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【摘 要】 城市地质信息管理与服务系统是三维城市地质工作成果展示的重要平台。本文以某城市为例，在该城市地下水模型的基础上，充分剖析MODFLOW数据格式，在城市地质三维平台上基于MapGIS K9技术，开发了对MODFLOW数据的展示及相应的编辑功能。利用MapGIS在数据采集、编辑、属性管理、可视化以及存储方面的优势，实现了对MODFLOW文件加载的无缝支持。
【关键词】 地下水模型；城市地质；三维平台；mapgis耦合
1 前言
三维城市地质调查是我国地质领域近年来兴起的一项工作，是在区域性、专门性地质调查工作基础上，将地质数据与2D GIS和3D GIS功能集成于同一平台实现信息管理和多维显示的工作。建立城市地质信息管理与服务系统是城市地质调查项目的目标之一，该系统集基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质等多源多尺度三维地质数据输入、管理、分析、可视化和网络发布等功能于一体，满足城市三维地质调查数据管理、分析、评价等多方面的需求，为工程技术人员提供城市地质信息平台，为城市规划、建设与管理以及企事业单位用户对地质信息的需求提供一个基础服务平台[1，2]。
当前，国内外已有学者作了一些地下水模型与GIS整合应用的研究。如美国Heinzer T等人[3]利用GIS开发了地下水流模型的图形用户界面，允许在GIS环境下建立基于MODFLOW 的地下水流模型，模型网格、输入输出数据都可以存为独立的栅格数据组。Tsou M S等人[4]在Arcview的界面环境下集成了地下水流模型MODFLOW和溶质运移模型MT3D。刘明柱等人设计了基于C/S 结构的地下水资源评价模型与GIS 集成，将其应用于哈尔滨市水资源管理，极大地提高了地下水资源评价的效率[5]。本文基于MapGIS K9平台，开发支持MODFLOW文件加载的功能，创建相关的二维、三维GIS对象，可以高效的发挥MODFLOW的数值模拟计算优势和MapGIS数据管理和可视化的优势，为水文地质工作者提供更有力的工具，也为地下水管理的进一步信息化和公开化提供了好的平台。
2 地下水模型文件
一个完整的地下水模拟过程包含三个部分：輸入、核心计算和输出，如图2-1。模型的输入信息按照描述模型的功能分为不同的文件，各个文件单独记录有关地下水模型建立所需的参数，如确定模型结构的离散文件（DIS）、描述含水层性质的参数文件（LPF）、揭示研究区二类边界文件（GHB）、面状补给量文件（RCH）、观测井文件（OBS）、开采井文件（WEL）、输出控制文件（OC）、计算方法文件（PCG）等。另外，每次MODFLOW模拟都会产生三个二进制输入文件和一个ASCII 输出文件，分别是二进制水头文件（模型名称.HDS）、二进制降深文件（模型名称.DDN）、二进制地下水流动文件（模型名称.BGT）以及ASCII列表文件（模型名称.LST）。二进制文件包含每个网格单元的水头、降深和地下水流动的交换量，ASCII 列表文件则包含操作MODFLOW的相关信息和模拟结果。正确读取以上模型文件才能保证地下水模型在城市地质三维平台的表达。
3 平台嵌套地下水模块的功能设计
提交多个地下水应急水源地备选方案，提出利用地下水作为城市应急供水的可行性论证，是城市三维地质调查重要的专业成果之一。应急水源地的可行性论证是建立在地下水流模型基础上完成的。本次工作中，算例城市地下水流数值模拟选取2006年9月15日-2007年9月15日的水位资料进行地下水模型的识别，然后根据识别的结果对应急备用地下水源地的几项规划方案启用后的影响作出初步预测。在城市地质三维平台中嵌套地下水模块就是为了将各类应急方案更为直观和流畅地展示出来。该模块的界面设计如图3-1所示。从图中可以看到，模块主要分成两大部分，即地下水数值模拟识别模型和应急方案。其中，地下水数值模拟识别模型部分展示模型的空间离散、源汇项的给定、参数的给定以及模型识别的研究区流场。应急方案部分展示3套应急方案各自的方案说明、开采井分布及开采量、水位预测和降深预测。整个模块的优点在于既能摆脱专业模拟软件操作复杂的限制，又能充分利用专业模拟软件更为精准的计算优势。
