松嫩平原水文地理區(qū)劃與分析

劉庚煒,王美玉,高雅琪,尉意茹,3*

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江省寒區(qū)水文與水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080;3.東北聯(lián)邦大學(xué) 地質(zhì)勘探學(xué)院, 雅庫茨克 677000)

在北方地區(qū),地下水擔(dān)負(fù)著主要供水的責(zé)任,地下水功能區(qū)劃是地下水評(píng)價(jià)與利用的基礎(chǔ),水文地質(zhì)區(qū)劃則是地下水功能區(qū)劃的前提條件。松嫩平原是我國大型商品糧基地和畜牧基地,對(duì)松嫩平原水文地質(zhì)進(jìn)行區(qū)劃是促進(jìn)松嫩平原經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步甚至保護(hù)中國糧食安全的關(guān)鍵因素。筆者以縣級(jí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過利用Arc-GIS對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裁剪得到了松嫩平原的shp數(shù)據(jù)[1],得出了松嫩平原的高程圖,將研究區(qū)地形地貌[2]、構(gòu)造地質(zhì)單元[3]以及地表水系作為區(qū)劃指標(biāo),利用 Arc-GIS 軟件將研究區(qū)魚網(wǎng)化劃分成同等尺寸的網(wǎng)格[4],生成網(wǎng)格圖層并進(jìn)行分區(qū)。

1 研究區(qū)概況

圖1 松嫩平原高程

圖2 松嫩平原位置

2 松嫩平原單因素區(qū)劃

2.1 松嫩平原行政區(qū)劃

通過下載中國行政邊界市級(jí)shp文件并導(dǎo)入到地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)中,初步形成松嫩平原邊界,根據(jù)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)高程圖對(duì)松嫩平原邊界進(jìn)行裁剪,最終得出松嫩平原行政區(qū)劃圖(圖3)。

圖3 松嫩平原行政區(qū)劃

依照行政區(qū)劃將松嫩平原分為12個(gè)部分,區(qū)劃結(jié)果如表1所示。

表1 松嫩平原行政分區(qū)

2.2 松嫩平原水文地質(zhì)區(qū)劃

完整的水文地質(zhì)單元界線是地下水開發(fā)與利用的基礎(chǔ)[7],對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)區(qū)劃需要綜合考慮多種因素的影響,地理位置、高度及其他地理因素上的不同會(huì)形成獨(dú)特的區(qū)域特征。松嫩平原地形區(qū)劃結(jié)果如圖4所示。

圖4 松嫩平原地形區(qū)劃

結(jié)合地形地貌特征、主要開采含水層間的相互影響作用,將松嫩平原分為5個(gè)部分,區(qū)劃結(jié)果以及所具有特征如表2所示。

表2 松嫩平原地形分區(qū)

松嫩平原作為我國重要的產(chǎn)糧基地,對(duì)水資源的需求巨大,而地形地貌對(duì)于降水入滲補(bǔ)給地下水有著很大的影響,因此,對(duì)于地形地貌進(jìn)行區(qū)劃是對(duì)松嫩平原地下水進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。

2.3 松嫩平原流域區(qū)劃

將下載的研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GIS中,依照DEM數(shù)據(jù)對(duì)松嫩平原進(jìn)行初步處理,運(yùn)用GIS對(duì)DEM高程圖進(jìn)行填洼。使用水文分析中的流向功能得到流向柵格,之后進(jìn)行流量處理與河流鏈接,提取松嫩平原河流網(wǎng)。再運(yùn)用水文分析中的集水區(qū)功能得到地表水的一級(jí)分區(qū)以及地理?xiàng)l件分區(qū),最后進(jìn)行流域的區(qū)劃,區(qū)劃結(jié)果如圖5所示。

圖5 松嫩平原流域區(qū)劃

研究區(qū)內(nèi)目前有嫩江、松花江主干流、第二松花江主要河流,除此之外還有訥謨爾河、霍林河、烏裕爾河、洮兒河、拉林河以及呼蘭河等四級(jí)河流,最后共得到13個(gè)分區(qū),結(jié)果如表3所示。

