GIS技術在水文地質(zhì)領域的應用研究

閆芳芳

安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局326地質(zhì)隊 安徽 安慶 246003

地理信息系統(tǒng)是以計算機硬件為基礎的綜合技術，與獲取、編輯、儲存、查詢、計算、管理、顯示和分析地理空間數(shù)據(jù)的專門軟件相結(jié)合。該項目始于1960年代，側(cè)重于自然資源管理和規(guī)劃的一個領域。迄今為止，地理信息系統(tǒng)技術已得到迅速和多樣化的發(fā)展，并已用于土木工程、城市規(guī)劃、制圖遙感、甚至陸地和海洋資源管理等許多領域。GIS技術的水文地質(zhì)研究始于1990年代，是水文研究的熱點之一[1]。當今的地理信息系統(tǒng)技術是一種綜合技術，它集成了各種領域的專門軟件，并以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎運行。近年來，地理信息系統(tǒng)在水文的應用有所發(fā)展。

1 水文地質(zhì)信息及其特征

地理學作為地下水研究的課題，主要以氣象學、水文學、地質(zhì)生態(tài)學、地質(zhì)地貌和土壤植被為研究對象，其基礎研究工作是信息的獲取、存儲和分析。因此，水文地質(zhì)信息通過地下水的內(nèi)部數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、分布規(guī)律及其與周圍環(huán)境的關系來反映，具體表現(xiàn)如下。（1）空間特性。在分析地下水及其影響因素的基礎上，由于地下水的分布形式具有一定的空間特征，對地下水賦存狀態(tài)和移動情況的描述表現(xiàn)為與地理坐標密切相關的典型空間數(shù)據(jù)，為地下水的勘探、評價和管理提供了參數(shù)依據(jù)。（2）動態(tài)特性。動態(tài)和可恢復性，作為地下水資源與普通礦產(chǎn)資源的本質(zhì)區(qū)別，在流動特性上有一定的規(guī)律性，主要是通過排泄、徑流和補給的循環(huán)和交替。需要指出的是，為了保證管理策略的客觀性和先進性，應根據(jù)地下水的變化特征，對反映其狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息進行實時補充和更新。（3）多源信息的特征。一般來說，水文地質(zhì)、自然地理、基礎地質(zhì)、地質(zhì)生態(tài)和社會經(jīng)濟因素是影響地下水發(fā)生和移動的主要因素。信息不僅在尺度上不同于媒介，還以文本、圖像、圖表、報告和數(shù)字高程模型等各種形式來表達。受信息源差異的影響，數(shù)據(jù)描述可能不一致，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準。

2 GIS的發(fā)展現(xiàn)狀

水文不受單個因素的影響，而是受一系列因素的影響，包括地球運動、地質(zhì)特征、土壤條件、植被和人類活動。為了促進水文和地質(zhì)發(fā)展，特別是在技術層面，需要有一個更簡單、更簡單和更實用的技術作為支持。為了解決這個問題，祖先們采用并嘗試了計算機和數(shù)學建模技術等多項新技術。隨著技術的巨大進步，地理信息系統(tǒng)技術已發(fā)展成為水文研究項目的一項重要技術，該技術綜合了各種信息技術，例如地理信息的收集、分析和處理，以加快地理信息系統(tǒng)技術在水文領域的應用，推動水文學的發(fā)展?？紤]到國內(nèi)目前的形勢，水資源管理越來越多地利用新的現(xiàn)代信息技術進行自我改革，這是水文的一個重要方面。利用GIS技術加強水資源管理和實現(xiàn)水研究現(xiàn)代化是必不可少的。除了水資源管理應用之外，GIS技術還促進了發(fā)展的許多方面。地理信息系統(tǒng)技術作為我國全國地質(zhì)調(diào)查的一部分，促進地下水的規(guī)劃、管理、調(diào)查和規(guī)劃，改進地下水污染物的預警和保護，改進決策系統(tǒng)和地下水資源的模擬系統(tǒng)。因此，今后GIS技術將與水文地質(zhì)勘察結(jié)合的更加緊密，GIS的價值也會越來越明顯[2]。

