地理信息系統(tǒng)技術(shù)在巖溶環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

周 超，蒲俊兵，殷建軍

1.西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715

2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715

3.西南大學(xué)巖溶環(huán)境與石漠化治理研究所，重慶 400715

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，GIS技術(shù)及3S技術(shù)做為新興技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用于和地理位置相關(guān)的各領(lǐng)域。最近20幾年地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)被廣泛的用于發(fā)展巖溶地物數(shù)據(jù)庫的空間分析和資源管理領(lǐng)域[1～5]，許多國家已經(jīng)建立全國范圍的巖溶地物數(shù)據(jù)庫以增強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取和資源管理能力[6,7]。而這一工作在國內(nèi)相對(duì)較少，國內(nèi)進(jìn)行的較多研究是在小區(qū)域范圍內(nèi)的GIS建立，以及為特定研究提供服務(wù)支持，如研究云南小江流域的地下水質(zhì)量和土地利用變化[8]，或是特定區(qū)域的脆弱性評(píng)價(jià)研究[9～11]。之所以大區(qū)域范圍的GIS建立存在的困難也是基于我國巖溶區(qū)的特點(diǎn)，在形成的背景條件上由于面積遼闊，大陸部分碳酸鹽巖古老堅(jiān)硬，新生代大幅度抬升，季風(fēng)氣候水熱配套及未受末次冰期冰蓋刨蝕，因此碳酸鹽巖的分布有較大的環(huán)境跨度，各種巖溶形態(tài)有較好的保存[12]，巖溶類型區(qū)域差別較大，所以為了建立全國性的大范圍的巖溶地物數(shù)據(jù)庫，前期局部和小區(qū)域的研究既是因地制宜的方案，也為全國范圍的巖溶地物數(shù)據(jù)庫建立打下基礎(chǔ)。而巖溶區(qū)GIS的建立相較之傳統(tǒng)GIS的建立也有其特殊性，如巖溶區(qū)特有的管道系統(tǒng)導(dǎo)致物質(zhì)和能量的不均一快速運(yùn)移，使在運(yùn)用一些常用空間分析方法時(shí)應(yīng)多加注意適用范圍。我國巖溶區(qū)面積廣大，且蘊(yùn)含多種礦產(chǎn)資源，同時(shí)又分布在兩個(gè)人口密集帶，巖溶區(qū)也面臨人口資源與脆弱環(huán)境符合地帶的貧困問題。尤為是在西南地區(qū)，且多處于山區(qū)地帶，數(shù)據(jù)收集工作與經(jīng)濟(jì)支持較小，也為巖溶區(qū)地理信息系統(tǒng)的建立帶來不少難題。本文旨在綜述現(xiàn)今GIS技術(shù)在巖溶學(xué)中的應(yīng)用，并對(duì)未來我國巖溶GIS建立進(jìn)行嘗試性探討。

1 脆弱性評(píng)價(jià)

巖溶區(qū)由于其地質(zhì)特點(diǎn)，豐富的地下水資源往往作為該區(qū)域重要的生活生產(chǎn)用水，因此對(duì)于巖溶區(qū)地下水資源的保護(hù)尤為重要。而巖溶地區(qū)由于其地下復(fù)雜的管網(wǎng)和裂隙，造成了污染物通過管道流快速擴(kuò)散及埋藏于地下難治理。為了跟好的預(yù)防巖溶地區(qū)地下水資源的污染，對(duì)巖溶水資源進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)成為先進(jìn)巖溶學(xué)研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域。全球各地學(xué)者根據(jù)研究區(qū)域的不同選擇適當(dāng)?shù)拇嗳跣栽u(píng)價(jià)模型對(duì)區(qū)域進(jìn)行研究，研究的較為廣泛的是區(qū)域的固有脆弱性評(píng)價(jià)（Intrinsic Vulnerability），即由地質(zhì)，水文和水文地質(zhì)學(xué)特性造成的地下水脆弱性，因此與具體污染物及污染情況無關(guān)，且具有共通性，研究得到的模型具備廣泛適用性，現(xiàn)今已有的脆弱性評(píng)價(jià)模型有EPIK，DRASTIC，GOD，AVI，ISIS，SINTACS，REKS，愛爾蘭模型，德國模型，奧地利模型等，其中尤以EPIK，DRASTIC，以及后來含有較少參數(shù)的PI模型應(yīng)用較為廣泛，既能較好的模擬研究區(qū)域的地理過程，且多次被證明具有較好的普遍適用性。

