RS與 GIS技術(shù)在地下水研究中的應(yīng)用

賈艷紅,趙傳燕,牛博穎

(1.淮海工學(xué)院,江蘇連云港 222001;2.蘭州大學(xué),甘肅 蘭州 730000)

RS與 GIS技術(shù)在地下水研究中的應(yīng)用

賈艷紅1,2,趙傳燕2,牛博穎1

(1.淮海工學(xué)院,江蘇連云港 222001;2.蘭州大學(xué),甘肅 蘭州 730000)

遙感作為一種對遠(yuǎn)距離目標(biāo)信息進(jìn)行綜合性探測的新技術(shù),可從根本上解決地下水監(jiān)測工作中控制點(diǎn)少、地下水信息空間分布代表性差,無法實(shí)現(xiàn)大面積動態(tài)監(jiān)測和評價的問題。GIS以其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能,為地下水研究數(shù)據(jù)的收集、空間分析及管理決策提供了重要的技術(shù)支撐。本文以 GIS技術(shù)在黑河下游地區(qū)地下水位空間變化研究中的應(yīng)用為例,分析了 GIS技術(shù)在地下水研究領(lǐng)域中的應(yīng)用。遙感與GIS技術(shù)的引入為地下水監(jiān)測與研究工作的發(fā)展提供了巨大推動力,同時也為遙感與 GIS技術(shù)自身的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

地下水;GIS技術(shù);遙感;應(yīng)用

1 引言

水資源是基礎(chǔ)性自然資源,是生態(tài)環(huán)境的控制性因素之一。它與糧食、石油一樣,是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)安全的重要戰(zhàn)略性資源,是一個國家綜合國力的有機(jī)組成部分。合理開發(fā)利用與保護(hù)水資源,是我國實(shí)施經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要保證。地下水作為水資源的重要組成部分和戰(zhàn)略性資源的主要部分,在保障城鄉(xiāng)居民生活、支持經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)平衡等方面都具有十分重要的作用。尤其是在地表水資源缺乏的地區(qū),地下水更具有不可替代的作用。隨著人類對地下水資源依賴程度的提高,地下水開采量急劇增加,進(jìn)而引發(fā)地下水水位大幅度下降、降落漏斗快速擴(kuò)展、含水層疏干、地面沉降等一系列地下水危機(jī)和環(huán)境問題。此外,工業(yè)污水的超標(biāo)排放、垃圾滲濾液和農(nóng)田殘留化肥、農(nóng)藥等都嚴(yán)重影響了地下水水質(zhì)。面對這些地下水環(huán)境問題,構(gòu)建區(qū)域地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、開展地下水環(huán)境及其生態(tài)效應(yīng)等方面的綜合評價研究、科學(xué)合理地開發(fā)和利用地下水資源已顯得十分迫切。

遙感技術(shù)作為宏觀、綜合、動態(tài)、快速監(jiān)測和評價自然資源的有效手段,在快速、大面積監(jiān)測地下水資源中發(fā)揮著重要作用,為地下水資源調(diào)查和監(jiān)測提供了新的探測手段。它可利用遙感數(shù)據(jù)提供的地表冰雪、徑流和變化信息,估算地下水補(bǔ)給量和勘探區(qū)域地下水資源存儲量,確定其空間分布范圍,評價地下水水質(zhì),對地下水動態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)測[1]。而GIS技術(shù)以其強(qiáng)大的空間分析功能、空間數(shù)據(jù)庫管理能力及空間決策支持功能為地下水位空間分布、地下水空間分布范圍確定、地下水研究模型建立、地下水水質(zhì)評價及地下水資源智能化管理工作提供了重要的技術(shù)手段[2]。遙感與 GIS技術(shù)作為現(xiàn)代地理信息技術(shù)的典型代表,其在地下水研究領(lǐng)域中的應(yīng)用必將有效推動快速、高效、準(zhǔn)確、實(shí)時的智能化地下水監(jiān)測和研究工作目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。地下水遙感監(jiān)測方法、模型研究的深入、定量遙感的發(fā)展、雷達(dá)技術(shù)的日益興起又將提高地下水水質(zhì)、水量、水位、水溫等地下水監(jiān)測指標(biāo)的提取精度和時效,為地下水資源合理開發(fā)和利用提供科學(xué)的技術(shù)支撐。

