地理信息系統(tǒng)在地下水脆弱性評價中的應(yīng)用

鄧成鑫 李紹飛 岳凌霜 呂靜楠 丁佳 王金楠 張曉琦

摘要：《地理信息系統(tǒng)》是水文與水資源工程專業(yè)的特色專業(yè)課程，重點講述了地理空間數(shù)據(jù)的特征及處理方法。本文利用地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大的空間分析功能，提取天津市平原區(qū)地下水脆弱性影響因素的原始數(shù)據(jù)，基于模糊識別理論和組合賦權(quán)法構(gòu)建地下水脆弱性評價模型，在天津市平原區(qū)劃分網(wǎng)格，進(jìn)行實例計算，得到地下水脆弱性分布圖，為地下水污染的防治提供建議。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；空間數(shù)據(jù)處理；地下水污染風(fēng)險；評價

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）05-0053-02

地理信息系統(tǒng)（GIS），是一門介于地球科學(xué)與信息科學(xué)之間的交叉學(xué)科，目前已成為現(xiàn)代地學(xué)研究的強(qiáng)有力的技術(shù)工具。天津農(nóng)學(xué)院水文與水資源工程專業(yè)在第七學(xué)期開設(shè)了專業(yè)選修課程《地理信息系統(tǒng)》，課堂講授16學(xué)時，上機(jī)操作16學(xué)時。重點講述了地理信息系統(tǒng)的基本概念、構(gòu)成、功能及其發(fā)展趨勢；地理空間數(shù)據(jù)的特征及其計算機(jī)表示方法、空間數(shù)據(jù)的處理方法；空間數(shù)據(jù)庫的基本理論，空間分析的原理和方法，水文學(xué)中常用的數(shù)據(jù)分析功能等。通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握了地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)處理與分析方法，培養(yǎng)了初步應(yīng)用能力。在GIS平臺，將各圖片繪制成矢量文件，并同時編輯屬性表，利用空間分析功能提取各計算單元的原始數(shù)值。建立基于模糊識別理論的地下水脆弱性評價模型，開展天津市平原區(qū)地下水脆弱性評價研究，繪制地下水脆弱性分布圖，為保護(hù)地下水資源、規(guī)劃利用土地，提供決策參考。

一、GIS的空間分析功能

GIS區(qū)別于一般的信息系統(tǒng)、CAD以及電子地圖系統(tǒng)的主要標(biāo)志是具有空間分析功能，配合空間數(shù)據(jù)的屬性信息，GIS可以提供空間數(shù)據(jù)的查詢、計算、統(tǒng)計分析等功能?？臻g分析主要通過空間數(shù)據(jù)和空間模型的聯(lián)合分析來挖掘空間目標(biāo)的潛在信息，比如各要素的空間位置、分布、距離、方位、拓?fù)潢P(guān)系等，將空間目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)合起來，可以進(jìn)行空間計算與分析。

二、地下水脆弱性評價數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

地下水脆弱性是指地下水系統(tǒng)容易遭受污染的程度。最早由法國學(xué)者xx提出脆弱性的概念，1987年，美國環(huán)保署（USEPA）提出了包含地下水埋深、含水層介質(zhì)、滲透系數(shù)、土壤類型、凈補(bǔ)給量、包氣帶巖性、坡度等7項影響因子的加權(quán)指數(shù)疊加法——DRASTIC評價方法。DRASTIC評價方法概念明確，能夠較好地與GIS結(jié)合起來，適合于區(qū)域尺度的地下水脆弱性評價，在許多國家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。本文以天津市平原區(qū)為研究區(qū)域，開展地下水脆弱性評價研究，利用GIS的空間分析功能提取各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)?！短旖蚴兴牡刭|(zhì)圖集》和《中國土壤》兩本圖集中，包含了地下水埋深、含水層介質(zhì)、滲透系數(shù)、凈補(bǔ)給量、包氣帶巖性、土壤類型的分布圖，拍照存為圖片格式文件（比如.jpg文件），在GIS平臺，導(dǎo)入上述圖片格式文件，將其作為底圖逐一描繪，并根據(jù)圖集中標(biāo)注的數(shù)據(jù)（或者巖性類型）編輯各要素對應(yīng)的屬性表，由此可繪制各影響因子的矢量文件（.shp文件），該矢量文件既能夠呈現(xiàn)出各要素的空間分布，又通過屬性表給出了空間位置上各項影響因子的屬性數(shù)據(jù)。由GIS繪制得到的天津市平原區(qū)的地下水埋深、含水層介質(zhì)、滲透系數(shù)、土壤類型、凈補(bǔ)給量、包氣帶巖性等六項影響因子的分布圖（矢量文件）。其中，由于包氣帶類型、含水層巖性和土壤類型屬于定性指標(biāo)，在地下水脆弱性評價的計算中需要加以量化，本文根據(jù)不同的巖性類型對其進(jìn)行了量化，從具體量化標(biāo)準(zhǔn)可看出：（1）薊縣山前和武清西北部包氣帶類型的量化分值較高，由粗砂組成。中東部平原的北部多為粉砂，南部多為粉砂亞黏土互層，顆粒較細(xì)，量化分值相對較低。（2）地下水埋深由北部山前平原向東、南部的濱海平原逐漸減小，薊縣北部山前地帶埋深在15米以上，寶坻斷裂以南廣大平原區(qū)埋深在3米以內(nèi)。（3）含水層巖性的量化分值由北部向東南逐漸減小，表明巖性顆粒逐漸變細(xì)。（4）從北部山前平原到南部平原，凈補(bǔ)給量呈現(xiàn)出由大到小再增大的趨勢。（5）含水層滲透系數(shù)的變化趨勢和含水層巖性相似，由北部向東南逐漸減小，北部大于10.7m/d，而南部地區(qū)則低于4.3m/d。