利用模型和GIS工具對(duì)巖溶區(qū)進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)的研究有很多，其主要的研究目的不僅僅局限于得到一個(gè)區(qū)域的固有脆弱性評(píng)價(jià)，也為污染物的特殊脆弱性評(píng)價(jià)和確定地下水資源保護(hù)區(qū)作為基礎(chǔ)，并且討論模型使用的范圍和局限性。如利用EPIK和GIS工具確定地下水保護(hù)區(qū)的研究[13]，利用DRASTIC模型和GIS工具對(duì)Hajebjelma的含水層進(jìn)行的脆弱性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[14]，利用SINTACS模型對(duì)Jordan Valley的沖積平原含水層脆弱性的評(píng)價(jià)[15]。而單一模型的應(yīng)用往往也不能很好的模擬一個(gè)研究區(qū)域的地理過程，因此在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為齊全且有多個(gè)模型可供選擇使用時(shí)，研究者們往往將多個(gè)模型結(jié)合起來使用，已得到更精確的模擬結(jié)果，如利用EPIK方法中提到的K因子（即Karst Network）并將其概念擴(kuò)展為巖溶水飽和區(qū)，以進(jìn)行垂直方向上地下水運(yùn)移路徑的脆弱性評(píng)價(jià)，并結(jié)合COP方法進(jìn)行固有脆弱性評(píng)價(jià)進(jìn)行從資源到源頭的系統(tǒng)的脆弱性評(píng)價(jià)。[16]還有一些學(xué)者，為了得出更準(zhǔn)確的結(jié)果，在進(jìn)行固有脆弱性評(píng)價(jià)的結(jié)果上，加入地區(qū)主要污染物的地下水含量進(jìn)行校正，以使研究結(jié)果更有針對(duì)性，如Erhan Sener對(duì)Turkey的Isparta地區(qū)在利用DRASTIC進(jìn)行固有脆弱性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，用地下水的氮元素含量進(jìn)行校正并利用土地利用類型圖對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了理想的研究成果。[17]同樣在利用污染物在地下水中的濃度值校準(zhǔn)DRASTIC方法得到的脆弱性評(píng)價(jià)圖的基礎(chǔ)上，Ahmad Jamrah等加入了由1995至2004年的數(shù)據(jù)得到的DRASTIC脆弱性評(píng)價(jià)圖序，并得到時(shí)間維度上的脆弱性變化，并且由于時(shí)間跨度較短，可以藉此區(qū)分由地質(zhì)背景引起的固有脆弱性評(píng)價(jià)的因子有哪些，因?yàn)樗麄兊淖兓S時(shí)間變動(dòng)較小，同時(shí)由于研究區(qū)域?yàn)I海，也驗(yàn)證了DRASTIC對(duì)于濱海巖溶區(qū)也適用[18]。

將巖溶學(xué)，GIS，RS，脆弱性評(píng)價(jià)模型和同位素研究結(jié)果的地域分布情況結(jié)合以獲得準(zhǔn)確的脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，將GIS技術(shù)與傳統(tǒng)研究方法結(jié)合也取得了一定進(jìn)展，由此可以看出脆弱性評(píng)價(jià)由于其學(xué)科交叉的特性，其研究思維是十分活躍的。

對(duì)于不同巖溶組合巖溶地貌的脆弱性評(píng)價(jià)也有廣泛的發(fā)展，如對(duì)伊朗的Izeh坡立谷利用修改的DRASTIC模型進(jìn)行的脆弱性評(píng)價(jià)并用地下水中氮元素含量進(jìn)行校正。[19]同時(shí)也有對(duì)于不同方法的探尋與適用性的研究文獻(xiàn)，如評(píng)價(jià)利用數(shù)字矢量地質(zhì)四邊形（DVQs）結(jié)合高程數(shù)據(jù)來進(jìn)行水文地質(zhì)學(xué)定義的敏感區(qū)和由可能灌入大量地下水引起的敏感區(qū)確定。同時(shí)證明該方法較之DRASTIC和DIVERSITY方法更適合于Kentucky[20]。

在這些研究中GIS工具往往作為最終結(jié)果的展示，以及空間疊加分析，也正是因?yàn)镚IS中圖層概念的引入，才使得利用多圖層來得到脆弱性評(píng)價(jià)最終結(jié)果的思路得以產(chǎn)生。而脆弱性評(píng)價(jià)對(duì)于巖溶區(qū)水資源的保護(hù)及巖溶區(qū)資源開發(fā)利用規(guī)劃的指導(dǎo)意義是毋庸置疑的，但同時(shí)，進(jìn)行詳盡可靠的脆弱性評(píng)價(jià)離不開大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，如果沒有足夠詳盡的數(shù)據(jù)，其結(jié)果的可靠性和可信度將受到影響，也不能很好的對(duì)巖溶區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展規(guī)劃起到指導(dǎo)作用，因此采用的較少參數(shù)的折中辦法更多的是起到號(hào)召和警示的作用，以期爭(zhēng)取更多的社會(huì)關(guān)注和資金投入，從而推動(dòng)進(jìn)一步的深入研究。