表3 松嫩平原流域分區(qū)

在時(shí)間上,地表水徑流量和雨量記錄較頻繁,更新速度較快,而地下水則有流動(dòng)遲緩、歷時(shí)較長的特點(diǎn),因此,為了更好地研究松嫩平原地下水與地表水水量交互的問題,需要對(duì)松嫩平原流域進(jìn)行分區(qū)并與地下水進(jìn)行耦合。

2.4 松嫩平原生態(tài)環(huán)境區(qū)劃

近半個(gè)世紀(jì)以來,松嫩平原生態(tài)環(huán)境的退化日益加劇,資源利用率仍有待提高[8]。松嫩平原是我國鹽堿地發(fā)展較為嚴(yán)重的地區(qū)之一[9],因?yàn)辂}漬土對(duì)植物有很大的負(fù)面影響[10],給農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)及當(dāng)?shù)鼐用竦纳钜苍斐闪撕艽蟮睦щy,所以鹽漬土的問題也一直威脅著我國的糧食安全。此外,干旱和洪澇的頻發(fā)也是限制松嫩平原農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素,且干旱的嚴(yán)重程度目前仍呈增加趨勢(shì)[11],在農(nóng)作物生長的季節(jié),干旱的地區(qū)零散分布在松嫩平原,洪澇多發(fā)生于地勢(shì)低洼的中部地區(qū)[12]。因此,對(duì)松嫩平原進(jìn)行生態(tài)環(huán)境區(qū)劃對(duì)于引導(dǎo)人類遵從自然規(guī)律,協(xié)調(diào)人地關(guān)系,合理開發(fā)和保護(hù)松嫩平原生態(tài)環(huán)境具有重要的理論和實(shí)踐意義。

根據(jù)松嫩平原所出現(xiàn)的生態(tài)災(zāi)害特征,將松嫩平原分為4個(gè)部分,區(qū)劃結(jié)果及所具有特征見圖6,表4。

表4 松嫩平原生態(tài)環(huán)境分區(qū)

圖6 松嫩平原生態(tài)環(huán)境區(qū)劃

2.5 松嫩平原含水層區(qū)劃

對(duì)松嫩平原含水層進(jìn)行區(qū)劃不僅需要考慮到獨(dú)特的區(qū)域特征水層,還要明確承壓水的分布問題。松嫩平原含水層分布如圖7所示。

圖7 松嫩平原含水層區(qū)劃

以主要開采含水層為研究因素,將松嫩平原分為4個(gè)部分[13],區(qū)劃結(jié)果以及主要開采水層如表5所示。

表5 松嫩平原含水層分區(qū)

明確含水層的類型以及承壓水的分布,是松嫩平原地下水開發(fā)與利用以及地下水資源量計(jì)算的必要條件。為了更全面地分析地下水補(bǔ)給與排泄的過程,還需要對(duì)含水層與地形地貌進(jìn)行耦合,形成一個(gè)相互聯(lián)系的整體。

3 地形地貌疊加含水層的雙因素區(qū)劃

對(duì)松嫩平原進(jìn)行研究與開發(fā)需要考慮多種因素的影響[14],含水層與地形地貌決定了地下水開發(fā)的難易程度,將含水層與地形地貌進(jìn)行疊加能更好地對(duì)松嫩平原地下水資源進(jìn)行開采,更好地解決地下水的入滲與徑流補(bǔ)給問題。本文以地形地貌分區(qū)為基礎(chǔ)并結(jié)合研究區(qū)含水層與承壓水分布進(jìn)行分區(qū),得到松嫩平原地形地貌與含水層的耦合分區(qū),如圖8所示。