2 遙感和 GIS技術(shù)在地下水研究中的應(yīng)用

2.1 遙感技術(shù)在地下水研究中的應(yīng)用

遙感是利用遙感器從空中來探測地面物體性質(zhì)的技術(shù)。它根據(jù)不同物體對波譜產(chǎn)生不同響應(yīng)的原理來識別各類地物。可通過飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星等飛行物上搭載的遙感器來收集地面數(shù)據(jù)資料,并從中獲取信息,經(jīng)記錄、傳送、分析和判讀來達(dá)到識別地物的目的。目前,遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事(包括軍事偵察、導(dǎo)彈預(yù)警、軍事測繪等)和民用(如地球資源普查、植被分類、土地利用規(guī)劃、農(nóng)作物病蟲害和作物產(chǎn)量調(diào)查、環(huán)境污染監(jiān)測、海洋研制、地震監(jiān)測)等方面。在傳統(tǒng)的地下水探測和監(jiān)測工作中,多以人工手段為主,這不僅費(fèi)時費(fèi)力,而且具有控制點(diǎn)少,地下水信息空間分布代表性差的特點(diǎn),往往無法實(shí)現(xiàn)地下水的大面積動態(tài)監(jiān)測和評價。而長期的地下水動態(tài)監(jiān)測資料又是評價地下水環(huán)境質(zhì)量的重要依據(jù)和檢驗(yàn)地下水環(huán)境保護(hù)措施是否得當(dāng)?shù)闹苯邮侄巍Ｍㄟ^對地下水長期監(jiān)測資料的分析,可確定地下水環(huán)境受污染影響的程度,根據(jù)污染暈的分布,確定相應(yīng)的污染源,進(jìn)而提出污染源治理和水環(huán)境保護(hù)措施。遙感技術(shù)作為宏觀、綜合、動態(tài)、快速監(jiān)測和評價自然資源的有效手段,正好為該問題的解決提供了技術(shù)支撐,因而在地下水大面積監(jiān)測和相關(guān)科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。

遙感技術(shù)在地下水資源研究中的應(yīng)用始于 1961年。當(dāng)時科學(xué)家們利用熱紅外航空相片提取的地形信息和簡單的水循環(huán)模型來判斷地下水的存在,參照指示植被初步判斷流出帶和地下水補(bǔ)給來源。進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代后,隨著多時相、多波段、多角度、高光譜和微波多極化遙感技術(shù)的發(fā)展,多源遙感數(shù)據(jù)廣泛用于與地下水密切相關(guān)的地質(zhì)條件的解譯分析和與地下水有關(guān)的地表植被、溫度、土壤水分等環(huán)境因素的提取,取得了有效的成果[3]。到 20世紀(jì) 90年代,地下水遙感監(jiān)測技術(shù)研究隨著數(shù)據(jù)源的不斷豐富和方法的日趨成熟而得到較全面的發(fā)展。國內(nèi)對地下水資源的遙感研究始于 20世紀(jì) 80年代初,主要以西部干旱、半干旱地區(qū)作為研究對象,使用地球資源衛(wèi)星 Landsat MSS、TM和 ETM+,合成孔徑雷達(dá) SAR等遙感數(shù)據(jù)來提取與地下水富集相關(guān)的地表含水?dāng)鄬印⒘严?、線性構(gòu)造及地面濕度、溫度等信息[3]。

2.2 GIS技術(shù)在地下水研究中的應(yīng)用

GIS技術(shù)是近些年迅速發(fā)展起來的一門空間信息分析技術(shù),其以地理空間為基礎(chǔ),采用地理模型分析方法,實(shí)時提供多種空間和動態(tài)的地理信息,是一種為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。GIS技術(shù)不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息,而且可以有效地對多時期的資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和分析比較,并將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流,明顯地提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益,為解決資源環(huán)境問題及保障可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。從 20世紀(jì) 70年代以來,一些發(fā)達(dá)國家開始把 GIS技術(shù)引入地下水研究領(lǐng)域。而GIS技術(shù)的引入,不僅提高了地下水管理與研究領(lǐng)域的工作效率,而且使其研究成果更加準(zhǔn)確化、科學(xué)化。進(jìn)入 21世紀(jì)以來,隨著 GIS技術(shù)的發(fā)展,其在地下水研究模型建立、地下水水質(zhì)評價和地下水資源管理等方面的運(yùn)用也逐步進(jìn)入實(shí)際操作階段[2]。在很多情況下,GIS已成為地下水系統(tǒng)分析的必備工具。