4 基于MapGIS K9平台的数据展示
本次研究主要是基于MapGIS K9平台的地下水数值模拟前、后处理。平台显示的数据类型主要包含以下几种：研究区三维模型、剖分网格、含水层参数、面状补给、开采井、观测井、水位等。对于参数和源汇项除了有查看功能外还提供数据修改功能。下面做具体介绍：
（1）三维模型展示及网格剖分
平台可对研究区地下水流系统进行三维空间展示（图4-1），并显示网格剖分效果图（4-2）
（2）含水层参数
以渗透系数为例，平台可以分区图的形式（图4-3）展示地下水流数值模拟使用的参数值，使用户直观地掌握参数的分布规律，同时平台还提供框选功能，精确查询相应的参数值（如图4-4）。
（3）初始水位
平台可以分别以等值线图（图4-5）、流场矢量图（显示水流方向和流速，图4-6）和水流变化三维动态展示（图4-7）等形式展示研究区水位的情况。
（4）面状补给量
平台可以分区图的形式展示渗透补给量，同时可精确查询相应的补给量，与参数类似。
（5）侧向交换量
平台可统计研究区选定侧向交换井在整个模拟时间内的水量交换（图4-8）。
（6）开采井、观测井
平台可展示研究区所有开采井、观测井的分布情况（二维示意图4-9、三维示意图4-10），图中青色圆点表示观测井所在位置、绿色圆点表示该层含水层活动单元网格中心位置、周围的红绿圆点表示边界虚拟井。此外，系统还可对虚拟井、观测井进行相应的编辑，如图4-11、图4-12，编辑的结果同步更改MODFLOW相应的文件。 （7）水位拟合效果
平台可展示各观测孔观测水位和模型计算水位的拟合情况（图4-13）
本次工作开发的地下水模型和城市地质三维平台的耦合模块，基于MapGIS K9平台对MODFLOW的输入数据，初始水位、参数、源汇项进行展示以及相应的编辑；对MODFLOW的模拟结果，水位、降深和地下水资源均衡列表进行相关形式的展示。充分利用了MapGIS平台在数据采集、编辑、属性管理、可视化以及存储方面的优势，无缝支持MODFLOW文件加载。
5 结论
信息化如今已成为城市地质工作的主流模式。“三维城市地质信息管理与服务系统”的建设，为专业技术人员和管理者提供规范化、综合化、自动化的计算机基础工作平台，同时也是城市地质工作与政府及社会需求之间的桥梁，使城市地质工作更好地向政府及社会提供服务。本文以水文地质工作为切入点，在三维城市地质信息管理与服务系统平台上，实现了地下水模型与平台的耦合。本项工作得出以下几点结论：
（1）在地下水模型的基础上，通过剖析MODFLOW源程序的结构以及程序運行特点，建立了模型的输入输出文件和城市地质信息管理与服务系统数据库系统的转化关系，实现了城市地质三维平台的展示数据与地下水模拟软件使用的数据之间的联动。
（2）地下水模型与城市地质三维平台的耦合，可以更便利地更新源汇项、水文参数以及地下水资源评价结果等数据资料，丰富了城市地质信息管理与服务系统中水文地质模块的功能，既可避免在城市水文地质工作中很有可能出现的重复工作量，又能更准确地掌握城市的地下水变化情况，为地下水资源信息化管理提供了更好的平台。
参考文献：
[1]金江军，潘懋，赖志斌等.城市地质信息系统及其应用.信息技术，2006，（4）：17～19.
[2]史玉金.上海城市地质调查成果在城市规划中的应用.2010年城市地质国际学术研讨会论文集，2010：48.
[3] Heinzer T，Hansen DT.Development of a Graphical User Interface in GIS Raster Format for the Finite Difference Ground—Water Model Code，MODFLOW.American Society for Testing and Materials 1996：239～249.
