基于WebGIS的地下水资...设计与实现：以银川平原为例_孟旭晨.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期1文章编号：2095-6835（2023）03-0001-04基于 WebGIS 的地下水资源评价系统设计与实现：以银川平原为例孟旭晨，孙玉芳（宁夏回族自治区水文环境地质调查院，宁夏 银川 750021）摘要：系统采用数据库端、服务器端和客户端的 B/S 这 3 层结构体系，用 SQLServer 构建数据库，以ArcGIS 为平台，完成系统构架，实现相关数据的管理应用、网络共享，采用水均衡法在系统内自动计算银川平原区域的地下水资源量。系统开发有助于相关部门对地下水资源进行快速有效的管理及评价分析，实现对银川平原地下水资源的合理开发利用。关键词：WebGIS；地下水信息系统；水资源评价；银川平原中图分类号：P641.8文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.001地下水作为重要的生态环境因子，是植被生长、湿地保存、人民生活的重要支撑要素，做好水的管理工作对于支撑生态文明建设具有重要作用，建立地下水资源环境信息系统，实现对地下水的科学管理才能确保水资源合理优化配置，保障生态环境健康发展。目前，中国正在大力推进大数据发展应用，促进中国数字经济加快发展，中国地调局已经将信息化工作作为重点工作之一1，明确提出信息化工作将重点加强其应用效果与服务能力，建实地质大数据管理与服务体系，推进地质调查在线化与智能化工作模式。2020年 10 月，由中国地质调查局研究的全国地下水资源评价子系统已经试运行上线2，这为中国地下水资源评价信息化工作提供了一个很好的阶梯。银川平原又称宁夏平原、青铜峡灌区，位于宁夏回族自治区中部，整体地势西高东低，西接贺兰山、东至鄂尔多斯，南至黄土高原，北至石嘴山惠农区，黄河从其中穿流而过，属于典型的温带大陆性干旱、半干旱气候3，区内沟渠纵横，人类活动强烈，是宁夏的经济、文化、政治中心。1系统平台1.1WebGISWebGIS（网络地理信息系统）作为传统 GIS（Geographic Information System，地理信息系统）在Internet 环境中的延伸和发展，是由服务器端与客户端连接组成的一个具有交互式、分布式的 GIS 系统。将地理空间信息网络化，同时可以进行空间数据发布、空间查询与检索、空间模型服务、Web 资源组织等，实现了地理空间数据的资源共享4。1.2ArcGIS ServerArcGIS Server 是 ESRI（Environmental SystemsResearch Institute）开发的面向 Web 空间数据服务的GIS 软件平台，可以独立部署服务器软件，可以将地理制图、地理编码、地理处理、3D 地理数据、要素编辑、网络分析、OGC 支持、数据访问、移动数据提取等地力资源转化为在线服务产品体系5。1.3SQL ServerSQL Server 是由 Microsoft 开发和推广的关系数据库管理系统，具有使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成度高等优点，语言的主要功能是同各种数据库建立联系，进行沟通，是一个全面的数据库平台6。SQL Server 的数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，使用户可以构建和管理用于业务的高可用和高性能的数据应用程序。2系统管理框架2.1系统架构系统总体采用 B/S 结构表达方式，整个系统架构分为 5 个层面，即展示界面、功能应用、应用支撑、基础数据、环境建设，如图 1 所示。同时，在系统框架依托遵循相关安全保障体系和标准规范的前提下，保证系统安全、持续地运行。