3 應(yīng)用研究

本應(yīng)用研究的研究區(qū)域位于我國西北干旱區(qū)第二大內(nèi)陸河——黑河下游地區(qū)。該區(qū)降水稀少,區(qū)內(nèi)不產(chǎn)流,唯一的地表水來源就是黑河。而隨著黑河中游地區(qū)人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,區(qū)域用水量顯著增加,致使進(jìn)入下游的地表徑流量逐年減少,河流斷流、湖泊干涸、地下水位下降、天然植被退化死亡、沙塵暴肆虐等生態(tài)問題日益突出。地下水作為該區(qū)地表天然植被生態(tài)系統(tǒng)的唯一有效水源,不僅成為整個黑河下游生態(tài)系統(tǒng)的重要支柱,而且也成為穩(wěn)定區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)基本生態(tài)功能的主要因素。面對該區(qū)河流斷流及依賴于其進(jìn)行補(bǔ)給的地下水位急劇下降的問題,我國于 2000年 7月開始實(shí)施了黑河下游應(yīng)急生態(tài)輸水工程。隨著對黑河下游水資源時空布局干預(yù)力度的加大,其地下水位及輻射范圍都出現(xiàn)了波動,這種波動在河流緩沖帶內(nèi)表現(xiàn)得最明顯[4]。因此,本文利用 GIS軟件 ArcGIS 9.0 Analysis Tools中的緩沖區(qū)分析功能對黑河下游河流矢量圖進(jìn)行了緩沖區(qū)分析,提取出以黑河下游主河道為中心線的 20 km緩沖帶范圍作為研究區(qū),并將其定義為“黑河下游地下水波動帶”,整個區(qū)域面積約為 1.15×104km2。其相對位置如圖 1所示。研究中重點(diǎn)分析了其內(nèi)部的地下水位空間分布變化情況,這對依賴于區(qū)域地表徑流及受其補(bǔ)給的地下水進(jìn)行生長的區(qū)域天然植被生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及區(qū)域植被重建都至關(guān)重要。

首先,研究利用 GIS軟件 ArcGIS 9.0 Grid模塊對黑河下游 1990年(代表研究區(qū)生態(tài)輸水工程實(shí)施前的地下水位空間分布情況)的 31個地下水位觀測點(diǎn)和 2006年(代表研究區(qū)生態(tài)輸水工程實(shí)施后的地下水位空間分布情況,選擇 2006年的原因是:截止 2005年黑河下游生態(tài)輸水工程首次實(shí)現(xiàn)了黑河下游尾閭湖東居延海的全年不干涸)的 102個地下水位觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,生成用于地下水位空間分布模擬的點(diǎn)文件。

其次,進(jìn)行地下水位空間分布模擬。由于數(shù)據(jù)正態(tài)分布是空間分布模擬的前提,因此研究中先利用 SPSS 13.0對1990年與 2006年的地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn),所有數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布,可進(jìn)行空間分布模擬。于是在 ArcGIS 9.0空間分析模塊支持下,運(yùn)用 Ordinary kriging對1990年和 2006年黑河下游地下水位空間分布進(jìn)行了模擬,結(jié)果如圖 2和 3所示,其中插值模型及相關(guān)參數(shù)都是經(jīng)過比較選擇的最優(yōu)值[5]。

由圖 2和圖 3可見,1990年黑河下游地下水位具有顯著的沿河流流向逐步加深的趨勢,地下水位最深處位于河流尾閭湖——東、西居延海附近。而地下水位較淺的區(qū)域主要位于研究區(qū)的西南部,既黑河下游兩支流——東、西河的上游。由此說明,當(dāng)時黑河下游地下水對地表水的依賴十分強(qiáng)烈。河道來水是地下水的主要補(bǔ)給源。

與 1990年相比,2006年黑河下游地下水位發(fā)生了明顯變化。其中東、西兩河中間部位地下水位變化最顯著。該區(qū)為多層含水層,且為額濟(jì)納盆地的中心區(qū),位置相對較低,因而成為盆地內(nèi)各含水層地下水的匯集區(qū)[6]。隨生態(tài)輸水的實(shí)施,盆地各含水層水量增加,匯集到該區(qū)的水量也隨之增加,因而該區(qū)地下水位上升最顯著。同時,東河?xùn)|南部和西河西北部地下水位也有較大變化。同受生態(tài)輸水影響卻出現(xiàn)東河?xùn)|南部地下水位下降顯著而西河西北部卻略有上升,且西河地下水位隨河流流向逐漸加深的趨勢變得明顯,而東河卻出現(xiàn)下游地下水位淺于中游的現(xiàn)象。其原因可能與黑河下游生態(tài)輸水政策及相關(guān)水利工程的建設(shè)有關(guān)。為提前實(shí)現(xiàn)黑河水資源統(tǒng)一管理調(diào)度目標(biāo),“讓東居延海波濤洶涌”[7],在生態(tài)輸水實(shí)施過程中加大了向東河的輸水力度。同時,為了減少輸水過程中的水量損失,保證額濟(jì)納旗及其下游的供水,水利部在黑河下游修建了甘蒙引水工程,一期工程從狼心山至額濟(jì)納旗全線襯砌。因而徹底切斷了東河中游地區(qū)的地下水補(bǔ)給源。因此東河中游,尤其是其東南部地區(qū)地下水位在生態(tài)輸水實(shí)施后未升反降。而東河下游地下水位的上升則是受到了東居延海的補(bǔ)給。

