地理信息技術(shù)在地下水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用初探

張 馳，楊聯(lián)安

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710127)

地下水作為當(dāng)今淡水資源的重要組成部分，擁有重要價(jià)值和作用。現(xiàn)階段，地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)主要可以分為人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)兩種方式?，F(xiàn)有的地下水監(jiān)測(cè)方式，對(duì)于小范圍地下水資源還可使用，但是對(duì)于大范圍的地下水資源的研究和管理工作，需要融合地理信息技術(shù)，更好地快速的對(duì)大面積地下水環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到宏觀、快速、綜合、動(dòng)態(tài)地完成地下水的監(jiān)測(cè)工作。

1 地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)主要可以分為人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)兩種方式。而在我國(guó)，對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)主要是以人工監(jiān)測(cè)方式為主，然后通過(guò)人工的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和傳輸，這對(duì)于海量且復(fù)雜的地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理是很不方便的。從地下水的自動(dòng)監(jiān)測(cè)方面來(lái)看，我國(guó)的監(jiān)測(cè)技術(shù)的普及程度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及西方發(fā)達(dá)國(guó)家的地下水監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度。水質(zhì)監(jiān)測(cè)由于其監(jiān)測(cè)頻次要求低、監(jiān)測(cè)要素復(fù)雜、監(jiān)測(cè)費(fèi)用昂貴等，不論在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，一般都是人工取樣監(jiān)測(cè)方式，因此從監(jiān)測(cè)頻次上來(lái)看，由于我國(guó)擁有一支完整的水文專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍，對(duì)地下水監(jiān)測(cè)頻次還是明顯高于國(guó)外的［1］。

對(duì)于地下水的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，主要由水位、水質(zhì)、水溫三大部分組成。

地下水水位的監(jiān)測(cè)是地下水?dāng)?shù)據(jù)中較為重要的數(shù)據(jù)之一，而如今現(xiàn)有的大部分監(jiān)測(cè)站的任務(wù)便是對(duì)地下水位的監(jiān)測(cè)，又叫做對(duì)埋深的監(jiān)測(cè)。人工地下水位的監(jiān)測(cè)主要采用的方法有測(cè)蠱和電接懸錘式水尺。此類方法較為簡(jiǎn)單，目前測(cè)蠱一直在大范圍內(nèi)進(jìn)行使用，但是使用該方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，水位測(cè)量值不會(huì)很準(zhǔn)確。而電接觸懸錘式水尺便于攜帶，對(duì)使用者的要求并不高，而且其測(cè)量精度也較高，因此其優(yōu)勢(shì)較大。而自動(dòng)監(jiān)測(cè)地下水位主要是應(yīng)用浮子式地下水位計(jì)、壓力式地下水位計(jì)等。浮子式地下水位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，便于操作維護(hù)。只要測(cè)井口徑滿足安裝要求，測(cè)井的傾斜度滿足要求，可以用于所有地點(diǎn)，水位測(cè)量的準(zhǔn)確性也較高［2］。

人工地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)也是主要以人工方式為主，研究人員通過(guò)地下水采樣泵和采樣器對(duì)地下水進(jìn)行采樣，再進(jìn)行人工化驗(yàn)的方式進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。也可以通過(guò)便攜式自動(dòng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行半自動(dòng)半人工的地下水采樣和測(cè)量分析過(guò)程。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以分為電極法水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)方法和抽水采樣自動(dòng)分析方法，目前基本上都是采樣電極法水質(zhì)自動(dòng)測(cè)量［3］。

地下水水溫的書(shū)瑤監(jiān)測(cè)工具便是數(shù)字式溫度計(jì)測(cè)溫。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)水溫的測(cè)量常常可以與水質(zhì)信息的測(cè)量一并進(jìn)行，將多傳感器與數(shù)字溫度計(jì)相聯(lián)系即可。

2 3S技術(shù)在地下水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3S技術(shù)是以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以遙感技術(shù)(Remote Sensing，簡(jiǎn)稱 RS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS)，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS)為主要手段，以計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)為支撐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大容量空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、管理、分析等一系列處理方法的實(shí)現(xiàn)的技術(shù)體系。地理信息技術(shù)可以在地下水監(jiān)測(cè)的各個(gè)環(huán)節(jié)得到應(yīng)用。

2.1 遙感技術(shù)的應(yīng)用

遙感是利用遙感器從空中獲得地面物體性質(zhì)的方法，它可以根據(jù)不同物體對(duì)波譜的反射相應(yīng)不同的原理，來(lái)識(shí)別地物。按照遙感平臺(tái)分類，可以將遙感分為:地面遙感、航空遙感、航天遙感。利用飛行器上載有的遙感器來(lái)獲取地面數(shù)據(jù)資料，并從中獲取信息，進(jìn)行記錄、傳送、分析和判讀來(lái)識(shí)別地物。

遙感作為一種可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行綜合探測(cè)的技術(shù)，可以解決地下水大面積監(jiān)測(cè)難的問(wèn)題。利用遙感技術(shù)，可以根據(jù)地表冰雪、徑流等可進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析，根據(jù)其變化特點(diǎn)，估算地下水補(bǔ)給量和勘探區(qū)域地下水資源存儲(chǔ)量，確定其空間分布范圍，評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)，對(duì)地下水動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)［4］。