2 GIS在石漠化治理上的應(yīng)用

石漠化作為巖溶區(qū)環(huán)境惡化的一個(gè)重要表現(xiàn)，極大的影響了巖溶區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生活條件。因此巖溶環(huán)境治理的很多研究都圍繞著石漠化在開展，而GIS由于其對(duì)大區(qū)域范圍的系統(tǒng)分析具有優(yōu)勢(shì)，因此在石漠化治理和預(yù)防上也有較多應(yīng)用。

如對(duì)水土流失的研究，巖溶區(qū)水土流失是造成石漠化的原因之一，利用修訂的土壤流失方程（RUSLE）與GIS結(jié)合，并根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)貓?zhí)恿饔蜻M(jìn)行了水土流失分析。[21]還有些學(xué)者設(shè)計(jì)了石漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和可視化信息管理系統(tǒng)，結(jié)合了3S技術(shù)對(duì)地表植被變化和土地利用類型變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，[22]以及對(duì)石漠化區(qū)域的擴(kuò)大進(jìn)行監(jiān)測(cè)的研究。[23]還有些學(xué)者進(jìn)行了石漠化程度的分級(jí)與表達(dá)，利用徑向基礎(chǔ)函數(shù)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估石漠化產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，利用遙感圖像解譯出造成石漠化的影響因子并利用GIS的空間分析功能將研究區(qū)從低到高分為了23個(gè)石漠化等級(jí)，為石漠化治理提供了依據(jù)。[24]GIS技術(shù)對(duì)巖溶區(qū)石漠化研究提供了管理，顯示，監(jiān)測(cè)，及空間分析預(yù)測(cè)的技術(shù)支持。相比傳統(tǒng)的研究方法，具備了宏觀性，即時(shí)性，系統(tǒng)性和預(yù)見性。通過GIS和RS的結(jié)合，方便研究石漠化的動(dòng)態(tài)發(fā)展并通過系統(tǒng)分級(jí)根據(jù)不同級(jí)別制定不同分案，因地制宜的治理巖溶區(qū)石漠化問題。

3 GIS在巖溶學(xué)其他領(lǐng)域的應(yīng)用

GIS作為工具，也被廣泛的應(yīng)用于與巖溶學(xué)研究相關(guān)的其他領(lǐng)域。在利用孢粉研究古氣候方面，在東哥倫比亞，利用孢粉數(shù)據(jù)和邏輯回歸方法得出氣象變量來分辯熱帶稀樹草原和森林的邊界，然后利用GIS的插值技術(shù)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行地表植被類型制圖，得到地表類型與氣象變量之間的關(guān)系，并與傳統(tǒng)方法對(duì)比有較高的準(zhǔn)確度，可以應(yīng)用于對(duì)未來的預(yù)測(cè)和對(duì)研究過去的氣候現(xiàn)象，其適用性與孢粉采樣點(diǎn)的數(shù)量，分布情況和孢粉年齡分布情況相關(guān)。[25]雖然與巖溶學(xué)研究沒有直接相關(guān)，但利用孢粉研究還原古氣候也在巖溶學(xué)研究中多有利用，所以可以借鑒此種方法獲得更好的效果。在研究地質(zhì)災(zāi)害方面，在俄羅斯的Dzerzhinsk巖溶區(qū)，對(duì)巖溶含水層的潛水層變化數(shù)據(jù)、土壤強(qiáng)度數(shù)據(jù)利用GIS系統(tǒng)將數(shù)據(jù)整合并制圖得到潛蝕引起的地面塌陷的分布預(yù)測(cè)結(jié)果。[26]在西班牙的Ebro盆地的Zaragoza地區(qū)，巖溶過程在發(fā)育于第三紀(jì)蒸發(fā)巖上的河流階地上的潛伏層巖溶區(qū)進(jìn)行的尤其劇烈，自第四紀(jì)以來，這一過程導(dǎo)致了坍塌和塌陷天坑的形成，因此利用地貌數(shù)據(jù)，灌溉和地下水潛水面數(shù)據(jù)采用邏輯回歸和地理信息系統(tǒng)得出天坑預(yù)測(cè)圖，從而減少地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)影響和安全危機(jī)。[27]城市中的落水洞會(huì)引起地面塌陷，公路損毀和房屋倒塌，因此在福羅里達(dá)州的中西部，結(jié)合了臨床傳染病學(xué)的概念，遙感技術(shù)和GIS技術(shù)來分析可能產(chǎn)生落水洞的地點(diǎn)，并對(duì)規(guī)劃與管理給予一定的支持。[28]這些應(yīng)用通過GIS技術(shù)中的分層概念，將多種地理信息通過融合，并通過直觀的表達(dá)方式傳遞給決策者，從而使理論到實(shí)踐更為便捷。為了研究地下水水質(zhì)因子的時(shí)空變化，在土耳其Izmir的Mount Nif巖溶區(qū)，取自57個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)被用于制圖，得到了各個(gè)水質(zhì)因子的空間展布與時(shí)間變化情況，并為進(jìn)一步進(jìn)行差值分析做好基礎(chǔ)，同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)驗(yàn)證地下水水質(zhì)變化與季節(jié)變化是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的相關(guān)性。[29]