[4] Tsou MS，Whittemore DO.User interface for ground—water modeling：Arcview extension.Journal of Hydrologic Engineering.2001，6（3）：251～258
[5] 刘明柱，陈艳丽，胡丽琴等.地下水资源评价模型与GIS的集成及其应用研究[J].地学前缘，2005，12（增刊）：127～131.
【关键词】 地下水模型；城市地质；三维平台；mapgis耦合
1 前言
三维城市地质调查是我国地质领域近年来兴起的一项工作，是在区域性、专门性地质调查工作基础上，将地质数据与2D GIS和3D GIS功能集成于同一平台实现信息管理和多维显示的工作。建立城市地质信息管理与服务系统是城市地质调查项目的目标之一，该系统集基础地理、基础地质、工程地质、水文地质、环境地质等多源多尺度三维地质数据输入、管理、分析、可视化和网络发布等功能于一体，满足城市三维地质调查数据管理、分析、评价等多方面的需求，为工程技术人员提供城市地质信息平台，为城市规划、建设与管理以及企事业单位用户对地质信息的需求提供一个基础服务平台[1，2]。
当前，国内外已有学者作了一些地下水模型与GIS整合应用的研究。如美国Heinzer T等人[3]利用GIS开发了地下水流模型的图形用户界面，允许在GIS环境下建立基于MODFLOW 的地下水流模型，模型网格、输入输出数据都可以存为独立的栅格数据组。Tsou M S等人[4]在Arcview的界面环境下集成了地下水流模型MODFLOW和溶质运移模型MT3D。刘明柱等人设计了基于C/S 结构的地下水资源评价模型与GIS 集成，将其应用于哈尔滨市水资源管理，极大地提高了地下水资源评价的效率[5]。本文基于MapGIS K9平台，开发支持MODFLOW文件加载的功能，创建相关的二维、三维GIS对象，可以高效的发挥MODFLOW的数值模拟计算优势和MapGIS数据管理和可视化的优势，为水文地质工作者提供更有力的工具，也为地下水管理的进一步信息化和公开化提供了好的平台。
2 地下水模型文件
一个完整的地下水模拟过程包含三个部分：輸入、核心计算和输出，如图2-1。模型的输入信息按照描述模型的功能分为不同的文件，各个文件单独记录有关地下水模型建立所需的参数，如确定模型结构的离散文件（DIS）、描述含水层性质的参数文件（LPF）、揭示研究区二类边界文件（GHB）、面状补给量文件（RCH）、观测井文件（OBS）、开采井文件（WEL）、输出控制文件（OC）、计算方法文件（PCG）等。另外，每次MODFLOW模拟都会产生三个二进制输入文件和一个ASCII 输出文件，分别是二进制水头文件（模型名称.HDS）、二进制降深文件（模型名称.DDN）、二进制地下水流动文件（模型名称.BGT）以及ASCII列表文件（模型名称.LST）。二进制文件包含每个网格单元的水头、降深和地下水流动的交换量，ASCII 列表文件则包含操作MODFLOW的相关信息和模拟结果。正确读取以上模型文件才能保证地下水模型在城市地质三维平台的表达。
3 平台嵌套地下水模块的功能设计
提交多个地下水应急水源地备选方案，提出利用地下水作为城市应急供水的可行性论证，是城市三维地质调查重要的专业成果之一。应急水源地的可行性论证是建立在地下水流模型基础上完成的。本次工作中，算例城市地下水流数值模拟选取2006年9月15日-2007年9月15日的水位资料进行地下水模型的识别，然后根据识别的结果对应急备用地下水源地的几项规划方案启用后的影响作出初步预测。在城市地质三维平台中嵌套地下水模块就是为了将各类应急方案更为直观和流畅地展示出来。该模块的界面设计如图3-1所示。从图中可以看到，模块主要分成两大部分，即地下水数值模拟识别模型和应急方案。其中，地下水数值模拟识别模型部分展示模型的空间离散、源汇项的给定、参数的给定以及模型识别的研究区流场。应急方案部分展示3套应急方案各自的方案说明、开采井分布及开采量、水位预测和降深预测。整个模块的优点在于既能摆脱专业模拟软件操作复杂的限制，又能充分利用专业模拟软件更为精准的计算优势。
4 基于MapGIS K9平台的数据展示