圖2 1990年黑河下游地下水位空間分布模擬

圖3 2006年黑河下游地下水位空間分布模擬

4 結(jié)語

由上述應(yīng)用研究可見,GIS技術(shù)作為空間數(shù)據(jù)處理的有效手段,其在地下水位空間分布研究中的應(yīng)用很好地解決了目前地下水研究中監(jiān)測井?dāng)?shù)量有限,大面積、實(shí)時地下水水位、水質(zhì)、水量等指標(biāo)監(jiān)測困難的問題。而遙感作為宏觀、綜合、動態(tài)、實(shí)時監(jiān)測和評價自然資源的有效手段,其與 GIS技術(shù)相結(jié)合必將為地下水監(jiān)測和研究工作步入現(xiàn)代化、信息化作業(yè)提供技術(shù)支持。地下水既是不可或缺的水資源,也是重要的生態(tài)與環(huán)境支撐要素,對經(jīng)濟(jì)社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展起著重要支撐作用。因此,必須對地下水資源進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)測、評價、管理和保護(hù),保障水資源的可持續(xù)利用,以支撐經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。遙感與 GIS技術(shù)作為現(xiàn)代社會信息處理的重要手段,可為地下水監(jiān)測與研究工作的發(fā)展提供巨大的推動力。同時,遙感與 GIS技術(shù)和地下水研究工作的有機(jī)結(jié)合也為以遙感和GIS技術(shù)為代表的地理信息技術(shù)本身的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

[1]阿布都瓦斯提·吾拉木,秦其明.地下水遙感監(jiān)測研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(1):184-188.

[2]趙軍,賈艷紅.國外 GIS在地下水管理與研究中的應(yīng)用和啟示[J].地下水,2005,27(3):166-168.

[3]華曉凌,晉華.遙感技術(shù)在地下水研究中的應(yīng)用[J].山西水利科技,2004,(154):29-30.

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[5]賈艷紅,趙傳燕,牛博穎,等.基于GIS的黑河下游地下水波動帶范圍探析[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,18(3):51-54.

[6]武選民,史生勝,黎志恒等.西北黑河下游額濟(jì)納盆地地下水系統(tǒng)研究(上)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2002,(1):16-20.

[7]李國英.科學(xué)調(diào)配水資源支撐黑河流域生態(tài)建設(shè)[R].在內(nèi)蒙古阿拉善盟額濟(jì)納旗黑河綜合治理工作座談會上的講話,2002年8月30日.

App lication of RS and GIS Technology in the Study of Groundwater

JIA Yan-hong1,ZHAO Chuan-yan2,NIU Bo-ying1

(1.Huaihai Institute of Technology,Lianyungang,222001,Jiangsu 2.Lanzhou University Lanzhou 730000,Gansu)

Remote Sensing(RS)is a new technology to extract object information from long-distance using sense organ,which can radically resolvemany problem during the inspection and management of groundwater,such as the absence of control point in the inspection of groundwater,the indistinction of representational difference from groundwater information in space distribution,unable to dynamic inspection and estimation groundwater information.But,the technology of GIShas powerful function tomanageand analyze spatial data,which can provide technological support for collecting,analyzingandmanaging groundwater data.Taking the lower reaches of Heihe River as an example,this paper app lication GIS to analyze the spatial variability of groundwater level in this region.The introduction of RSand GIS technology afford powerful impetus for the development of inspection and study groundwater,and bring new opportunity for the development of RSand GIS techno logy.

Groundwater;GIS technology;RS and Application

P641

A

1004-1184(2011)01-0001-03

2010-09-08

淮海工學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KX 08010)與淮海工學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動基金項(xiàng)目(KQ 09024)共同資助

賈艷紅(1977-),女,甘肅白銀人,環(huán)境科學(xué)工學(xué)博士,主要從事遙感及 GIS技術(shù)應(yīng)用研究。