基于开源WebGIS的地下水模拟平台的设计与实现——以黑河中游骆驼城灌区为例

摘要

黑河流域是中国第二大内陆河流域，位于中国西北干旱区，而黑河中游是位于甘肃省张掖市的农业灌溉绿洲，自古存在着经济发展需求和生态维护需求的地下水用水矛盾，近年来中游灌区灌溉农业的开发加剧了地下水埋深的空间分布不均，尤其是骆驼城灌区的地下水超采现象较为严重，造成了黑河流域一系列生态环境问题，科学合理的地下水资源管理刻不容缓。　　地下水数据管理和地下水模拟是进行内陆河流域灌区地下水有效管理的重要手段。构建地下水模拟平台能够集成地下水数据管理和地下水模拟，对于干旱区地下水资源管理具有重要意义。随着地理信息技术和网络技术的发展，基于WebGIS的地下水数据管理及数值模拟已成为可能。地下水数值模拟模型MODFLOW应用广泛，国外结合GIS和MODFLOW模型，开发了Processing MODFLW、Arc Hydro Groundwater等地下水模拟桌面软件，但对于MODFLOW模型与WebGIS的集成研究较少。　　鉴于此，本文基于开源WebGIS技术，采用三层结构体系，利用面向对象方法，设计并实现了适用于黑河中游灌区的地下水模拟平台，分别实现了数据库端、服务器端和客户端，其中，数据库端基于研究区地下水数据特征，简化了美国促进水文科学发展大学联盟（Consortium of Universities for the Advancement of Hydrologic Science Inc.,CUAHSI）设计的观测数据模型(Observation Data Model,ODM)，基于面向对象方法设计了地理数据模型，并通过开源对象关系数据库平台PostgreSQL/PostGIS建成了地下水数据库，实现了地理和观测数据的集成管理，解决了多源异构数据的不一致问题；服务器端利用开源地图服务器GeoServer和网络服务器IIS，基于面向对象方法实现了地理数据请求处理、地下水模拟请求处理和观测数据请求处理，连接地下水数据模型和地下水模拟模型MODFLOW，实现观测数据、地理数据和地下水模拟的网络应用与共享；客户端结合开源地图框架OpenLayers、可视化框架ECharts和Javascript框架JQuery，实现了客户端和服务器端的交互，实现了观测和地理数据的多种可视化表达。　　本研究设计实现的地下水开采的实时监测模拟和管理系统，其三层架构和面向对象的设计模式保证了网络应用平台的可维护性、可复用性、可扩展性和灵活性，地下水数据与开源关系对象数据库PostgreSQL/PostGIS、开源地图服务器GeoServer的集成提高了水文数据的可获取性和共享程度，也为地下水模拟平台的开发奠定了基础，地下水模拟模型与面向对象方法和开源地图框架OpenLayers集成为地下水决策管理者提供一个快速有效的地下水获取、地下水模拟决策平台，推进了黑河中游灌区地下水信息化的发展，有助于地下水模拟和评价工作的开展与推广，实现内陆河流域灌区地下水资源的可持续利用和有效管理。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 研究进展

1.3 研究内容和研究目标

1.4 技术路线

第二章 方法与技术

2.1 平台开发环境

2.2 开源WebGIS技术

2.3 观测数据模型介绍

2.4 地下水数值模拟模型MODFLOW

2.5 基于MODFLOW模型的黑河中游灌区地下水位模拟

第三章 地下水模拟平台的结构设计

第四章 数据库端的设计与实现

4.1 研究区地下水数据概况

4.2 观测数据模型的设计

4.3 地理数据模型的设计

4.4 地下水数据库的实现

4.5 地下水数据库的应用

4.5 本章小结

第五章 服务器端的设计与实现

5.1 观测数据请求处理的设计与实现

5.2 地理数据请求处理的设计与实现

5.3 地下水模拟请求处理的设计与实现

5.4 本章小结

第六章 客户端的设计与实现

6.1 地理数据可视化的设计与实现

6.2 观测数据可视化的设计与实现

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

在校期间的研究成果

致谢