基于GIS分析的干旱區(qū)域水資源時(shí)空異質(zhì)性研究

葉永清

(浙江天禹信息科技有限公司，杭州 310000)

0 引 言

基于上述背景，很多相關(guān)專(zhuān)家和學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究。如，周帥，王義民，暢建霞等人采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)分析流域干旱時(shí)空演變規(guī)律；佘敦先采用Copula函數(shù)構(gòu)建了干旱歷時(shí)和干旱強(qiáng)度兩變量統(tǒng)計(jì)模型，揭示了流域干旱發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的空間分布規(guī)律。海米提·依米提等人利用統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法對(duì)新疆克里雅綠洲蘆葦分布區(qū)的表層土壤含水量的空間變異特征進(jìn)行了分析；馬金輝，韓金華，張艷林等人應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)空間分析技術(shù)分析了近 10a來(lái)來(lái)民勤盆地地下水埋深的空間異質(zhì)性。

文章借鑒前人研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合GIS分析技術(shù)，對(duì)某一干旱地區(qū)進(jìn)行水資源時(shí)空異質(zhì)性進(jìn)行研究。GIS，中文稱(chēng)為地理信息系統(tǒng)，是空間分析的有效工具。文章將其應(yīng)用其中，可以進(jìn)一步分析干旱地區(qū)水資源在空間上的分布、變異和相關(guān)特征，揭示經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法難以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，為以后的研究取樣提供依據(jù)。

1 基于GIS分析的干旱區(qū)域水資源時(shí)空異質(zhì)性研究

我國(guó)內(nèi)陸干旱地區(qū)，由于降水量稀少，因此水資源貧乏，嚴(yán)重限制內(nèi)陸地區(qū)的發(fā)展。在此背景下，為更好的發(fā)展和建設(shè)內(nèi)陸地區(qū)，有必要進(jìn)行干旱區(qū)域水資源時(shí)空異質(zhì)性分析。這為水資源利用效率提高，水資源的保護(hù)及可持續(xù)利用，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境改善提供了提供有益的參考[2]。

時(shí)空異質(zhì)性是指系統(tǒng)屬性(植被類(lèi)型、植被蓋度、生物量、土壤氮含量、土壤水鹽含量、土壤有機(jī)質(zhì)等任何變量。)在時(shí)間上和空間上所表現(xiàn)出來(lái)的復(fù)雜性和變異程度[3]。結(jié)合文章研究主題，主要對(duì)干旱區(qū)域的水資源在時(shí)間維度和空間維度上的變化規(guī)律和特征進(jìn)行分析和歸納。本研究以實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行研究。首先選取實(shí)驗(yàn)研究區(qū)，然后進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè)并采集樣本、最后進(jìn)行模型分析，得出研究區(qū)的水資源時(shí)空異質(zhì)性。

1.1 研究區(qū)概況

西北地區(qū)位于我國(guó)內(nèi)陸，由于遠(yuǎn)離海洋，再加高地勢(shì)、高山對(duì)氣流阻擋，氣候干燥，降水量稀少，土地荒漠化嚴(yán)重，因此對(duì)西北各干旱地區(qū)的土壤治理一直是國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)項(xiàng)目[4]。為提高土壤荒漠化治理效率和質(zhì)量，提出有效的治理方案，有必要對(duì)該地區(qū)的水資源時(shí)空異質(zhì)性進(jìn)行研究。

Transactions of Atmospheric Sciences Total Contents of Vol.41,2018

新疆和甘肅彼此相連，是西北地區(qū)典型的干旱區(qū)域代表，因此文章研究就以新疆和甘肅共同組成的干旱區(qū)域作為研究區(qū)，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)

兩個(gè)省區(qū)環(huán)境參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 新疆和甘肅研究區(qū)環(huán)境參數(shù)對(duì)比

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)與樣本采集

為研究研究區(qū)水資源在時(shí)間上和空間上的分布特征，需要布設(shè)采樣點(diǎn)，采集土壤樣本，根據(jù)土壤樣本分析其中的含水量，以確定水資源分布特征[5]。采樣點(diǎn)布設(shè)參數(shù)如表2所示。

