基于GIS 技術(shù)下水文地質(zhì)領(lǐng)域的研究

方壽軍

（臨滄市水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 臨滄 677099）

1 GIS 技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用概述

1.1 水文地質(zhì)學(xué)

水文地質(zhì)學(xué)是地質(zhì)學(xué)衍生的分支，是以地下水為主要研究對象，結(jié)合地表和地形地質(zhì)特點綜合勘查地下水資源量、地下水特性，進而合理開發(fā)和保護地下水資源。水文地質(zhì)學(xué)主要研究地質(zhì)地貌、水文氣象、土壤植被及地質(zhì)生態(tài)等，其工作內(nèi)容主要為搜集獲取信息數(shù)據(jù)，進而分析地下水資源的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征和周邊地質(zhì)條件之間的關(guān)系，并以文字報表、圖形圖像或DEM（數(shù)字高程模型）等多種形式表現(xiàn)，為合理開發(fā)水資源、保護水資源及預(yù)防各類地質(zhì)災(zāi)害提供理論依據(jù)[1]。

1.2 GIS 技術(shù)

水文地質(zhì)勘查需要大量的數(shù)據(jù)信息，且大部分勘查現(xiàn)場地形復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集方式，需要消耗大量的人力、物力資源，已無法滿足當(dāng)前應(yīng)用發(fā)展的要求[2]。

GIS 空間信息系統(tǒng)是一門多專業(yè)交叉的學(xué)科，主要包含地理學(xué)、計算機學(xué)、遙感學(xué)等，是以計算機系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進行數(shù)據(jù)信息采集、編輯、分析等管理的綜合技術(shù)系統(tǒng)。GIS 技術(shù)在我國的應(yīng)用始于20 世紀70 年代初，技術(shù)的應(yīng)用既節(jié)省了水文地質(zhì)研究的時間，又顯著提高了水文研究的精度，推動了水文地質(zhì)學(xué)的快速發(fā)展[3]。

GIS 技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是利用計算機系統(tǒng)，分析衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對水文信息的搜集、匯總、分類與分析，全面掌握地下水資源現(xiàn)狀，預(yù)測發(fā)展趨勢，提高地下水資源規(guī)劃的科學(xué)性。GIS 技術(shù)的應(yīng)用不僅可以有效解決傳統(tǒng)水文監(jiān)測管理存在的各種瓶頸問題，還可以為地理信息系統(tǒng)的完善提供理論支持，對全面提升水資源開發(fā)利用與綜合保護具有重要的促進意義[4]。

2 GIS 技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 水文信息監(jiān)測

GIS 技術(shù)具有時空數(shù)據(jù)整合特性，不僅能實時監(jiān)測各區(qū)域內(nèi)的水文信息，同時還能處理和利用水文信息數(shù)據(jù)，為水文信息監(jiān)測工作提供依據(jù)。如利用GIS 技術(shù)預(yù)測水文設(shè)計模型中的各項參數(shù)，在獲取精準數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提高水文模型的應(yīng)用質(zhì)量[5]。在數(shù)字高程模型中，將水力學(xué)相關(guān)技術(shù)與GIS 技術(shù)進行有機融合，增強水文信息監(jiān)測工作的真實性和針對性。

2.2 水資源專題規(guī)劃圖的繪制

水資源規(guī)劃的主要任務(wù)，是利用GIS 技術(shù)建立多種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，比如GIS 圖形庫、水資源實測數(shù)據(jù)庫等。傳統(tǒng)的水資源規(guī)劃需要相關(guān)工作人員在現(xiàn)場進行實地測量，耗時長、誤差大，而GIS 技術(shù)的引入，使得規(guī)劃設(shè)計更加方便、快捷，同時該技術(shù)操作簡便、數(shù)據(jù)更新快。

GIS 軟件系統(tǒng)能根據(jù)不同需求，規(guī)劃并繪制水資源供需圖、水資源污染分布圖等多種類型的水資源專題規(guī)劃圖。利用GIS 所具備的強大空間分析能力，不僅能完成人口分布、水資源空間分布等定量分析，還能確保規(guī)劃設(shè)計的精準度，進而依托GIS 強大的查詢和分析功能快速、直觀地完成研究區(qū)域內(nèi)規(guī)劃設(shè)計的可行性方案，為水資源的實時監(jiān)測、規(guī)劃設(shè)計和評估工程質(zhì)量提供理論依據(jù)。