3 GIS技術應用存在的問題

地理信息系統(tǒng)技術的應用存在著一系列問題，使地理信息系統(tǒng)技術的優(yōu)勢變得更加困難。工作人員應在存在明顯缺陷的情況下徹底審查這項技術。（1）工作數(shù)據(jù)缺乏標準化影響到GIS技術的整體應用。數(shù)據(jù)標準化程度不高，因此不同系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)不可用。對同一地區(qū)地質(zhì)水條件導致不同數(shù)據(jù)標準的反復調(diào)查分析，導致生產(chǎn)力明顯下降，影響了整個工作。（2）文測量隊的數(shù)據(jù)分析主要依靠自己的操作系統(tǒng)，導致數(shù)據(jù)不能直接用于同一個平臺的各種功能，降低了生產(chǎn)力，不僅實現(xiàn)了GIS技術的效率優(yōu)勢，而且降低了生產(chǎn)力。（3）數(shù)據(jù)共享的機會要多得多。大多數(shù)地質(zhì)水文單位在對有關地區(qū)進行分析后，并不與系統(tǒng)平臺一起使用數(shù)據(jù)，導致已經(jīng)開展研究的地區(qū)的水文地質(zhì)條件在許多情況下仍然是空的，而其他工作隊則在工作，這不僅降低了生產(chǎn)力，而且大大減少了調(diào)查分析中的工作人員。（4）平臺建設問題。數(shù)字化和聯(lián)網(wǎng)時，平臺體系結(jié)構是數(shù)據(jù)交換和信息共享的關鍵。GIS技術目前為水文地質(zhì)提供了一個平臺，在大多數(shù)情況下數(shù)據(jù)無法并行移動。當今，基于商業(yè)平臺組件的研發(fā)平臺是平臺的主要形式。即使兩者都有秋千，缺點也很明顯。

4 GIS技術在水文地質(zhì)領域的應用

4.1 水災預防

地理信息系統(tǒng)在現(xiàn)代防洪系統(tǒng)中具有明顯的應用價值。目前，防洪抗汛處使用的信息管理系統(tǒng)充分納入了GIS技術，將過去的洪水數(shù)據(jù)儲存在管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并可作為救災分析的抽樣來源，使近東救濟工程處工作人員能夠吸取經(jīng)驗教訓有關部門采用的將災害管理與決策相結(jié)合的信息管理系統(tǒng)可以提高數(shù)據(jù)和信息的準確性，同時幫助工作人員作出決策。通過綜合使用GIS技術，工作人員可以很容易地全面了解當?shù)氐膶嶋H情況，例如地貌特征、土壤數(shù)據(jù)等。并在明確定位的基礎上制定可行的解決方案。地理信息系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的一體化有助于最大限度地提高系統(tǒng)的效率，促進對管轄區(qū)內(nèi)土壤和水狀況的準確分析，有效應對可能的土壤侵蝕，并采取適當?shù)念A防措施。地理信息系統(tǒng)技術在防洪系統(tǒng)中的應用也反映在多層次決策中。地理信息系統(tǒng)使工作人員能夠預測洪水的規(guī)模，從而對不同類型的洪水進行分類，這也有助于提高防災和救災計劃的準確性。在管轄區(qū)發(fā)生水災時，工作人員可以通過災害管理系統(tǒng)合理地預防和控制管轄區(qū)內(nèi)的災害；GIS技術的應用還可以模擬救災地點，為工作人員找到最佳解決辦法，以便在預防和控制方面取得最佳效果[3]。

4.2 在繪制地下水位等位線圖中的應用

若要繪制潛在圖形(例如地下水位)，可以在GIS中實施GRD模型或三角網(wǎng)模型。其中GRD模型是基于關聯(lián)數(shù)學模型的隨機分布原始數(shù)據(jù)的網(wǎng)格插值，從而生成均勻間隔的數(shù)據(jù)點。三角網(wǎng)模型會根據(jù)需要將原始數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換為三角形細分，然后構建相鄰的拓撲關系以基于細分特征繪制潛力圖。此外，通過將DEM模型應用于地理信息系統(tǒng)，可以隨意提取水文地質(zhì)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)。在對離散數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格處理后，系統(tǒng)會自動生成潛在地圖，例如適當范圍內(nèi)的地下水水位，從而有效地模擬地下水的流場。使用者也可以選取注記設定、等高線圖層值、引線類型等資訊，以便更好地滿足實際需要。此外，還可以利用地理信息系統(tǒng)技術繪制具有不同特征的地下水的溫度場和化學場圖。