表2 采樣點(diǎn)布設(shè)參數(shù)

具體土壤樣本采樣過(guò)程如下：

步驟1：選取采樣點(diǎn)，見(jiàn)表2。

步驟2：按照網(wǎng)格法布點(diǎn)。首先在研究區(qū)地圖或照片上放一個(gè)方形或長(zhǎng)方形網(wǎng)格，取網(wǎng)格中心點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，見(jiàn)表2。

步驟3：取樣。在采樣點(diǎn)10英尺半徑范圍內(nèi)200m地層深度處隨機(jī)選取8個(gè)土壤樣本。

步驟4：將8個(gè)土壤樣本混合作為一個(gè)土壤樣本。

步驟5：將土壤樣本迅速裝入干凈的鋁盒內(nèi)，蓋緊，防止土壤中水資源蒸發(fā)。

步驟6：現(xiàn)場(chǎng)利用0.1g精度的天平稱(chēng)取樣本濕重；

步驟7：將裝有土壤樣本的鋁盒內(nèi)置冰凍藍(lán)冰的保溫箱中，并添加一定量的保護(hù)劑。最好在30分鐘內(nèi)運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室并完成檢測(cè)，否則將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

步驟8：實(shí)驗(yàn)室測(cè)量樣本質(zhì)量和含水量。

1.3 室內(nèi)測(cè)量

采用稱(chēng)重法對(duì)土壤樣本中的水資源進(jìn)行測(cè)定。首先利用天平稱(chēng)取土壤樣本，包括鋁盒在內(nèi)的總體重量，記作土樣的濕重，這需要在取樣現(xiàn)場(chǎng)完成，然后樣本到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后，利用烘箱內(nèi)在105℃下將土壤樣本烘6-8h，直到恒重，然后再次利用天平稱(chēng)取包括鋁盒在內(nèi)的土壤樣本的干重，最后在下述公式計(jì)算出土壤樣本中的含水量。

(1)

式中：SMWC為土壤含水量；W1為烘干前鋁盒及土壤樣本質(zhì)量；W2為鋁盒質(zhì)量；W為烘干后鋁盒及土壤樣本質(zhì)量。

1.4 時(shí)空異質(zhì)性分析方法

1)時(shí)間異質(zhì)性分析：

時(shí)間異質(zhì)性是指分析隨著時(shí)間的變化土壤各層含水量的變化情況。對(duì)于時(shí)間異質(zhì)性采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)描述性統(tǒng)計(jì)分析(標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等)分析變量特征，計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中：Pj整個(gè)研究區(qū)第j天的變異系數(shù)。

2)空間異質(zhì)性分析：

GIS，中文為地理信息系統(tǒng)，是一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)空間分析的有效工具，在很多領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。文章利用GIS技術(shù)分析干旱區(qū)域水資源空間異質(zhì)性，但是采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)是有限散點(diǎn)數(shù)據(jù)，在這種情況下，要得到整個(gè)研究區(qū)的水資源空間異質(zhì)性分布，必須要進(jìn)行空間插值。具體過(guò)程如下：首先利用GIS軟件和地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的變異系數(shù)，對(duì)研究區(qū)各層土壤含水量進(jìn)行空間變異特征分析；利用克里金插值法對(duì)研究區(qū)不同層次土壤含水量進(jìn)行空間插值，繪制出研究區(qū)各層土壤含水量空間變化異質(zhì)圖，分析水資源空間分布狀況。

1.5 時(shí)間異質(zhì)性結(jié)果分析

1)年際時(shí)間異質(zhì)性：

選擇2000-2017 年作為年際時(shí)間異質(zhì)性分析的時(shí)間段。分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 年際時(shí)間異質(zhì)性

由圖2可知，①研究區(qū)土壤水分在 2000-2017 年總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；②隨著土層深度增加，土壤含水量也隨著增加。

根據(jù)土壤含水量數(shù)值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，并結(jié)合GIS分析，得到2000-2017年土壤含水量年際標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，如表3所示。

表3 2000-2017年土壤含水量年際標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)