2.3 水文地質(zhì)調(diào)查

水文鉆探、物探以及地質(zhì)測繪是水文地質(zhì)調(diào)查的主要內(nèi)容，GIS 技術(shù)在地下水資源監(jiān)測中，可以實時搜集水文數(shù)據(jù)資料，建立數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)可視化操作，包括可視化顯示、查詢及信息檢索，同時還能預(yù)測水文地質(zhì)的動態(tài)發(fā)展趨勢，以便于探索地下水資源變化規(guī)律。此外，通過GIS 技術(shù)能建立數(shù)據(jù)平臺與數(shù)據(jù)模型，提供較為完善的數(shù)據(jù)信息，提升調(diào)查與監(jiān)測效率，尤其是將GIS 技術(shù)與全球定位技術(shù)、遙感技術(shù)相結(jié)合以后，能大幅度提高調(diào)查效率與評價精度，為地下水資源的管理決策提供科學(xué)建議。

2.4 水質(zhì)評價

受到外界環(huán)境與人為因素的雙重影響，地下水水質(zhì)會經(jīng)歷較為復(fù)雜的演化過程，最終成為難以解決的地下水污染問題。GIS 技術(shù)可以通過對信息的綜合分析功能及建模方式解決地下水水質(zhì)惡化問題。利用GIS 技術(shù)動態(tài)模擬污染物的空間分布規(guī)律，當(dāng)出現(xiàn)地下水污染事故時，能快速掌握污染源發(fā)生的地點、水文現(xiàn)狀等相關(guān)信息，從而及時判斷出水體污染強度，以便做出適宜的應(yīng)急措施。

2.5 地下水資源管理

GIS 技術(shù)在地下水資源管理中的應(yīng)用，主要集中在水資源規(guī)劃設(shè)計、開采以及調(diào)度三個方面[6]。因此，對水資源分區(qū)后，利用GIS 技術(shù)可以構(gòu)建出科學(xué)高效的管理模式，直觀呈現(xiàn)水資源分布情況及水量動態(tài)變化趨勢，并能實時建立水資源管理模型，提升水資源管理與決策成效，達到節(jié)約用水的目的。

2.6 水災(zāi)預(yù)防

當(dāng)前GIS 技術(shù)已廣泛運用于現(xiàn)代洪水預(yù)報工作中，成為水情預(yù)報領(lǐng)域的主要技術(shù)手段。在水災(zāi)預(yù)防中，采用GIS 技術(shù)可以建立信息化管理平臺，進行水文空間數(shù)據(jù)的信息收集、查詢、搜索等工作，極大程度上提升了各項信息資源的利用率。

GIS 技術(shù)在災(zāi)情風(fēng)險分析與區(qū)域規(guī)劃中發(fā)揮著重大作用。利用GIS 技術(shù)對排水設(shè)施進行規(guī)劃設(shè)計，可以快速做出應(yīng)對措施，可視化地協(xié)助城市排泄洪澇積水。此外，GIS 技術(shù)能模擬計算洪水的發(fā)生概率及強度，有效評估洪災(zāi)的危害程度，準確核算各項損失，進而完善GIS 水災(zāi)評估機制，為防洪、防汛提供決策依據(jù)。

2.7 地下水資源保護

地下水資源保護主要從水源保護區(qū)劃分、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化、污染源調(diào)查與評價和地下水脆弱性評價四個方面入手[7]。地下水脆弱性評價是地下水資源保護研究中的重大課題，利用GIS 技術(shù)與DRASTIC模型的結(jié)合，能建立承壓水評價體系，更加科學(xué)地分析地下水脆弱成因。

GIS 技術(shù)與RS 技術(shù)結(jié)合。通過RS 技術(shù)實時精準地獲取水資源資料，利用GIS 技術(shù)進行數(shù)據(jù)分析整理，建立專用水資源保護系統(tǒng)，在GIS 系統(tǒng)中輸入各類水文數(shù)據(jù)資料，可模擬地下水資源污染的發(fā)生演變情況，并通過圖像形式呈現(xiàn)出來，以驗證水資源保護方案的可行性和實施效果。

