湖泊水库垂向水质变化三维等值线图绘制研究

李璇　马卫星　潘梅

摘  要：以西安某大型水库为例，介绍了水质数据的规范化处理过程及如何利用Surfer软件绘制湖泊水库垂向水质变化三维等值线图的方法。结果表明，以相对高程为基准对无效插值数据空白化处理能很好反映实际水位及水质变化，得到的三维等值线图既简单又直观的反映了实际水体水位、水质变化问题，结果真实准确，为科技论文的撰写投稿、湖泊水库的运行、管理与决策提供依据和支撑。

关键词：垂向水质变化;三维等值线图;数据处理;图形绘制

中图分类号：TV145.2       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）31-0011-05

Abstract： Taking a reservoir in Xi'an for example， this paper introduces standardized treatment processes of water quality data and how to use Surfer software to draw three-dimensional contour map of vertical water quality change in lakes and reservoirs. The results show that relative elevation selected as the benchmark for blanking invalid data area can reflect the actual water level and water quality， and the three-dimensional contour map is simple and can directly reflect the actual water leve land water quality change， with accurate results， which can provide a scientific and theoretical basis for thesis writing and submission， as well as the operation， management and decision of lakes and reservoirs.

Keywords： vertical water quality; three-dimensional contour map; data processing; graph drawing

目前湖泊水庫已成为大部分城市的主要供水水源，其对水质要求比较高。由于湖泊水库的自身特点，其水质也在不断的变化，直观地掌握和了解湖泊水库的水质变化，对于保障安全供水具有重要的现实意义。

目前湖泊水库所面临的水质问题具体可概括为：

（1）水体分层阻碍溶解氧传质、造成底部缺氧：由于湖泊水库水深较大，热量传递困难，形成水体的温度分层，阻碍了垂向溶解氧的传质，在底层水体和沉积物的双重耗氧作用下，造成底部水层呈现厌氧和无氧状态[1-2]。

（2）厌氧环境导致沉积物中污染物释放：厌氧或无氧条件下将导致湖泊水库底泥沉积物中的氮、磷、铁、锰等污染物的释放，有机物发生厌氧分解导致色度升高、嗅味异常，底层水质恶化[3-4]。

（3）自然混合导致水质呈周期性污染：分层型湖泊水库随气温变化，每年会发生一次或两次（北方冰封型）的自然翻转混合，水体周期性自然翻转混合时会将厌氧状态下释放于底层水体的大量污染物与上层水体产生混合，导致湖泊水库水质的周期性污染[5]。

（4）流动性差及营养盐的内源/外源补给引发藻类大量繁殖：湖泊水库流动性差，水体停留时间长，加之自然混合后氮磷营养源的补充与汇流补给，为表层藻类的大量繁殖创造了有利条件[6]。

（5）汛期径流造成水质恶化：汛期暴雨径流携带大量营养盐、有机物和泥沙进入湖泊水库，引起水质不断变差、甚至恶化，对水厂净化系统带来一定程度的冲击，直接影响城镇供水安全[7-8]。

由上可见，各种因素的变化会对湖泊水库水质造成影响。随着对生态环境的重视及水源水质要求的提高，越来越多的湖泊水库中会设有自动监测站测量断面水质变化，或者人工定期测量水质变化。如何将监测的结果及时直观的呈现给水管理从业者，让其直观的掌握湖泊水库的水质变化，为管理人员对湖泊水库的运行、管理与决策提供依据和支撑是急需解决的问题。同样，对于科研工作者在论文撰写时也非常重要，部分科技论文中仍将大量数据以点线图的形式呈现[9]。本文以陕西某大型水库为例，介绍如何利用Surfer软件绘制湖泊水库垂向水质变化三维等值线图。