表3結(jié)果表明，研究區(qū)土壤水分年際尺度變異為弱和中等程度空間變異，且表層0-10 cm弱變異面積百分比小于深層土壤，說(shuō)明土層越深土壤含水量的時(shí)間變異性越穩(wěn)定。

2)年內(nèi)時(shí)間異質(zhì)性：

計(jì)算2000-2017 年17年年內(nèi)平均土壤含水量，并繪制成時(shí)間分布圖，如下圖3所示。

圖3 年內(nèi)時(shí)間異質(zhì)性

由圖3可知：①2000-2017 年17年內(nèi)年內(nèi)平均土壤含水量整體呈現(xiàn)“倒V”型，1-6月分析土壤含水量逐漸升高，并在6月份達(dá)到最大值，因此隨著溫度變暖，地面融雪融冰水分補(bǔ)給，以及夏季的來(lái)臨，降水量逐漸增多，進(jìn)行了降水量補(bǔ)給。6月之后，土壤含水量開(kāi)始逐漸降低，并在11月和12月趨于平緩。②1-7月40m較為淺層土壤含水量高于深層100cm土層含水量，但在8月之后深層土壤含水量超過(guò)40cm以上土層含水量，這是因?yàn)樵谙募局饾u過(guò)去之后，降水量降低，而淺層土壤中水資源會(huì)隨著地面蒸發(fā)及植被蒸騰耗水土壤含水量逐漸降低。此外，更重要的是夏季降水主要入滲補(bǔ)給10-40cm土層，隨后繼續(xù)補(bǔ)給深層40cm以下土層，使得在8月之后深層土壤含水量超過(guò)40cm以上土層含水量。

2000-2017年土壤含水量年內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)如表4所示。

表4 2000-2017年土壤含水量年內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)

由表4可知：①受降雨季節(jié)變化的影響，波動(dòng)大，所以標(biāo)準(zhǔn)差較大，因此土壤含水量的變化較大，故變異系數(shù)較大，而冬季幾乎無(wú)水資源補(bǔ)給，所以標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)都較小，冬季西北干旱區(qū)土壤水分進(jìn)入穩(wěn)定期，所以研究區(qū)土壤水分表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征；②隨著土層深度的加深，土壤含水量的波動(dòng)越小，所以標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)都越小，表明土層越深土壤含水量變異越小，越不會(huì)受到季節(jié)變化的影響。

1.6 空間異質(zhì)性結(jié)果分析

空間異質(zhì)性結(jié)果如圖4所示。

(a)2000年

從選取的2000年、2005年、2010年、2017年四個(gè)年份土壤含水量分布圖可以看出：①縱觀四個(gè)年份，土壤含水量<3%的區(qū)域面積逐漸縮小，說(shuō)明研究區(qū)水資源在逐漸增多；②研究區(qū)土壤含水量自水平方向自東向西，以甘肅新疆交界處為分界線，先減小后增大，縱觀四個(gè)年份，研究區(qū)土壤含水量呈現(xiàn)斑塊分布，在甘肅西北部、甘肅新疆交界處、新疆東部哈密地區(qū)、吐魯番盆地、北疆準(zhǔn)格爾盆地東南地區(qū)、南疆塔里木盆地東南地區(qū)最低，在祁連山北部黑河上游、新疆西部伊犁地區(qū)、塔里木河中上游以及阿勒泰山北部最高。

2 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，中國(guó)內(nèi)陸地區(qū)與東部地區(qū)相比，降水量稀少，因此發(fā)達(dá)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及東部地區(qū)。在此背景下，為發(fā)展西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)，解決當(dāng)?shù)赝恋鼗哪?、提高水資源利用率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為達(dá)到上述目的，為其方案提出提供可靠的參考依據(jù)，文章以西北新疆和甘肅地區(qū)為例，基于GIS分析對(duì)區(qū)域內(nèi)的水資源時(shí)空異質(zhì)性進(jìn)行研究，并得出了研究成果，但在研究中仍發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究，其中關(guān)鍵的是缺乏對(duì)各種因素與土壤水分時(shí)空異質(zhì)性之間相互影響關(guān)系的分析，因此在此未來(lái)研究重點(diǎn)將放在環(huán)境因子對(duì)土壤水分變異的影響分析上。