基于GIS的地下水流可视化模拟系统研究-以常州市区与武进市地区孔隙地下水流模拟为例

基于GIS的

地下水流可视化模拟系统研究

—以常州市区与武进市地区孔隙地下水流模拟为例

汇报人：杨旭GIS博士生论坛

论文汇报内容一、选题背景与研究意义二、国内外研究现状三、研究区域地下水流概念模型四、GIS与地下水流模拟模型的集成

五、地下水流可视化模拟系统的组成

六、各功能模块的管理内容及实现方法七、结语

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的一、选题背景与研究意义

〔1〕地下水不仅是一种珍贵的资源，同时也是复杂的生态环境系统中的一个敏感的组成因子之一，地下水的变化往往会影响生态环境系统的天然平衡状态〔2〕过量开采地下水，造成地下水水位下降，会诱发以下四大方面的环境地质问题：区域性地下水降落漏斗、地面沉降、海水入侵、水质恶化等1、研究背景〔3〕基于GIS的地下水流可视化模拟系统研究，既迎合目前“数字地球〞的浪潮和社会各行各业利用信息化管理的开展趋势，又可以为地下水资源合理开发利用规划提供辅助决策支持

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的

基于GIS的地下水流可视化模拟系统研究，就是将专业应用模型——地下水流模拟模型与GIS进行有机的集成，形成地下水资源管理的空间辅助决策支持系统。在该系统中可实现地下水流模型的可视化空间离散、参数自动赋值、模型的可视化拟合以及模拟结果的2D、3D的可视化表达，对地下水资源的科学管理具有较大的现实意义。一、选题背景与研究意义2、研究意义

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的

论文汇报内容一、选题背景与研究意义二、国内外研究现状三、研究区域地下水流概念模型四、GIS与地下水流模拟模型的集成

五、地下水流可视化模拟系统的组成

六、各功能模块的管理内容及实现方法七、结语

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的二、国内外研究现状GIS在地下水流模拟研究中应用始于20世纪80年代后期，随着GIS的开展，越来越多的基于GIS的地下水模型商业软件系统开始出现，主要用于对地下水流模拟所涉及的空间数据进行管理和专题制图，其中国外较著名的软件有：加拿大Waterloo水文地质公司的主要运用于地下水流和溶质运移模拟的VisualModeflow、美国GroundwaterModeling，Inc.公司的FEFLOW软件与美国地质调查局开发的专门用于孔隙介质中地下水流动数值模拟软件的MODFLOW，其中MODFLOW已经在全世界范围内，在科研、生产、工业、环境保护、城乡开展规划、地下水资源科学管理等许多行业和部门得到了广泛的应用，它目前已经成为最为普遍的地下水流数值模拟软件。

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的二、国内外研究现状现状分析上述已开发的地下水流模拟系统中，虽然具备了含水层2D甚至3D可视化、含水层空间自动离散、人机交互式参数赋值、模拟结果的可视化等功能，但GIS在地下水流模拟系统中的应用仍滞步于图层的管理以及一些专题图的制作，在空间分析、地下水流场模拟、计算参数的自动赋值、模拟模型的可视化识别、水文地质体、地下水动态以及模型运行结果的三维可视化等方面的功能较弱，地下水流模拟系统空间辅助决策支持功能受到了限制。因此，建立基于GIS的地下水流可视化模拟系统，从空间分析、地下水流场模拟、计算参数的自动赋值、模拟模型的可视化识别，水文地质体、地下水动态、以及模型运行结果的三维可视化等方面完成GIS与地下水流模拟模型的集成，提高地下水流模拟过程可视化程度，从而提高地下水流模拟系统的空间辅助决策支持功能。

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的

论文汇报内容

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的一、选题背景与研究意义二、国内外研究现状三、研究区域地下水流概念模型四、GIS与地下水流模拟模型的集成