4.3 水資源管理

GIS與水資源管理的結(jié)合體現(xiàn)在管理的各個方面。將GIS技術應用于水資源開發(fā)，可以對開發(fā)過程進行合理控制，體現(xiàn)水資源開發(fā)的科學理念，有效保證水資源的長期利用[4]。將GIS技術結(jié)合到地下水資源管理系統(tǒng)中，可以充分發(fā)揮模擬思想的優(yōu)勢，模擬地下水環(huán)境，為地下水資源開發(fā)規(guī)劃的制定提供有效依據(jù)。結(jié)合GIS，地下水資源信息的收集和處理可以幫助工作人員直觀地掌握轄區(qū)內(nèi)地下水資源的分布狀況，有效解決傳統(tǒng)地下水資源管理模式中的不足和不足，在精確決策的基礎上，實現(xiàn)更有效的地下水資源管理方案，通過精確評價有效優(yōu)化地下水資源質(zhì)量。

4.4 地下水水質(zhì)評價及污染物分析

水和地下水對人類生活的重要性是不言而喻的，人類的生產(chǎn)生活離不開地下水資源。目前，水資源匱乏，水質(zhì)差，影響著人們的生活。人們迫切需要了解地下水的污染狀況，并合理利用地下水。GIS技術可以通過對地下水進行分析和監(jiān)測，在很大程度上實現(xiàn)這一過程[5]。GIS技術的主要應用過程是對地下水資源進行實時監(jiān)測，對資源信息和反饋污染信息進行處理和分析，建立數(shù)據(jù)庫，然后構建具有大量信息處理和分析的評價模型。模型系統(tǒng)為人們提供水質(zhì)相關信息和污染信息的反饋，有效管理地下水資源。

4.5 地面沉降監(jiān)測

礦產(chǎn)資源警告所引起的問題越來越受到重視，地理信息系統(tǒng)技術的應用有助于土地退化。地面沉降監(jiān)測也是GIS技術在水文地質(zhì)中的典型應用。GIS技術在當前地面沉降系統(tǒng)中的應用體現(xiàn)在沉降預測和廢棄物的開發(fā)中。例如，防止地面沉降的地理信息系統(tǒng)幫助工作人員預測地面沉降的大小和趨勢。該系統(tǒng)以Arc平臺和地圖基礎語言開發(fā)為基礎，能夠充分預測未來地面沉降趨勢，為地面沉降規(guī)劃提供重要依據(jù)。該缺席系統(tǒng)的應用結(jié)合了GIS技術，從而實現(xiàn)了缺席原理系統(tǒng)的可視化。技術人員利用專業(yè)軟件平臺，在邏輯上模擬土壤流失，同時準確確定影響土壤和水的主要因素。

4.6 地下水的保護

保護水資源一直是水文部門的一個重點，在這一領域進行了更多的研究和研究，是我國現(xiàn)代環(huán)境保護制度的重要組成部分。GIS技術的應用可以大大提高地下水保護的質(zhì)量和目標定位[6]。地理信息系統(tǒng)技術使人們能夠清楚地了解地下水資源的來源和分布情況，根據(jù)區(qū)域情況對保護區(qū)進行邏輯劃分，根據(jù)每個保護區(qū)的相同性質(zhì)制定適當和有效的地下水保護方案，并改進地下水保護目標。例如，在高度敏感地區(qū)，應采取嚴格的保護措施，有效控制該地區(qū)的地下水污染。GIS技術的應用實現(xiàn)了地下水保護的動態(tài)效應，利用GIS技術的優(yōu)勢進行可視化，建立了詳細的地下水監(jiān)測網(wǎng)，使技術人員能夠?qū)λY源進行動態(tài)監(jiān)測。

5 GIS技術的發(fā)展趨勢

GIS技術在水文地質(zhì)中的重要性不容忽視。下一步是與時俱進。水文也在各個行業(yè)迅速發(fā)展。GIS技術非常適合于這一領域的發(fā)展，但也注定要隨時退役。如果水文學的發(fā)展與GIS技術的發(fā)展不成比例，水文就有可能與它不斷分離，這對水文學的發(fā)展極為不利。因此，GIS技術必須適應水的開發(fā)，使軟件始終保持最新，不斷滿足這一領域的新要求，相輔相成。GIS必須優(yōu)化以下方向以滿足新階段的要求:

