GW－Base地下水管理系统软件的应用

魏晓燕，张保祥，李旺林

(1.济南大学资源与环境学院，山东济南250022;2.山东省水利科学研究院，山东济南250013)

水是生命之源、生产之要、生态之基。近些年，我国在保护地表水方面做了很多工作，但对地下水的保护关注不够，局部地区地下水超采严重，并导致地下水水位持续下降，引起地面沉降、生态退化、地下水污染等问题［1－2］。为了防止地下水过度开采和污染，及时掌握和了解地下水动态变化过程及趋势，建立统一、完整的地下水监测管理系统就显得尤为重要。

我国地下水监测经历了20世纪50至60年代的起步阶段、70年代初至80年代的快速发展阶段、90年代的积极探索阶段及进入21世纪的稳步提高阶段［3］，积累至今已获得大量的水物理及水化学基础资料。地下水监测只是了解掌握地下水动态的第一步，面对丰富的地下水数据，地下水信息管理系统设计［4－5］是必不可少的。

随着计算机技术、数据库技术和网络技术的快速发展，地下水信息管理系统主要经历了文件管理阶段(19世纪60年代之前)、数据库管理阶段(19世纪60年代末期至21世纪)以及21世纪的网络管理阶段。为了使信息管理技术取得长远的发展，国内外一些水文机构改进了以往基于GIS的地下水信息管理系统方法。山西省［6］(2010年)、山东省(2012年)等地将德国GW－Base地下水信息管理系统软件运用在当地地下水数据管理中。借助该软件及地下水自动监测设备，能够提高区域地下水信息采集、传输的时效性和自动化水平［7］，实现监测与信息管理一体化。

1 GW－Base简介

1.1 GW－Base的开发历史

GW－Base地下水管理系统软件是德国Ribeka公司研制出的一个专门设计用来帮助监测人员管理分析地下水数据的工具，该软件能够完成地下水数据的收集、传输、整理、入库、查询、提取以及通过这些数据对监测区的水资源进行评价，实现监测和分析的有效结合。Ribeka公司自1995年成立以来主要开发研制地表水和地下水管理软件，2007年GW－Base 7.0引进中国市场，2011年已将GW－Base软件升级至GW－Base 8.0版本，该版本有英文、德文、中文三种界面，并且包含了多个扩展模块，使地下水资料的分析展示更加灵活化、多样化。

1.2 GW －Base的特点

基于MIS(管理信息系统)+GIS的地下水管理系统只是做到对监测数据进行简单的汇总、统计和呈现，并不能对数据中的有效信息进行充分的挖掘和利用。GW－Base软件在形式上也采用了MIS+GIS的结构，但是经多年研究形成了处理地下水数据的一系列数学模型，借助这些数学模型，所获得的地下水的监测数据才能发挥其最大价值。另外，GW－Base软件不仅可以管理地下水水物理和水化学信息，同时还可以管理研究区内的水文地质信息以及监测井信息等，提供了地下水资源管理的新形式，提高了水资源信息管理的完整性。

2 GW－Base在地下水数据管理中的应用

GW－Base具有专业的数据库模型，可以安全、有效地监控地下水;GW－Base具有清晰的结构布局，监测人员能够较快的掌握数据结构并对其进行分析。本文以肥城盆地地下水数据管理为例，详细介绍GW－Base软件的功能、用途和实际应用等。

肥城盆地位于鲁中南山区、泰山西麓，是独立地质构造单元，具有独立的补给与排泄系统。目前，深层地下水已成为肥城盆地范围内最主要的供水水源，为了及时掌握和了解该区域地下水动态变化过程及趋势，建立统一、完整的地下水管理系统就显得尤为重要。

2.1 数据管理

(1)数据管理

GW－Base软件能够管理的数据包括:水位数据、地形及地质数据、取样和分析数据、地图和文件等，每一项又包括多个子项目，详见表1。还可以按需求查看、删减数据。

表1 GW－Base软件管理数据统计表

(2)数据输入

将汇总得到的肥城盆地地下水水位数据、地形及地质数据、取样和分析数据等制成Excel、TXT或ASCII文件(csv文件)，导入GW－Base软件，也可以手动输入。

(3)数据查询

通过GW－Base软件提供的复杂数据的查询功能，可以查询地下水水位、埋深、取样和分析结果等。另外，方便监测人员查询到地下水水位低于某一定数的值，或某一时刻所有的监测值，或利用阈值工具进行在单一参数以及组合参数之间查询，例如，查询肥城盆地所有采集到的样品中的硝酸盐浓度在5.0 mg/L之下并且硫酸盐浓度在150 mg/L之下时监测井编号及监测时间。除此之外，所有查询结果能够以Excel文件或报告形式输出。

(4)数据输出与报告生成

GW－Base软件具有输出功能，以Excel文件形式输出之前输入的水位及取样分析等数据，或者直接输出到GW－web中，也可以输出GW－Bas软件识别的mdb格式文件。另外，为了方便定期提交报告，可以创建、修改和管理GW－Base报告模板，完成报告并打印输出。

2.2 采样管理

通过使用取样日历，可以对未来肥城盆地地下水采样的任务和日期有着明确规划，简化了大量数据分析、取样、实验、研究项目及日期的管理的工作，用Excel表格将需要分析的数据发送到实验室，实验室返回的数据可直接导入到GW－Base数据库中。

3 GW－Base生成图像解释

GW－Base可以提供多种图形评估和展示地下水数据的工具，这些工具可以根据客户需要对图层进行定制，并自动生成时间序列图、等值线图、柱形图、饼状图、堆叠图、水化学图、水文地质剖面图等。监测人员可以直接将结果以图形(BMP、EMF、WMF)或者PDF文件的形式输出，并增加成图相关信息如编号、制图、标题等。