1 Surfer软件简介

Surfer是美国Golden Software公司编制的一款绘制三维图（等高线）的软件，该软件已经成为用来处理XYZ数据的首选软件，其可以轻松制作基面图、数据点位图、分类数据图、等值线图、线框图、地形地貌图、趋势图、矢量图以及三维表面图等，同时其可以提供包含所有常用的数据统计计算方法在内的11种数据网格化方法，可以识别处理各种流行的图形图像文件格式，具有很强的兼容性。Surfer具有的强大插值功能和图形绘制能力，被广泛的应用于测绘[10-12]、气象[13]、水文[14-16]等相关领域，但是其在水质变化中的应用较少。

下面以湖泊水库垂向水温变化为例，说明在取得原始测量数据后，如何快速实现湖泊水库垂向水温随季节变化的表达，其他水质参数如溶解氧、浊度等绘制原理相同，在此不赘述。

2 湖泊水库垂向水温三维等值线图绘制

2.1 基础数据的准备

通常在湖泊水库中均设有自动监测站测量断面水质变化，当无自动监测站时亦可以人工定期测量水质变化。得到的每次水质测量结果如表1所示。

每次数据测量完毕，我们将得到一张水质监测结果见表1。若干次测量后，我们将得到许多张水质监测结果表，如何将许多张水质监测数据直观的在一张图上清晰的表达出来，供管理决策人员使用，对数据的处理过程尤为重要。

表1 水质监测结果

利用 Surfer 软件绘制垂向水温等值线图时，首先要将实测的实验数据，转变成软件可以识别的Grid网格化格式。

Surfer软件绘制经典等高线图时所需要输入的数据格式为{X，Y，Data}，其中X、Y 为测点坐标，Data 是测点的高程（m）。同理，在绘制湖泊水库垂向水温三维等值线图时，将X赋值为时间（可以令测量第一天X=1，其他测量时间X值随天数顺延），Y赋值为水质监测时每个测量点位的高程，Data赋值为在对应时间、点位高程条件下的水质参数。

点击File-New-Worksheet新建一个工作表，将所需要的数据复制到工作表中，在数据粘贴时需注意将取样时间换成一年中的第几天，将水深换算成高程，依次将取样时间放入第一列，每次取样时取样点位高程放入第二列，温度数据放入第三列，按照取样时间将水质参数依次放入worksheet中形成数据文件，将数据保存为.dat格式的文件。

2.2 规范性文件的生成

水质实测数据一般为不规则分布，在绘制垂向水温三维等值线图时需借助surfer软件，选用一定的内插方法对实际测绘获得的不规则分布的原始数据进行离散数据格网化，生成规则的格网文件。Surfer软件提供了“Inverse Distance to a Power（反距离加权插值法）”“Kriging（克里金插值法）”“Minimum Curvature（最小曲率法）”等12 种内插方法，缪坤[17]等研究发现克里金插值法（ Kriging）标准偏差最小，因此在高程数据内插计算中该方法内插效果也最好，本例选用克里金插值法。

打开菜单Grid- Data，在open对话框中选择刚保存的.dat格式的数据文件打开。在打开的对话框中，“Data Colums”显示X、Y、Z列和数据的对应关系，也列出了需要进行网格化的数据，“Griding Method”表示网格化方法，选择Kriging（克里格插值法）方法，“Output Grid File” 表示输出网格文件位置，需输入文件名得到.grd的网格文件， “Grid Line Geometry” 表示网格线参数，需设置X方向、Y方向的最小值、最大值、网格间距、网格行数，一般使用默认值就好，但当某一项网格行数较少时，需注意适当调整，以调整完X、Y方向的网格间距大小接近为好。点“Ok”，就可以生成同文件名的.grd文件。至此，基础数据已经转变成软件绘制所需要的规范性网格文件。

2.3 湖泊水库垂向水温三维等值线图形绘制

规范性网格文件准备好之后，在surfer界面下，点击 Map-Contour Map-New Contour Map，在open Grid界面中打开刚生成的.grd文件，即可初步获取等值线如图1所示。

初步获取等值线图以后，可以发现之前没有数据的区域由于在数据网格化过程中进行了插值计算，也得到了相关数据，此部分数据为虚数，没有任何意义，此部分数据需要以空白填充。