5.1 可視化建設

必須加強地理信息系統(tǒng)的可視化，以滿足水文地質(zhì)研究的需要。三維軟件和四維軟件是未來可視化發(fā)展的方向。必須加強三維可視化和三維可視化的理論研究，促進概念接口，促進研究工作，促進視覺研究的發(fā)展。在工程模擬中，塑型和模擬起著關鍵作用，并且是主要連結(jié)[7]。高級建模和模擬技術可以提高項目的可行性，并為項目提供更可靠的理論基礎。在地理信息系統(tǒng)技術應用于水文地質(zhì)學時，應努力開發(fā)建模軟件，為這一領域的視覺研究提供技術支持，并促進水文地質(zhì)學研究。

5.2 實現(xiàn)多方平臺的數(shù)據(jù)模型共享

GIS技術的應用產(chǎn)生了多種數(shù)據(jù)模型，包括相關地區(qū)地質(zhì)分析的結(jié)果，為保證工作質(zhì)量奠定了重要基礎。各單元應充分整合數(shù)據(jù)模型平臺的通用結(jié)構，確保共享部分公共搜索數(shù)據(jù)。此外，共享分析模型會影響工作的質(zhì)量和效率。不同的分析模型對不同的數(shù)據(jù)具有不同的分析功能。在未來的發(fā)展中，重點更多地放在共享平臺以進行模型分析上，從而為平臺數(shù)據(jù)分析提供了更好的選擇。

5.3 集成人工智能與仿真技術

隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展和進步，許多行業(yè)的工作被人工智能所取代，或者被人工智能的應用所促進。這是時代潮流，減少了人們的勞動負擔，減少了勞動問題，提高了勞動質(zhì)量。GIS技術在未來的實際應用中越來越好，必須與人工智能相結(jié)合[8]。這是一個極好的趨勢。仿真技術與人工智能等GIS技術的集成有助于進一步改進，對水文和各個領域的發(fā)展具有重要意義。但是，地理信息系統(tǒng)技術的應用也存在許多問題，阻礙了水文的發(fā)展及其自身的發(fā)展。為了確保GIS技術的合法性和科學完整性，人工智能與仿真技術的結(jié)合應立足于解決這些問題。例如，現(xiàn)在涉及GIS技術的智能DSS將成為發(fā)展方向。

5.4 基于空間動態(tài)特性的相關空間顯示和分析技術的發(fā)展

在水文地質(zhì)相關工作中，需要具體分析地下水分布及其動態(tài)特征的數(shù)據(jù)。在這種情況下，傳統(tǒng)的平面研究和目前常用的三維建模方法難以充分展示相關地區(qū)地下水的時空動態(tài)特征，也難以準確分析動態(tài)開發(fā)。因此，針對這一問題，應加強GIS技術中四維數(shù)字模擬技術的研究，加強數(shù)據(jù)模型構建過程中思維參數(shù)的整合，加強對地下水分分布和動態(tài)開發(fā)的研究分析，使工作人員對各自區(qū)域的地下水資源有更詳細的了解[9]。僅僅依靠GIS技術的現(xiàn)有功能，也很難建立一個四維數(shù)據(jù)模型。還需要充分分析其他輔助技術在這項工作中的額外作用。依托GIS技術平臺，整合各種可用技術，可以充分實現(xiàn)思維模式的構建和分析。

5.5 信息標準化

地理信息技術的基礎是收集、分析和分享能夠產(chǎn)生最大效益的實地數(shù)據(jù)。近年來，中國開展了大量數(shù)據(jù)標準化和數(shù)據(jù)共享研究，為促進數(shù)據(jù)標準化做出了重要貢獻。但是，GIS技術本身對信息標準化要求很高，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)標準不符合GIS技術對數(shù)據(jù)標準的要求。例如，GIS技術經(jīng)常應用于反映現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)分析和處理的分析方案。該過程得到非常詳細的數(shù)據(jù)標準的支持，該標準為隨后交換開放數(shù)據(jù)奠定了基礎。因此，在開發(fā)未來地理信息系統(tǒng)時，必須充分整合最高的數(shù)據(jù)標準，以滿足地理信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)標準方面的要求[10]。

6 結(jié)束語

在GIS技術的支持下，水文地質(zhì)研究取得了相當大的進展，證明了這些技術在這方面的實際價值。地理信息系統(tǒng)具有技術優(yōu)勢，可以補充地下水質(zhì)量監(jiān)測和研究，促進對地下水的保護，并為戰(zhàn)略資源分配提供技術支持。地理信息系統(tǒng)的建設、實時管理模式的建立和視覺建模技術的發(fā)展，可以使地理信息系統(tǒng)成為一個更加實用的水文地質(zhì)研究工具，并促進許多領域的協(xié)調(diào)發(fā)展。