在GIS平臺，將研究區(qū)劃分成1000m×1000m的網(wǎng)格，共11031個。以每個網(wǎng)格為計算單元，提取每個網(wǎng)格的除坡度以外的6項影響因子的原始數(shù)據(jù)，具體方法是，在重新繪制一個矩形區(qū)域（涵蓋研究區(qū)），對其利用fish net工具劃分網(wǎng)格，然后用研究區(qū)的邊界的面狀矢量文件利用clip工具對其裁剪，由此得到研究區(qū)的網(wǎng)格狀的矢量圖。利用該矢量圖的屬性表的“連接和關(guān)聯(lián)”中的“在同一空間位置的屬性相連”的空間處理功能，分別連接6項影響因子的面文件，可以得到屬相表中包含上述六項評價因子數(shù)據(jù)的以網(wǎng)格為單元的面矢量文件。

三、天津市平原區(qū)地下水脆弱性評價

DRASTIC方法在廣泛應(yīng)用的同時，也顯示出方法自身存在的缺陷，包括：（1）對各參數(shù)賦予固定不變的經(jīng)驗性權(quán)重值；（2）未考慮指標(biāo)值在同一個評分等級范圍內(nèi)變化的連續(xù)性和模糊性。本文選取除坡度以外的6項指標(biāo)作為含水層易污性評價指標(biāo)，為克服DRASTIC方法的缺陷，在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于模糊識別理論，采用文獻(xiàn)[1]提出的地下水防污性能模糊評價方法，計算模糊隸屬度矩陣；采用文獻(xiàn)[2]中提出的客觀權(quán)重計算方法——熵權(quán)法和文獻(xiàn)[3]中提出的主觀權(quán)重計算方法——層次分析法的算術(shù)平均計算綜合權(quán)重值。

1.指標(biāo)權(quán)重計算。分別利用熵權(quán)法和層次分析法（AHP法），算得各指標(biāo)的熵權(quán)和AHP權(quán)重，具體計算步驟見文獻(xiàn)[1]、[2]，求二者算術(shù)平均值的權(quán)重向量。

四、結(jié)論

地理信息系統(tǒng)（GIS）目前已成為現(xiàn)代地學(xué)研究的強(qiáng)有力的技術(shù)工具，具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理功能。區(qū)域地下水脆弱性評價，屬于空間數(shù)據(jù)提取和處理的問題，本文利用地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，提取天津市平原區(qū)地下水脆弱性評價的6項指標(biāo)，采用基于模糊識別理論的地下水脆弱性評價模型進(jìn)行實例應(yīng)用，并通過GIS繪制地下水脆弱性等級分布圖，為保護(hù)地下水環(huán)境、防治地下水污染提供建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]李紹飛，李冠佑，閆東，等.基于地下水污染風(fēng)險模糊評價模型及其應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2017，35（7）：76-80.

[2]白慶芹，汪妮，解建倉，等.基于模糊綜合評價法的城市河流脆弱性研究[J].水土保持通報，2012，32（01）：244-247.

[3]張小凌，等.基于層次分析法的DRASTIC模糊評價方法探討——以云南曲靖盆地為例[J].工程勘察，2014，（7）：41-46.