2.3.1 绘制等值线图空白区域

一般来说，在不考虑底部淤积的情况下，固定采样点底部高程不变，不过随着入库/出库水量的变化，水库水位和采样点相对水深随着时间的变动是改变的，而不少科技论文在写作时未考虑水位变化[18-19]，所以在绘制等值线图时一般将测量点位水深转变成相对高程值，这样绘制出的图形比较精确，而且在垂向水质变化三维等值线图上方应该有水位变化曲线，水位变化曲线上方应该为一段空白填充的区域。

绘制空白区域前需准备相应的空白文件，空白文件是由一个封闭多边形的一系列X，Y坐标值组成，而且空白散点所组成的多边形必须闭合。空白文件对格式有明确的要求，第一行为标志行，它的第一个数字表示下边的点数，第二个数字是边的标志符，如果边的标志是0，多边形外边的网格单元被空白，如果边的标志是1，多边形里的网格单元被空白。

以每天8点水位代表当天水位，全年365天共有365个数值（绘图过程中以实际天数为准，且其数值和surfer基础数据里面的X值对应），其中第1天和第365天各有两个数值，在数列的最末端应该还有第1天的高水位数值以让多边形封闭。实际水位以上空白的数列实例如表2所示。

空白文件制作方法：点击 File-New-Worksheet 新建一个工作表，将上述所需要的数据复制到工作表中，将数据保存为.bln格式的空白文件。

空白区域绘制：点击Map-Base Map，在“Import File（输入）”对话框中打开刚创建的.bln格式的空白文件，创建一个包含多边形的底图，因此在输入底图的过程中不点选“Areas to Curves”复选框。点击Edit-Select All，再选择菜单命令“Map-Overlay Map（叠置图）”，将等值线图和底图被合并成一个叠置图。双击空白区域底图，弹出属性管理器。在“Base  Map（底图）”选项卡下的“Fill（填充）”属性中指定空白区域底图的边界线及填充属性。单击“OK”按钮，就发现空白区域已经得到了填充。

2.3.2 图形属性的进一步设置

在繪图窗口的等值线图区域里双击该图，弹出“Contours Properties”对话框，可以进行包括General（常规）、Levels（等级）、View（查看）、Scale（比例）、Limits（限制）、Background（背景）等内容的设置。

（1）修改等值线图长宽比例

在Scale（比例）选项卡中可以修改等值线图的长宽及比例，去掉复选框“Proportional XY Scal”，去掉XY轴比例因子，可以设置等值线图的尺寸，以绘制长6英寸、宽4英寸图形为例，将X scale设置为6in，Y scale设置为4in即可。点击OK按钮即可完成图片长宽的改变。

（2）修改等值线图等级

在Levels（等级）选项卡中显示了等值线图等级和等值线图属性，可以对等值线的Level（等级）、Line（线条）、Fill（填充）、Label（标注）、Hach（影线）等内容进行设定。

可以根据需要修改等值线图的范围和间隔。单击“level”按钮，在Contour Levels选项里设置等值线图的Minimum（最小值）、Maximum（最大值）、Interval（间隔）。

点击“Line”双击某一个对应等级下的line，可修改单个元素等值线图等级，在等值线图上强调显示某个等值线图的等级，可以改变此条等值线的Style（风格）、Color（颜色）和Width（宽度）。

（3）对等值线图填充颜色

在General（常规）选项卡中，可以通过对Fill Contours（填充等值线图）、Smoothing（平滑）等进行设置。点击“Fill colors（填充）”和“Color Scale（彩色比例尺）”可以将等值线图以颜色填充和生成彩色比例尺。在Levels（等级）选项卡下，单击“Fill（填充）”按钮，在弹出的Fill对话框中可以实现对等值线图颜色的填充。

单击“Foreground（前景色）”按钮，则弹出“Color Spectrum（色谱）”对话框。在此对话框中可以实现给特定的数值分配颜色，可以通过按住“Ctrl”用鼠标点击色谱图的方式增加锚点，点击增加的锚点后可以通过右侧的Value调整数值，也可从调色板里选择颜色，在对话框里给特定的数值分配颜色。

