取各气象站蒸发量值，可以根据不同区域设定蒸发极限深度和折算系数。

（4）岩溶水向外排泄

岩溶水向外排泄包括岩溶水向河流排泄（河流基流），向第四系孔隙水排泄（第四系顶托越流补给），侧向流出量。其中岩溶水向河流排泄功能实现与补给项中地表水渗漏补给量相同，第四系孔隙水排泄功能实现与补给项中越流补给量相同，侧向流出量功能实现与补给项中地下水侧向径流量相同，在此不在赘述。

3.3 储存变化量计算功能

储存变化量功能按照公式△Q=μF△h（μ为给水度或者释水系数，F为面积m2，△h为时段内水头变化量单位m）来计算，μ和△h可以支持各图层参数分区栅格计算，从而计算出变化量与前面计算的总补给量减去总排泄量之差进行误差分析，一般认为两者计算总误差在5%以内时，各项量计算比较合理，结果可信度高。

3.4 可采资源量评价功能

地下水可开采量评价一般用地下水总补给量减去不可袭夺的排泄量来确定，不可袭夺的排泄项主要有河流的基流、向第四系排泄量、侧向流出量等。在功能实现上子模块可以设定不可袭夺项及其量的大小。对于不可袭夺排泄量的设定，可以根据地区水资源情况，评价出不同生态条件下的岩溶水开采量，如河流基流，泉流量排泄量仅为以往的一半时的区域可开采量。

3.5 计算结果的专题图制作功能

专题图就是根据相应的专题数据和指标，采用一定的算法，对空间要素进行分类分级，并以一定的分类分级符号进行可视化展示，从而使用户能够以直观的形式，了解某专题的空间分布和定性、定量特征[13]。北京岩溶水资源量计算结果的专题图制作子模块应能够为用户提供最直观的可视化表达。系统提供北京各岩溶水系统基于各种补给量、排泄量、资源量的简单渲染专题图、唯一值专题图、点密度专题图、数据分级专题图、饼状专题图。例如，北京各岩溶系统岩溶水可采资源量柱状专题图，来定量渲染各区不同资源量，给使用者直观感受同时便于理解。

4 模块应用实例

以西山岩溶水系统中的十渡—长沟子系统为例，使用模块进行资源量计算，研究区在房山西南部面积为636.9km2。主要岩溶含水层为蓟县系雾迷山组（Jxw）和铁岭组（Jxt），拒马河从西向东穿过研究区，同时有岩溶大泉分布其中。岩溶系统内部均衡项多、数据量大，计算复杂。岩溶水补给来源由大气降水入渗、水河渠渗漏量、农业灌溉回归、侧向流入量构成；岩溶水排泄项由开采量、泉流量、蒸发量、向地表排泄量、向第四系排泄量、侧向流出量构成。

图4 模块计算界面

表2 2011年十渡—长沟岩溶水系统水均衡表（万m3）

在模块中选择该地区的2011年均衡要素和数据与图层，设定合理水文地质参数（计算界面如图4）后得出2011年十渡－长沟岩溶水补给量和排泄量汇总以及储存变化量见表2，两者误差在5%以内，认为本次计算资源量结果较为合理。

5 结论

（1）本文采用组件GIS，结合空间数据库（Geodatabase）技术，使用区域水均衡评价原理，构建以均衡法为基础资源量评价模块。

（2）为了验证模块的可靠性，使用该模块，结合人机交互方法对十渡—长沟岩溶水系统2011年资源进行了试算，结果表明区域补给量与排泄量差值与储变量值误差小于5%，认为本区资源量计算值较为合理。

（3）该模块能够满足复杂水文地质条件下，岩溶区域资源量计算要求，可以为北京岩溶水资源勘查工程中区域岩溶水资源量计算提供信息化技术手段，有着计算效率高，准确性好等特点。与此同时模块对岩溶地质条件和岩溶地下水资源量的相关数据进行空间信息化，提高各层次信息的可视程度、并全景式地显示岩溶水资源量计算过程和时空分布特征；极大的提高地下水资源管理的效率和水平，因此建立该模块具有很大的实际意义。

[1]张士锋，孟秀敬等.北京市水资源与水量平衡研究[J].地理研究，2012，31（11）：1991～1996.

[2]陈 江，聂振龙等.北京市地下水资源利用现状评价[J].南水北调与水利科技,2008, 6(6)：97～99.

[3]任志远.北京市平原区地下水资源研究[D].吉林大学，2006：16～17.

[4]王 萍.北京市超量开采地下水引起的地面沉降研究[J].勘察科学技术，2004（05）：46～49.

[5]梁永平,韩行瑞等.中国北方岩溶地下水环境问题与保护[M].地质出版社，2013：41～51.

[6]郭高轩,辛宝东等.北京岩溶水勘查开发的现状与思考[J].南水北调与水利科技,2011,.9(2)：33～36.

[7]纪轶群,叶 超.北京平原区浅层地温能空间信息系统设计与实现[J].首都师范大学学报,2009(01),54～57.

[8]诸云强，宫辉力，赵文吉等.基于组件技术的地理信息系统二次开发—以地下水资源空间分析系统为例[J].地理与地理信息科学，2003, 19(1)：16～19.

[9]武 强,邹德禹,董东林等.塔里木盆地水资源开发管理的地理信息系[J].中国矿业大学学报，1999,28(1)：78～81.

[10]中国地质调查局 主编.水文地质手册（第二版）[M].北京：地质出版社2012：692～694.

[11]于 军.基于ArcGIS平台的苏锡常地区地面沉降管理信息系统研究[D].吉林大学，2006：20～21.

[12]龙 瀛,杜鹏飞,赵东东等.基于Geodatabase的城市水资源管理系统[J].清华大学学报（自然科学版），2006, 46（9）：1560～1563.

[13]聂小波，吴北平，何保国.基于ArcGIS Engine的专题图模块的设计与实现[J].地理空间信,2006(1)：12～14.