基于ArcGIS的岩石隧道水文地质数据的管理与建模

阎 一 澜

(同济大学，上海 200092)

0 引言

隧道工程在设计、施工、运营和维护过程中会产生大量的水文地质数据[1]。科学的不断发展对水文数据的管理提出了越来越高的要求。如果数据杂乱无章，则会对工程造成不利影响。因此，制定数据的统一描述标准至关重要。在岩土工程领域，相关国际组织已经发布了一些规范，这些规范为数据标准化提供了良好的指导，但它们尚未涵盖隧道水文地质方面，因此需要进一步修订和完善。GIS可以为工程中的实时信息采集和决策分析提供有效的工作平台[2]。将经过规范化的数据导入ArcGIS，有利于水文地质模型的建立和水文数据的分析。

1 岩石隧道水文地质数据的标准化

1.1 分类和编码标准

由于软件开发商不同，各公司会根据不同的数据格式和命名规则来实现其数据管理目的，给信息共享带来了困难，这就需要一套统一的分类和编码标准。这项工作应遵循可扩展性原则，确保所需信息可以成功导入数据库系统[2]。各类要素都使用数字进行编码，没有下级文件的代码填充为“0”。元素编码结构如表1所示，按它们的从属关系顺序分为一级分类、二级分类、三级分类等等。表2展示了岩石隧道水文信息模型的一部分分类名称和代码。

表1 要素编码结构

表2 岩石隧道水文地质信息分类和编码

1.2 数据交换标准

数据交换通常需要在多个软件之间进行，即数据输入和输出接口需满足各种软件的要求[3]。为了减小接口的压力，有必要提出一种统一的数据交换方法，规定文件的传输和存档形式。就组织形式而言，岩石隧道的水文地质数据可分为文本数据、图形数据以及多媒体数据。数据表包括以下部分：数据组名称、标题字段、字段状态、字段单位、字段类型和数据主体。字段状态包含三种类型：KEY(#)，REQUIRED(R)，OTHER(O)。KEY字段数据组必须包含标有#的字段，并且该字段的值不能重复。REQUIRED字段必须有值并且不能为空。OTHER字段可以为空值。表3以钻孔数据表格为例，说明了字段存储方法。

表3 钻孔数据表

2 隧道水文地质模型的建立

2.1 信息显示和查询

首先，操作者需要整理各种水文地质数据并对其进行标准化，然后将这些规范化的数据导入到ArcGIS中以建立完整的数据库系统。将DWG文件转换为Shapefile格式时，ArcGIS会根据实体类型读取数据，并将每个DWG实体转换为要素类，包括点、线、多边形、文本注记、多面体等。利用ArcGIS中的识别工具，点击查看窗口中的各种要素，系统会弹出该要素的属性记录框。点元素通常指钻孔、泉点、水文监测站等；线元素包括隧道线路、水文地质界线、等高线等；面元素是指居民区、水源保护区、水库等。

2.2 三维建模

三维水文地质建模是一种利用计算机科学将虚拟三维环境中的空间信息管理、空间预测和地质统计工具结合起来进行水文分析的技术。在隧道工程中，地下水是影响隧道施工安全、工程质量和结构稳定性的重要因素[4]。因此，建立隧址区的三维水文地质模型对于涌水位置和涌水量的评估具有重要意义。具体步骤如下：

1)把研究区的卫星影像图加入ArcGIS中，把生成的等高线设置为20 m间距。

2)将隧道水文地质平面图中的河流图层加载到ArcGIS中，提取河流图层和等高线图层的交点，并为这些点添加空间坐标系以获得它们的三维坐标，这样就得到了代表地表水位的大量点元素。

3)对上述离散点进行克里金插值，得到一个初步的地下水位栅格图，记为栅格1。

4)从初步得到的地下水位栅格图中查找钻孔和泉点的地下水位估计值，然后用实测的地下水位值减去估计的水位值以得到误差。接下来，以钻孔和泉点实际空间位置的X和Y坐标作为新的X和Y坐标，以误差值为Z坐标来创建新的点要素。对这些点进行克里金插值，得到误差栅格图，记为栅格2。

5)使用ArcGIS的栅格计算器，叠加栅格1和栅格2，得到修正后的地下水位栅格图。将其导入ArcScene并进行拉伸，就生成了最终的地下水位三维效果图。

3 实际案例研究

3.1 云南老营隧道概况

宝山至泸水高速公路位于云南省西北部，老营特长隧道是该高速公路上的一个控制工程，跨越多个区域断层。隧道周围有较多饮用水源。由于隧址区的地质构造和水文地质条件复杂，所以需要对隧址区进行特殊的水文地质调查，以评估地表水和地下水的影响。

3.2 空间分析

数字高程模型简称为DEM，是通过有限的地形高程数据对地面上的地形进行数字模拟而得到的模型。地下水位三维效果图的建立采用2.2节提到的方法。在提取河流和等高线的交点之后，操作人员可以查看属性表中交点的三维坐标。克里金插值校正的详细数据如表4所示。最后，在ArcScene中生成的地下水位三维效果图如图1所示，使用识别工具点击任意空间点，可查看该点的地下水位值。

表4 克里金插值校正结果

隧道线路图层可用于生成地下水位剖面图。首先，要将代表隧道的线要素从二维转换为三维，然后把“输入表面”设置为“栅格3”。点击3D Analyst工具条上的剖面图标按钮，ArcGIS会沿隧道线路生成地下水位剖面线，如图2所示。横坐标表示隧道里程，纵坐标表示高程。由图2可知，隧道东侧的含水情况较为复杂。在隧道施工过程中，应采取相应的防排水措施，例如：在初期支护背后埋设盲管引排，在型钢间留置排水槽等等。

4 结论与展望

通过分析可以得出以下结论：1)数据标准化可使数据以统一的格式进行存储和调用，确保工程管理更加高效有序;2)GIS作为一个数据仓库，可以为工程数据的查询和显示带来方便;3)通过绘制沿隧道的剖面线，可以判断隧道的含水情况，从而制定合理的隧道排水措施。

本文还存在一些需要进一步研究与改进的方面，笔者建议：1)岩石隧道水文地质数据的分类编码有待进一步完善，以加强数字化管理;2)在隧道工程的整个生命周期内实现数据的标准化和信息的动态监测，而不仅仅局限于一个特定的阶段;3)结合云GIS服务，有效利用地理空间信息，并采用相应的智能控制手段，实现广泛的数据共享。