基金项目宁夏自然科学基金“基于 GIS 的银川都市圈地下水资源环境共享系统建设及关键技术研究”（编号：2020AAC03460）科技与创新Science and Technology&Innovation22023 年 第 03 期图 1系统架构图展示界面是以水文地质单元、行政区划、流域分区这 3 种方式来进行展示，根据不同的区域，展现对应区域的地下水资源情况；功能应用是以均衡法水资源评价为核心，提供各类数据、计算、分析等功能；应用支撑是将系统各类应用通用的功能提炼出来，形成各类专门的功能组件集合，提升系统效率，减少重复开发工作量，确保系统的统一性；基础数据是系统各类基础元数据的集合，如水位数据、水量数据、土地利用类型数据等；环境建设指本系统运转需要的软硬件支撑环境建设。2.2系统配置搭载系统的服务器具体环境配置如表 1 所示，用户所需求的环境配置如表 2 所示。表 1服务器端配置环境要求配置平台要求操作系统Windows Server 2012Web 服务器IIS7.5 或以上版本数据库SQL Server2012 或以上版本GIS 服务器Arcgis for Server 10.0 或以上版本应用软件.Net FrameWork4.0表 2用户端配置环境要求配置平台要求操作系统Windows XP 或以上版本浏览器支持 IE11.0 或以上版本浏览器3银川平原地下水资源评价体系系统采用水均衡法计算平原区的地下水资源量，补给项包括渠系渗漏补给量、渠灌田间入渗补给量、降水入渗补给量、洪水散失入渗补给量和地下水侧向补给量，排泄项包括泄入黄河的地下水流量、排水沟排泄的地下水量、潜水蒸发量、潜水开采量和潜水越流量，并进行水均衡分析和合理性判断，最终计算平原区的地下水资源量和承压水资源量。3.1补给量系统内使用参考水资源补给量具体计算公式及应用数据如表 3 所示。表 3地下水资源补给量计算模型项目使用公式应用数据说明渠系渗漏补给量 Q1Q1=mQ引其中：m 为渠系渗漏补给系数；Q引为每年渠道引水量，108m3渠道引水量渠系渗漏补给系数数值可修改田间灌水渗漏补给量 Q2Q2=q田其中：为灌溉回归系数；q田为每年田间灌溉量，108m3土地利用类型土地利用类型决定田间灌溉量灌溉定额数值可修改灌溉回归系数表数值可修改大气降水渗入补给量 Q3Q3=10-5AF其中：A 为多年平均降水量，mm；为有效降水系数；F 为计算区面积，km2降水量有效降水日降水量大于 10 mm入渗系数分区图按表层岩性进行分区洪水散失深入补给量 Q4Q4=10-5hF其中：h 为每年山洪径流高度，mm；为山前山洪散失渗入补给系数；F 为形成山洪的山区面积，km2汇水区分布矢量图按汇水区提供山洪径流高度山前山洪散失渗入补给系数按地下水资源分区提供潜水开采量按行政区划，采用年统计值地下水侧向补给量（每年为 108m3）Q5Q5=10-8KIHBt其中：K 为渗透系数，m/d；I 为水力坡度，无量纲；H 为含水层厚度，m；B 为含水层宽度，m；t 为时间，采用 365 d断面分布图含水层分区包括厚度及宽度属性等水位线图计算水力坡度渗透系数分区潜水灌溉回渗量 Q6Q6=Q井其中：为灌溉回归系数；Q井为每年潜水开采量，108m3土地利用类型土地利用类型决定田间灌溉量注：为宁夏回族自治区水资源公报、水利公报等公报数据；为中国地调局项目宁夏沿黄经济区水文地质环境地质调查评价应用数据；为宁夏回族自治区气象局收集数据；为宁夏地下水资源评价（第二轮）报告数据；根据经验值、研究资料确定，下表同。展示界面功能应用应用支撑统一规范标准信息安全体系环境建设基础数据水文地质单元 行政区划 流域分区水文地质单元 钻孔信息 水位水量 土地利用类型 渠系分布查询统计 分析评价 成果发布 成果展示 数据维护GIS 服务 评价体系 数据交换网络环境 服务器 安全环境 数据库平台 GIS平台Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 03 期33.2排泄量系统内使用参考水资源排泄量具体计算公式及应用数据如表 4 所示。