五、地下水流可视化模拟系统的组成

六、各功能模块的管理内容及实现方法七、结语三、研究区地下水水流概念模型1、评价区地理位置

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的2、评价区含水层分布根据松散岩类各含水砂层的时代、沉积环境、埋藏分布，水化学特征及彼此间水力联系，将区内200米以内含水砂层划分为四个含水层〔组〕，自上而下，依次划分为潜水含水层和I、II、III三个承压含水层〔组〕。含水层垂向分布呈多层状展布、各自组成独立含水层体，但从区域网络来看，彼此间又互相沟通，水平方向存在水力联系，形成区域地下水赋存空间，呈立体网络交错，组本钱区地下水系统。本区以开采第II、III承压水为主，本次地下水资源评价的数值模拟以这两层地下水作为评价目的层，由于区内多数地方II、III承压含水层之间的隔水层缺失，两层含水层连为一体，加之区内多数水井采用两层水混合开采方式，使得这两层水上下贯穿，其水位根本一致，实际上已属于同一层位，故本次地下水资源评价将这两层水合并考虑，建立统一的模型进行评价计算。三、研究区地下水水流概念模型

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的三、研究区地下水水流概念模型

3、边界条件

第II、III承压含水层底部边界概化为隔水边界，其顶部边界概化为有越流补给的弱透水边界，其越流补给量随开采层水位变化而变化。4、动态特征评价区主要以人工开采排泄为主，其开采量按实际单井开采量计算，在水井分布密集地区，概化为大井计算，在超强度开采分布区〔如常州市区〕，那么概化为单位面积上的开采强度计算。从地下水动态观测资料中可以看出，评价区第II、III承压含水层地下水水位逐年下降，水流呈非稳定状态，为此，本次评价将地下水含水介质概化为非均质各相同性，水流符合达西定律，全区可视为平面二维流。

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的三、研究区地下水水流概念模型5数学模型的建立由于评价区近年来地下水开采强烈，已形成大范围的水位降落漏斗，尤其在漏斗中心区横林、戚墅堰、洛阳一带，水位埋深超过80米，最深处横林镇达88.2米，地下水水位在这些地区已低于含水层顶板，呈现无压状态，因而本次评价区含水层的水量数学模型建立如下〔公式3-1〕：

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的一、选题背景与研究意义二、国内外研究现状三、研究区域地下水流概念模型四、GIS与地下水流模拟模型的集成

五、地下水流可视化模拟系统的组成

六、各功能模块的管理内容及实现方法七、结语

论文汇报内容

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的四、GIS与地下水流模拟模型的集成集成式二次开发是目前GIS应用模型系统的主流开发方式，本系统以北京超图开发的SuperMapIII和RSI公司的开发的IDL5.4作为GIS软件平台，由于地下水流模拟模型的计算程序是用Fortran编写，且基于DOS和过程驱动，因而GIS与地下水流模拟模型集成方式选用Import/Export方式，即GIS控件与地下水流模拟模型两者之间不直接发生联系，只通过VisualBasic6.0集成为完整的系统，并通过VB的程序模块传递和转换数据。这种集成方式虽然效率比较低，但代价较低。

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的四、GIS与地下水流模拟模型的集成GIS与地下水流模拟模型集成程序运行流程

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的四、GIS与地下水流模拟模型的集成基于GIS的地下水流可视化模拟系统的数据传输途径如下图：

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的一、选题背景与研究意义二、国内外研究现状三、研究区域地下水流概念模型四、GIS与地下水流模拟模型的集成

五、地下水流可视化模拟系统的组成

六、各功能模块的管理内容及实现方法七、结语

论文汇报内容

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的五、地下水流可视化模拟系统的组成

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的一、选题背景与研究意义二、国内外研究现状三、研究区域地下水流概念模型四、GIS与地下水流模拟模型的集成

五、地下水流可视化模拟系统的组成

六、各功能模块的管理内容及实现方法七、结语

论文汇报内容

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法

1、评价模型根本信息管理模块模型根本信息管理模块是地下水流模拟模型运行计算的根底，它主要是对模拟的水文地质层根本信息(包括地下水流类型、数值模拟的维数、边界条件、参数分区等内容)、空间时间离散根本信息及输出控制根本信息等的管理。