圖8 松嫩平原地形地貌與含水層耦合

結(jié)合地形地貌特征及主要開采含水層間的相互影響作用,將松嫩平原分為24個(gè)分區(qū),區(qū)劃結(jié)果以及所具有特征如表6所示。

表6 松嫩平原地形地貌與含水層耦合表

目前,學(xué)界對(duì)松嫩平原的研究成果大部分集中在單方面因素的研究,并沒有把各個(gè)因素整合成一個(gè)有機(jī)聯(lián)系的整體,導(dǎo)致研究出現(xiàn)偏差。對(duì)含水層、地形地貌進(jìn)行耦合分析,能更直觀且準(zhǔn)確地分析地下水含水層之間相互補(bǔ)給的問題,為地下水資源量的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

4 地形地貌疊加含水層與地表水的三因素區(qū)劃

對(duì)松嫩平原地下水資源量進(jìn)行計(jì)算,需要對(duì)多因素間的相互作用進(jìn)行研究,將松嫩平原的地形地貌、含水層、地表水進(jìn)行三因素的疊加分析,可更為精確地模擬松嫩平原地下水補(bǔ)給與排泄的過程,更精確地進(jìn)行地下水資源量的評(píng)價(jià)與計(jì)算。松嫩平原地形地貌、含水層與地表水耦合結(jié)果如圖9所示。結(jié)合地形地貌特征及主要開采含水層以及地表水,將松嫩平原分為70個(gè)子區(qū),區(qū)劃結(jié)果如表7所示。

表7 松嫩平原地形地貌、含水層與地表水區(qū)劃耦合

圖9 松嫩平原地形地貌、含水層與地表水區(qū)劃耦合

為了對(duì)影響松嫩平原地下水開采與補(bǔ)給的多種因素間的相互作用展開研究,需要從不同的角度和全方位的視角提出解決問題的方法和思路。為了更方便地對(duì)松嫩平原地下水進(jìn)行評(píng)價(jià)與計(jì)算,本文在地形地貌與含水層耦合24個(gè)子區(qū)的基礎(chǔ)上又疊加了地表水,最終得到70個(gè)子區(qū),既為松嫩平原地下水的計(jì)算提供更為精確的資料,也為松嫩平原的地下水開發(fā)打下基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

依據(jù)Arc-GIS對(duì)松嫩平原進(jìn)行區(qū)劃,可以得出以下結(jié)論:

1) 依照地形因素對(duì)松嫩平原進(jìn)行區(qū)劃,最終得出5個(gè)分區(qū),為松嫩平原地下水資源量計(jì)算提供基礎(chǔ)。

2) 依照地表水因素對(duì)松嫩平原進(jìn)行區(qū)劃,將松嫩平原分為13個(gè)分區(qū),能夠更方便地分析松嫩平原地表水與地下水互相補(bǔ)給的動(dòng)態(tài)過程。

3) 依照生態(tài)環(huán)境因素將松嫩平原分為4個(gè)分區(qū),分別為洪澇災(zāi)害區(qū)、干旱災(zāi)害區(qū)、鹽漬化災(zāi)害區(qū)以及荒漠化區(qū),為松嫩平原地表水及地下水的開采提供指導(dǎo)。

4) 依照含水層將松嫩平原分為4個(gè)分區(qū),分別為第四系、新近系、古近系、白堊系多層含水層系統(tǒng),第四系、白堊系雙層含水層系統(tǒng),第四系單層含水層系統(tǒng)以及第四系承壓水分布區(qū),便于對(duì)松嫩平原地下水進(jìn)行開發(fā)以及資源量計(jì)算。

5) 將含水層與地形進(jìn)行雙因素耦合,最終得出24個(gè)分區(qū),能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算出松嫩平原降雨入滲以及含水層之間相互補(bǔ)給的問題。

6) 對(duì)松嫩平原地形地貌、含水層以及地表水進(jìn)行三因素耦合,最終得出70個(gè)分區(qū),既為松嫩平原地下水資源量的計(jì)算提供依據(jù),也為以后松嫩平原地下水的開發(fā)與利用提供了科學(xué)基礎(chǔ)。