(1)时间序列图

利用GW－Base系统软件可以绘制肥城盆地地下水水位及各水化学某元素浓度的时间序列图表，并且自动计算和汇总参数并设定监测标准值。如图1所示，即表示肥城盆地内省级监测井S－33A从1980年到2012年的地下水埋深变化情况。

图1 时间序列图

(2)等值线图

GW－Base系统也可以根据水位、埋深、降雨、水温和各种水化学指标等创建肥城盆地

地下水等值线图，可选择的插值方法有克里格插值法、反距离加权插值法和线性插值法。能够直接生成被ArcGIS等软件识别的SHAPE格式图元件，便于后期的图形处理加工。图2表示1995年3月1号选用克里格插值法做出的肥城盆地地下水位等值线图。

(3)柱形图、饼状图

GW－Base系统可以提取肥城盆地内某一时刻的地下水中某一元素或某些元素的浓度，用柱形图或饼状图表示。图3(a)、(b)分别用柱形图、饼状图表示2011年10月1号肥城盆地内7个省级监测井监测得到的地下水中钙(Ca)、氯(Cl)及硫酸盐(SO4)浓度。

图2 地下水位等值线图

图3 (a) 地下水水质柱形图

图3 (b) 地下水水质饼状图

(4)堆叠图

堆叠图是时间序列图与柱形图合并后的复合图，表示某一眼井在某个时段内某一项或某几项化学元素的浓度变化。图4表示从1999年9月1号至2011年10月1号省级监测井S－33A地下水中钙、氯及硫酸盐的浓度变化情况。图中堆叠图每一元素的高度代表该元素在这一时刻的浓度，堆叠图的总高度是各元素浓度的总和，从图中可以看出某一时刻样品中钙、氯及硫酸盐的浓度总和与各自浓度，以及从1999年至2011年每一元素的浓度变化情况。

(5)水化学图

GW－Base也有类似于AquaChem软件的功能，可以利用Piper三线图判断地下水水质变化，图中可以表示地下水中阳离子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)与阴离子(Cl－、HCO3－、SO42－、NO3－)的百分比含量。图5表示肥城盆地2011年10月1号省级监测井S－33A、S－61A和S－110A监测所得的水化学图。

(6)水文地质剖面图

水文地质剖面图是反映某一地段在一定垂直深度内水文地质条件的图件。它主要反映含水层的埋藏与分布，地下水位及地下水的补给、径流、排泄情况，地下水化学类型及其垂向变化等。GW－Base软件可以根据已录入扩展模块GW－Bore数据库中的地质信息，自定义连接监测井的剖面线，自动绘制水文地质剖面图。

图4 地下水水质堆叠图

图5 地下水水化学图

4 GW－Base扩展模块

GW－Base有多个扩展模块，其主要功能与用途详见表2。借助这些扩展模块，能够使得研究区地下水资料的分析展示更加灵活化、形象化。以GW－Bore模块在肥城盆地中的应用，介绍该软件的主要功能。

表2 GW－Base地下水管理系统扩展模块一览表

借助GW－Bore模块将肥城盆地内收集到的水文地质数据和技术参数存储在数据库中，用来管理盆地内的钻孔和成井数据。肥城盆地内收集到的69个生产井柱状图可以存储在GWBore建立的一个项目中，由生产井的点坐标确定各个生产井的位置分布并绘制肥城盆地剖面图及生产井柱状图。绘制的生产井柱状图如图6所示，图中显示生产井P－62A所在区域的水文地质信息(水井地质剖面、地质年代、静水位、含水层位置及取样点位置等)及钻孔信息(钻孔深度、开孔及终孔直径、井壁管直径、套管位置、回填情况等)。

图6 GW－Bore钻孔柱状图示意图

5 结语

肥城盆地地下水监测管理信息系统是建立在地下水信息数据库基础之上的，利用GW－Base地下水管理系统软件实现地下水信息的存储、管理、查询、分析和输出等。GW－Base地下水管理系统软件简单易学，可以同时管理地下水水物理、水化学信息、地形地质信息以及监测井信息等，能够提高水利部门的工作效率和水资源信息管理的完整性。GW－Base可以输出多种格式的文件，与ArcGIS、Arcmap等软件相结合，更加灵活地分析展示地下水信息。

GW－Base所具有的诸多功能和特点，决定了该软件能够广泛应用于水利部门、环保部门、自来水公司、垃圾填埋场等与地下水相关机构的地下水数据采集、监测、分析和管理。结合ArcGIS软件使系统搭建覆盖整个研究区域的水务一体化管理信息系统平台，为动态及时掌握区域水资源及其开发利用总体状况提供了准确的依据，为实行最严格水资源管理制度提供了技术保障。

［1］吴丽英.地下水资源管理中存在的问题及解决方法［J］.地下水，2011，5，33(3):26 －27.

［2］罗兰.我国地下水污染现状与防治对策研究［J］.中国地质大学学报(社会科学版)，2008，3，8(02):72 －75.

［3］王爱平，杨建青，杨桂莲等.我国地下水监测现状分析与展望［J］.水文，2010，12.30(6):53 －56.

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［5］彭九敏.承德市城市水资源实时监控和管理系统的设计与实现［D］.电子科技大学，2012.

［6］曹小虎，崔军明，赵艳锋.德国GW－Base地下水管理系统的应用研究［J］.水利信息化，2010，5:50 －52.

［7］田景宏，许立燕.地下水资源监测分析管理技术［J］.中国水利，2007(22):69.