3 GIS 技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢

GIS 技術(shù)具有實時準確獲取信息、操作管理方便、動態(tài)監(jiān)測空間信息等多種優(yōu)點。GIS 技術(shù)的超強功能，使其廣泛應(yīng)用在水文地質(zhì)領(lǐng)域的地下水資源開發(fā)利用、水資源保護、防洪減災(zāi)、地下水資源監(jiān)測建模及水質(zhì)評價等方面。GIS 技術(shù)不足之處表現(xiàn)在，數(shù)據(jù)分析能力有待提升、互操性較差等。但隨著信息技術(shù)和水文地質(zhì)學(xué)科的不斷發(fā)展，在水文地質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 集成化建模

GIS 技術(shù)和RS 技術(shù)都具有豐富法人柵格信息，且兩者的柵格數(shù)據(jù)與地下水?dāng)?shù)值模型的離散網(wǎng)格相似度較高。因此，充分利用RS 的動態(tài)監(jiān)測和GIS 技術(shù)空間數(shù)據(jù)處理能力，將現(xiàn)有的計算模型轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)的分布式模型，進而能實現(xiàn)GIS 技術(shù)、RS 技術(shù)和地下水?dāng)?shù)值模型的有機集成。

3.2 多維化分析研究

現(xiàn)有的GIS 技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域并不能完全實現(xiàn)三維或四維可視化分析，在實際應(yīng)用中無法滿足部分工作要求，尤其體現(xiàn)在水文地質(zhì)勘測、地下水動態(tài)分析和模型運行結(jié)果分析等方面。因此今后應(yīng)加強研究多維化立體技術(shù)，充分利用GIS 技術(shù)，不斷開發(fā)多維可視化空間顯示軟件，以便更好地服務(wù)于水文地質(zhì)工作。

3.3 創(chuàng)新3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)的應(yīng)用

GIS 系統(tǒng)可以對地下水文地質(zhì)進行空間信息監(jiān)測，GPS 系統(tǒng)可以通過高精度的定位技術(shù)提高水文地質(zhì)信息監(jiān)測的速度和精度，RS 技術(shù)能搜索到分辨率較高的地質(zhì)空間信息，且不受時限、波段的影響，“3S”技術(shù)的結(jié)合將進一步提高水文地質(zhì)工作的效率、信息精度及宏微觀信息的實時性[8]。目前我國并未實現(xiàn)3S一體化技術(shù)的應(yīng)用，大部分地區(qū)僅采用單項或2S 技術(shù)模式，沒有充分發(fā)揮“3S”技術(shù)的優(yōu)勢。后期應(yīng)充分發(fā)揮“3S”技術(shù)的主導(dǎo)作用，創(chuàng)新“3S”一體化技術(shù)，實現(xiàn)水文地質(zhì)工作現(xiàn)代化、多元化發(fā)展。

3.4 與人工智能相結(jié)合

隨著科技社會的發(fā)展，可以用GIS技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，以緩解操作人員的工作壓力和操作危險性，而且可以避免因工作人員主觀或疏忽出現(xiàn)的數(shù)據(jù)誤差，有效提高工作的效率和精度。

3.5 趨向標準化和規(guī)范化

GIS 技術(shù)的局限性表現(xiàn)在缺乏針對性，其數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的應(yīng)用平臺的數(shù)據(jù)格式存在一定差異，部分數(shù)據(jù)不能正常使用[9]。因此，未來應(yīng)積極完善GIS 軟件平臺，制定完善的統(tǒng)一標準，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，構(gòu)建完善的應(yīng)用模型，規(guī)范GIS 技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用標準，逐步實現(xiàn)信息資源共享。

4 結(jié)語

GIS 技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如水文信息監(jiān)測、水資源專題規(guī)劃圖的繪制、水文地質(zhì)調(diào)查、水質(zhì)評價、地下水資源管理、水災(zāi)預(yù)防和地下水資源保護等方面。但在實際應(yīng)用中仍存在諸多問題，如數(shù)據(jù)分析能力弱、互操性差等，因此在未來的研究中，應(yīng)加強GIS 技術(shù)與GPS、RS 等技術(shù)的集成，加大多維可視化軟件的開發(fā)，積極融合人工智能，逐步提高GIS 技術(shù)應(yīng)用的標準化和規(guī)范化，為GIS 技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域的快速發(fā)展提供充足動力。