本次研究主要是基于MapGIS K9平台的地下水数值模拟前、后处理。平台显示的数据类型主要包含以下几种：研究区三维模型、剖分网格、含水层参数、面状补给、开采井、观测井、水位等。对于参数和源汇项除了有查看功能外还提供数据修改功能。下面做具体介绍：
（1）三维模型展示及网格剖分
平台可对研究区地下水流系统进行三维空间展示（图4-1），并显示网格剖分效果图（4-2）
（2）含水层参数
以渗透系数为例，平台可以分区图的形式（图4-3）展示地下水流数值模拟使用的参数值，使用户直观地掌握参数的分布规律，同时平台还提供框选功能，精确查询相应的参数值（如图4-4）。
（3）初始水位
平台可以分别以等值线图（图4-5）、流场矢量图（显示水流方向和流速，图4-6）和水流变化三维动态展示（图4-7）等形式展示研究区水位的情况。
（4）面状补给量
平台可以分区图的形式展示渗透补给量，同时可精确查询相应的补给量，与参数类似。
（5）侧向交换量
平台可统计研究区选定侧向交换井在整个模拟时间内的水量交换（图4-8）。
（6）开采井、观测井
平台可展示研究区所有开采井、观测井的分布情况（二维示意图4-9、三维示意图4-10），图中青色圆点表示观测井所在位置、绿色圆点表示该层含水层活动单元网格中心位置、周围的红绿圆点表示边界虚拟井。此外，系统还可对虚拟井、观测井进行相应的编辑，如图4-11、图4-12，编辑的结果同步更改MODFLOW相应的文件。 （7）水位拟合效果
平台可展示各观测孔观测水位和模型计算水位的拟合情况（图4-13）
本次工作开发的地下水模型和城市地质三维平台的耦合模块，基于MapGIS K9平台对MODFLOW的输入数据，初始水位、参数、源汇项进行展示以及相应的编辑；对MODFLOW的模拟结果，水位、降深和地下水资源均衡列表进行相关形式的展示。充分利用了MapGIS平台在数据采集、编辑、属性管理、可视化以及存储方面的优势，无缝支持MODFLOW文件加载。
5 结论
信息化如今已成为城市地质工作的主流模式。“三维城市地质信息管理与服务系统”的建设，为专业技术人员和管理者提供规范化、综合化、自动化的计算机基础工作平台，同时也是城市地质工作与政府及社会需求之间的桥梁，使城市地质工作更好地向政府及社会提供服务。本文以水文地质工作为切入点，在三维城市地质信息管理与服务系统平台上，实现了地下水模型与平台的耦合。本项工作得出以下几点结论：
（1）在地下水模型的基础上，通过剖析MODFLOW源程序的结构以及程序運行特点，建立了模型的输入输出文件和城市地质信息管理与服务系统数据库系统的转化关系，实现了城市地质三维平台的展示数据与地下水模拟软件使用的数据之间的联动。
（2）地下水模型与城市地质三维平台的耦合，可以更便利地更新源汇项、水文参数以及地下水资源评价结果等数据资料，丰富了城市地质信息管理与服务系统中水文地质模块的功能，既可避免在城市水文地质工作中很有可能出现的重复工作量，又能更准确地掌握城市的地下水变化情况，为地下水资源信息化管理提供了更好的平台。
参考文献：
[1]金江军，潘懋，赖志斌等.城市地质信息系统及其应用.信息技术，2006，（4）：17～19.
[2]史玉金.上海城市地质调查成果在城市规划中的应用.2010年城市地质国际学术研讨会论文集，2010：48.
[3] Heinzer T，Hansen DT.Development of a Graphical User Interface in GIS Raster Format for the Finite Difference Ground—Water Model Code，MODFLOW.American Society for Testing and Materials 1996：239～249.
[4] Tsou MS，Whittemore DO.User interface for ground—water modeling：Arcview extension.Journal of Hydrologic Engineering.2001，6（3）：251～258
[5] 刘明柱，陈艳丽，胡丽琴等.地下水资源评价模型与GIS的集成及其应用研究[J].地学前缘，2005，12（增刊）：127～131.