4基于 WebGIS 的地下水资源评价功能的实现系统采用符合 SOA 体系架构的设计思想，采用组件式开发技术使彼此独立的业务组件通过Web Service、XML 等耦合的通讯方式组织在一起形成完整的业务系统。客户端从数据库中获取输入参数，并将结果返回到 Web 界面端，进行输出结果的可视化显示。系统采用ADO.NET Entity Framework 来实现对数据库的存取，采用异步任务来处理长时间请求，采用O-RMAPPING技术保证公共数据库的可扩展性，采用 XML 和 WebService 作为数据发布标准，采用元数据、数据映射原、原生 XML 数据库等技术实现数据处理。总体来讲，主要实现了以下几个功能：GIS 展示以 WebGIS 的方式对空间数据进行浏览，以图层的形式呈现，直观展示宁夏回族自治区地下水资源环境相关的各类信息及其空间展布情况，包括基础地理数据及专题数据，并可进行放大、缩小、查询、量算、属性查询等功能操作，如图 2 所示。系统可根据后台录入数据，针对某一时间段的地下水水位分区及水位变幅进行差值分析，生成地下水位埋深分区图及水位变幅分区图，并存入系统，以供调用，如图 3 所示。以银川平原所代表的平原区为基准，采用水均衡法计算平原区的地下水资源量，主要根据后台录入数据以图表的形式对地下水资源量计算做统计展示，如图 4所示。计算系数修正界面如图 5 所示。水资源计算结果均衡分析界面如图 6 所示。表 4地下水资源排泄量计算模型项目使用公式应用数据说明排水沟排泄的地下水量 QpQp=Q其中：为排水沟排泄地下水系数；Q 为排水沟每年总排水量，108m3排水沟矢量分布图排水沟排水量年统计值排水沟排泄地下水系数表数值可修改泄入黄河的地下水流量 QhQh=10-8KIHBt其中：K 为渗透系数，m/d；I 为水力坡度，无量纲；H 为含水层厚度，m；B 为含水层宽度，m；t 为时间，采用 365 d排水沟排泄点含水层分区包括厚度及宽度属性等水位线图计算水利坡度渗透系数分区地下水蒸发量QwQw=10-5F其中：F 为计算区面积，km2；为每年潜水蒸发度，mm=0（1/0）n其中：0为每年水面蒸发度，mm；为潜水位埋深，m；0为潜水不被蒸发的极限深度，m；n 为与土壤有关的指数水面蒸发度单站记录年统计值，再按泰森多边形计算分区单元年蒸发度潜水位埋深极限深度银川平原取 3 mn=2经验值潜水开采量 QkQk为潜水开采量潜水开采量按行政区划，采用年统计值潜水越流量 QyQy=3.65FHK/m其中：F 为漏斗面积，km2；H 为漏斗范围内潜水与第一承压含水组水头差，m；K/m为越流系数，1/d漏斗越流系数越流系数分区图水头差潜水和第一承压含水层发布的水位等值线图的水头差值进行计算图 2系统展示界面（宁夏回族自治区水文地质分区）图 3系统自动生成银川平原水位变幅分区图科技与创新Science and Technology&Innovation42023 年 第 03 期图 4渠系渗漏补给量计算界面图 5计算系数修正界面图 6水资源计算结果均衡分析界面5结语本系统以宁夏地下水环境最为复杂，地下水资源最为丰富的银川平原为基准，将地下水资源评价常用的均衡分嵌套进入系统后台，并已录入了土地利用类型、种植结构、地下水含水层岩性，沟渠分布等多个图层数据，且根据前人研究资料提供了默认的水文地质参数经验值。通过这些数据，辅以均衡分析法，系统可以根据不同时间的地下水位等值线图快速计算出该时间的地下水资源量，实现了具有宁夏特色的平原地区地下水资源量的自动评价功能。参考文献：1中国地质调查局总工室.信息化，新时代地质工作的强大引擎：自然资源部中国地质调查局信息化工作综述EB/OL.2022-10-27.https:/ EB/OL.2022-10-27.http:/ WebGIS 的旅游信息系统设计：以泉州为例J.廊坊师范学院学报（自然科学版），2015，15（4）：31-34.5苏建云，黄耀裔，李扬巧.基于 WebGIS 的地下水信息系统的设计与实现：以泉州市为例J.廊坊师范学院学报（自然科学版），2018，18（4）：31-33，42.6百度百科.SQL ServerEB