单击“OK”，返回“Fill（填充）”对话框，可以看到“Foreground（前景色）”按钮颜色分等级出现。单击“OK”，在“Map：Foreground（前景色）”对话框里的填充颜色被更新。单击“OK ”，即可看到个等级之间填充颜色的等值线图。

（4）更改等值线图标志

在等值线图上右击鼠标，在弹出的菜单中选择“Edit Contour Labels（编辑等值线图）”，就会发现绘图窗口中鼠标箭头变成黑色的箭头表明处于编辑模式，右击其中的某一等值线图标志，按Delete可删除该标志，也可通过左击按住拖动以改变其在等值线图上的位置。若要增加某一等值线图标志时，可按住Ctrl键，在需要添加等值线标志的等值线上单击左键。按Esc可退出编辑等值线图标志模式。

（5）更改坐标轴属性

Surfer绘制的等值线可以提供上下左右四个方位的坐标轴，双击其中的任意一个坐标轴或者右击坐标轴选择Properties（属性），可以对图形的Axis属性，包括常规、刻度、比例、网格线等属性进行设定。以底部X轴为例， 在底部X轴上双击，则弹出“Map： Bottom Axis Properties（地图：底部坐标轴属性）”属性管理器，在“General（常规）”选项卡下“Title（标题）”编辑栏可以输入底部坐标轴的名称、offset（偏移）、Font（字体）、Angle（角度）等的设置。在“Ticks（刻度）”选项卡中可以设置Major Ticks（主刻度）、Minor Ticks（次刻度）的刻度线位置和刻度线的长度。在“Scaling（尺度）”选项卡下，可以设置坐标轴刻度之间的间隔。

横坐标是数字，在图形完成之前需将其转化为对应的日期，双击X轴，在弹出“Map： Bottom Axis Properties”对话框中，点击“Scaling（尺度）”选项卡下，将主坐标轴Major设置为30。将对应日期的时间通过文本的形式卸载对应的刻度线下。

（6）保存和导出等值线图

在等值线图绘制完成以后，可以将地图以“*.srf”格式保存，需要导出绘制的等值线图时，点击File-Export在保存类型中选择所需的格式导出，在输出过程中还可以对图形的属性进一步的设置。例如输出“.jpg”格式图片时，保存类型选择“JPEG Compressed Bitmap（*.jpg）”格式，输入文件名保存后会弹出设置对话框，可以设置“Bitmap size in pixels（位图大小）”“Dots per inch（每英寸点数）”和“Quality（图片质量）”，还可勾选“Maintain aspect ratio（维持纵横比例）”“Automatic compression（自动压缩）”等。

生成的三维等值线图如图2所示，图2表示了固定点位垂向水温随时间变化，图形简洁明了。横坐标为时间，纵坐标为高程，右侧为温度条带以不同的颜色表征不同的水温，在等值线图上方可以直观看出水位随时间变化。三维等值线图表达的信息完整，图形简洁易懂，对于即使不是环境专业的管理人员也能够从图形上直观看出监测点位不同时间、不同水深位置水体水温变化，对于科研工作者来说，在撰写科技论文/报告时也非常实用。

对于其他水质指标，如在绘制垂向溶解氧三维等值线图时，步骤与上述类似，将温度换成对应的水质指标即可。

3 结束语

在利用Surfer软件绘制湖泊水库垂向水质变化三维等值线图时，首先要对实测的实验数据进行规范化处理，水库水位和采样点相對水深随时间是变动的，需将测量点位水深转变成相对高程值，在对数据进行离散化处理时尽量采用克里金（Kriging）插值法以保证插值数据的准确性。在对数据规范化处理后初步获取等值线图，需用空白文件对图中的虚数进行填充，空白文件下方边界即为实际水位变化。

使用Sufer软件绘制垂向三维等值线图，为研究人员提供了一种简便绘制三维图形的方法，得到的图形能更直观、更充分的表现数据特征。是研究人员能够快速、准确的掌握水质的变化，从而得到更科学的分析结果。

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