空間數(shù)據(jù)庫的建立，對(duì)于系統(tǒng)管理地理信息和進(jìn)行空間分析以及相關(guān)研究提供基礎(chǔ)支持，而針對(duì)巖溶區(qū)的特殊性巖溶地物信息數(shù)據(jù)庫的建立因其特殊性也被廣泛研究，同時(shí)對(duì)于空間數(shù)據(jù)的顯示以及數(shù)據(jù)的共享也因此受到了廣泛關(guān)注，如利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享基于WebGIS技術(shù)而建立的網(wǎng)絡(luò)巖溶圖冊(cè)系統(tǒng)[30]，以及在明尼蘇達(dá)州利用Microsoft Access和ArcView建立了巖溶地物關(guān)系數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)空管理系統(tǒng)[31]并在后續(xù)研究中利用建立的數(shù)據(jù)庫添加了空間分析功能[32]，為了更好的研究巖溶區(qū)地貌，利用三維技術(shù)表達(dá)巖溶區(qū)的特征地物，建立了能夠同時(shí)進(jìn)行二維和三維顯示的地理信息系統(tǒng)[33]，結(jié)合了地質(zhì)學(xué)，地下水水文學(xué)，地理信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可視化技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立的巖溶區(qū)虛擬現(xiàn)實(shí)的三維建模，為政府制定水資源發(fā)展及保護(hù)提供了技術(shù)支持[34]，這些工作為今后利用計(jì)算機(jī)輔助巖溶區(qū)，和更好的利用GIS的空間分析功能提供了基礎(chǔ)，也在巖溶地物的計(jì)算機(jī)和圖形化表達(dá)方面取得了一定的進(jìn)展。

GIS技術(shù)在巖溶領(lǐng)域的應(yīng)用還有許多，如利用遙感圖像和GIS技術(shù)對(duì)高山巖溶的檢測(cè)與特性的總結(jié)，[35]利用遙感圖像評(píng)估地下水補(bǔ)給區(qū)的潛在補(bǔ)給能力，[36]利用基于GIS的GIP（灰階編程）模型確定如何分布監(jiān)測(cè)站。[37]這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)IS與RS進(jìn)行了結(jié)合，對(duì)于大范圍的區(qū)域研究提高了效率。

4 GIS技術(shù)未來在巖溶研究中的應(yīng)用

基于GIS技術(shù)目前發(fā)展的方向，對(duì)于地物和地理現(xiàn)象的表達(dá)越來越接近于實(shí)際，而GIS也作為計(jì)算機(jī)技術(shù)與地理學(xué)科之間的橋梁，正因此將計(jì)算機(jī)的前沿技術(shù)引入當(dāng)今的地學(xué)研究領(lǐng)域，從而將繁重復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理和海量數(shù)據(jù)分析過程交給計(jì)算機(jī)處理，使研究人員將注意力更集中于研究?jī)?nèi)容上。以往制約GIS，RS和GPS技術(shù)在巖溶學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用的主要屏障是由于巖溶區(qū)涉及較多地表與地下的地理過程關(guān)系，由于傳統(tǒng)的二維GIS技術(shù)不能很好的表達(dá)這種關(guān)系，所以只在研究補(bǔ)給區(qū)和污染方面有一定的應(yīng)用，而根據(jù)現(xiàn)今的發(fā)展情況來看，三維GIS技術(shù)愈發(fā)走向成熟，利用三維建模，可以很好的表達(dá)地表與地下的關(guān)系，從而將GIS技術(shù)廣泛的應(yīng)用于巖溶領(lǐng)域的研究。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，或許能夠通過多數(shù)據(jù)融合來解決地表與地下分水嶺不同的難題，從而更為準(zhǔn)確的確定地下河的補(bǔ)給區(qū)。而且，GIS技術(shù)的應(yīng)用同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的獲取提出了更高的要求，當(dāng)今地理數(shù)據(jù)的采集和整理在國內(nèi)不是十分完善，也不能做到很好的共享，因此存在很多重復(fù)性工作，同時(shí)由于中國巖溶區(qū)多分布于西部較貧窮地區(qū)或是山區(qū)，數(shù)據(jù)采集存在很大程度的困難，因此GIS與巖溶研究的集合在中國還存在很多難題，GIS是一種基于數(shù)據(jù)的技術(shù)，因此若要使GIS技術(shù)在巖溶領(lǐng)域有更多的應(yīng)用，還需要很多進(jìn)行很多工作。

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