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法

2、基于GIS的模型时空离散

空间离散

(1)基于GIS的矩形格网自动生成流程

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法

2、基于GIS的模型时空离散空间离散(2)基于GIS的矩形格网自动生成代码……-----**生成水平网格线SetobjRecordset=objDT.Query("",True)DimobjGeoLineAsNewsoGeoLine------------**定义线对象DimobjPointsAsNewsoPoints------------**定义新的点集DimobjPoint(0To1)AsNewsoPoint

Fori=0TonyCount–1--------------**nyCount为网格的行数objPoint(0).x=J0objPoint(0).y=W0+DY*i-----------**起点的经纬度objPoints.AddobjPoint(0)--------------**执行加点的过程objPoint(1).x=J1objPoint(1).y=objPoint(0).yobjPoints.AddobjPoint(1)--------------**同理，加终点objGeoLine.AddPartobjPoints---------**一条水平网格线被加上……objRecordset.Update--------------**记录刷新SetobjPoints=NothingSetobjGeoLine=NothingNext--------------**循环……-----**生成垂直网格线根本过程如上

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法

2、基于GIS的模型时空离散

空间离散基于GIS的矩形格网自动生成的参数输入界面及其离散结果

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法

2、基于GIS的模型时空离散时间离散时间参数的离散相对于评价区域水文地质层的空间离散来说比较简单，只要输入模型所需要的时步信息即可，时间离散的数据将保存到modtime.dat文件中，运行界面如下图。

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法

3、基于GIS的模拟模型计算参数赋值评价模型计算参数按其空间分布特征分类一览表参数类型计算参数点状分布参数地下水开采量等线状分布参数边界类型、边界水位、河流水位、河床渗透系数、河床高程等面状分布参数评价目的层的顶、底板高程，初始水位、湖盆的渗透系数、湖盆的高程、含水层的渗透系数、导水系数、承压含水层的贮水系数、潜水含水层的给水度、降水入渗系数、潜水极限蒸发深度、弱透水层的垂向渗透系数等

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法3、基于GIS的模拟模型计算参数赋值

基于GIS的点状空间分布参数自动赋值技术路线

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法3、基于GIS的模拟模型计算参数赋值

基于GIS线状空间分布参数自动赋值技术路线

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法3、基于GIS的模拟模型计算参数赋值

基于GIS的面状空间分布参数自动赋值技术路线

(1)平面等值线图

与线状空间分布参数赋值的技术路线一致

(2)分区图

参数分区图层的生成参数区与剖分格网之间的空间位置拓扑关系分析面状分布参数的自动提取与数据文件组织

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法3、基于GIS的模拟模型计算参数赋值

实现界面

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法3、基于GIS的模拟模型计算参数赋值运行模型(1)控制子程序包赋值的输出：控制输出的文件和输出频率，输出控制文件保存到OutPut.dat文件中。(2)模型运行：确定收敛指标

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法4、基于GIS的模型拟合模型拟合流程

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法4、基于GIS的模型拟合基于点的模型拟合方法实现调用地下水位监测井空间位置分布专题图与模型空间离散的平面网格图，叠加后进行空间拓扑关系分析；定义每个水文地质层参与模型拟合的监测井点以及模型拟合的时段，从数据库中提取监测井点上拟合时段地下水位监测值；运行模型并提取拟合井点所在单元格中心节点上的计算水位值与；在同一坐标中自动绘制地下水位的实测与计算值的历时过程曲线，并进行比较，判断其拟合精度。

地下水流可视化模拟系统研究基于GIS的六、各功能模块的管理内容及实现方法5、模拟结果可视化(1)单个节点上的地下水位〔或水位降深〕动态过程曲线〔H—t或h—t〕:采用VB的Graphics控件实现

地下水流可视化模拟系统研究