2.2 GPS技術(shù)的應(yīng)用

GPS是一種結(jié)合衛(wèi)星以及通訊發(fā)展的技術(shù)，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行當(dāng)行定位，利用GPS進(jìn)行全球?qū)Ш蕉ㄎ痪哂卸ㄎ痪雀?、觀測(cè)時(shí)間短、提供三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便、全天候作業(yè)等特點(diǎn)。

GPS憑借其操作簡(jiǎn)單、定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短等特點(diǎn)，可以供研究人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣定位，獲取地下水采樣點(diǎn)的三維空間信息，可以為地下水三維建模提供可能，也可以提高定位精度和速度。如今GPS在地下水資源的管理和監(jiān)測(cè)中應(yīng)用比較廣泛，例如王海英［5］等人利用GPS、GIS技術(shù)與PMWIN地下水模型技術(shù)在冀北壩上高原綜合資源評(píng)估中聯(lián)合應(yīng)用，其中GPS在該研究中就被用來(lái)作為地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測(cè)井的定位工作。

2.3 GIS技術(shù)的應(yīng)用

GIS是基于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的技術(shù)支持下，對(duì)地球空間中有關(guān)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示以及綜合應(yīng)用的綜合性技術(shù)系統(tǒng)。GIS技術(shù)可以將具有空間信息特征的事物進(jìn)行聯(lián)系、描述分析，進(jìn)而得到一系列客觀規(guī)律，模擬現(xiàn)實(shí)世界，模仿現(xiàn)實(shí)世界的一些發(fā)展過(guò)程。

地下水空間分布不均勻，信息雜亂，且控制點(diǎn)少，造成了傳統(tǒng)方法對(duì)于地下水研究工作的展開(kāi)的阻力。而GIS技術(shù)憑借其強(qiáng)大的大容量空間數(shù)據(jù)管理集成功能，以及對(duì)于空間信息的分析功能，為地下水?dāng)?shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、空間分析，以及后續(xù)的管理和研究工作提供了重要的技術(shù)支撐。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)田納西流域管理局首次將GIS技術(shù)引入水資源的管理中，利用GIS技術(shù)的處理和分析功能，將田納西各個(gè)流域的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，為其后續(xù)的管理規(guī)劃工作提供了參考資料以及決策服務(wù)。20世紀(jì)80年代后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，GIS在水資源以及水文研究領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸變得地舉足輕重。20世紀(jì)90年代以來(lái)，在水文學(xué)和水資源管理研究中，GIS技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)內(nèi)容。1993年在維也納召開(kāi)“地理信息系統(tǒng)在水文學(xué)和水資源管理中的應(yīng)用”專題會(huì)議［6］;1995年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)召開(kāi)了“水資源系統(tǒng)的模擬與管理專題學(xué)術(shù)會(huì)議”等。國(guó)內(nèi)的地下水資源管理和研究與地理信息技術(shù)相結(jié)合始于20世紀(jì)80年代，之后其發(fā)展非常迅速。例如:雷靜［7］結(jié)合GIS技術(shù)，根據(jù)唐山市平原區(qū)的具體情況對(duì)唐山市平原區(qū)地下水脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并繪制了唐山市平原區(qū)地下水分布圖，分析結(jié)果和該地區(qū)實(shí)地測(cè)出的硝酸鹽的濃度吻合度相對(duì)較好。武強(qiáng)［8］等人利用Mapinfo作為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了“塔里木盆地水資源開(kāi)發(fā)管理的地理信息系統(tǒng)”，將GIS技術(shù)運(yùn)用于塔里木盆地的水資源開(kāi)發(fā)和管理的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了GIS與水文地質(zhì)學(xué)的專業(yè)分析的結(jié)合。

3 地理信息技術(shù)的集成應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，地理信息技術(shù)常常相互交叉滲透。RS技術(shù)為GIS技術(shù)提供了數(shù)據(jù)參考源，將數(shù)據(jù)的更新提供途徑，GIS的強(qiáng)大分析功能彌補(bǔ)了RS的分析功能的不足，GPS技術(shù)能夠提高定位精度，形成三維坐標(biāo)，為GIS的空間建立三維模型提供可能，GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間可視化［9］。

利用RS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，加快地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)更新，使數(shù)據(jù)更加實(shí)時(shí)化。利用GPS技術(shù)對(duì)大范圍地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位，獲取地下水監(jiān)測(cè)參數(shù)的空間三維數(shù)據(jù)，為GIS系統(tǒng)建立空間三維模型奠定基礎(chǔ)。GIS模型和地下水專業(yè)模型相結(jié)合［10］，建立基于GIS的地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 基于地理信息技術(shù)的地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié)語(yǔ)

大范圍的地下水信息數(shù)據(jù)容量大，空間信息復(fù)雜，基于傳統(tǒng)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，地理信息技術(shù)可以使大范圍地下水監(jiān)測(cè)工作的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)管理功能更加準(zhǔn)確化和實(shí)時(shí)化，并且可以讓地下水網(wǎng)地圖的三維可視化技術(shù)和多維空間分析技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，將提供更多的適用于地下水監(jiān)測(cè)的功能。大數(shù)據(jù)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、三維模擬技術(shù)在地理信息技術(shù)的滲透更加強(qiáng)了地理信息技術(shù)在地下水監(jiān)測(cè)的廣泛應(yīng)用。地理信息技術(shù)在地下水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有很大潛力。

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