RS與 GIS技術在地下水研究中的應用

賈艷紅,趙傳燕,牛博穎

(1.淮海工學院,江蘇連云港 222001;2.蘭州大學,甘肅 蘭州 730000)

RS與 GIS技術在地下水研究中的應用

賈艷紅1,2,趙傳燕2,牛博穎1

(1.淮海工學院,江蘇連云港 222001;2.蘭州大學,甘肅 蘭州 730000)

遙感作為一種對遠距離目標信息進行綜合性探測的新技術,可從根本上解決地下水監測工作中控制點少、地下水信息空間分布代表性差,無法實現大面積動態監測和評價的問題。GIS以其強大的空間數據管理和分析功能,為地下水研究數據的收集、空間分析及管理決策提供了重要的技術支撐。本文以 GIS技術在黑河下游地區地下水位空間變化研究中的應用為例,分析了 GIS技術在地下水研究領域中的應用。遙感與GIS技術的引入為地下水監測與研究工作的發展提供了巨大推動力,同時也為遙感與 GIS技術自身的發展帶來了新的契機。

地下水;GIS技術;遙感;應用

1 引言

水資源是基礎性自然資源,是生態環境的控制性因素之一。它與糧食、石油一樣,是關系國家經濟安全的重要戰略性資源,是一個國家綜合國力的有機組成部分。合理開發利用與保護水資源,是我國實施經濟和社會可持續發展戰略的重要保證。地下水作為水資源的重要組成部分和戰略性資源的主要部分,在保障城鄉居民生活、支持經濟社會可持續發展和維護生態平衡等方面都具有十分重要的作用。尤其是在地表水資源缺乏的地區,地下水更具有不可替代的作用。隨著人類對地下水資源依賴程度的提高,地下水開采量急劇增加,進而引發地下水水位大幅度下降、降落漏斗快速擴展、含水層疏干、地面沉降等一系列地下水危機和環境問題。此外,工業污水的超標排放、垃圾滲濾液和農田殘留化肥、農藥等都嚴重影響了地下水水質。面對這些地下水環境問題,構建區域地下水環境監測系統、開展地下水環境及其生態效應等方面的綜合評價研究、科學合理地開發和利用地下水資源已顯得十分迫切。

遙感技術作為宏觀、綜合、動態、快速監測和評價自然資源的有效手段,在快速、大面積監測地下水資源中發揮著重要作用,為地下水資源調查和監測提供了新的探測手段。它可利用遙感數據提供的地表冰雪、徑流和變化信息,估算地下水補給量和勘探區域地下水資源存儲量,確定其空間分布范圍,評價地下水水質,對地下水動態變化進行監測與預測[1]。而GIS技術以其強大的空間分析功能、空間數據庫管理能力及空間決策支持功能為地下水位空間分布、地下水空間分布范圍確定、地下水研究模型建立、地下水水質評價及地下水資源智能化管理工作提供了重要的技術手段[2]。遙感與 GIS技術作為現代地理信息技術的典型代表,其在地下水研究領域中的應用必將有效推動快速、高效、準確、實時的智能化地下水監測和研究工作目標的實現。地下水遙感監測方法、模型研究的深入、定量遙感的發展、雷達技術的日益興起又將提高地下水水質、水量、水位、水溫等地下水監測指標的提取精度和時效,為地下水資源合理開發和利用提供科學的技術支撐。

2 遙感和 GIS技術在地下水研究中的應用

2.1 遙感技術在地下水研究中的應用

遙感是利用遙感器從空中來探測地面物體性質的技術。它根據不同物體對波譜產生不同響應的原理來識別各類地物。可通過飛機、飛船、衛星等飛行物上搭載的遙感器來收集地面數據資料,并從中獲取信息,經記錄、傳送、分析和判讀來達到識別地物的目的。目前,遙感技術已廣泛應用于軍事(包括軍事偵察、導彈預警、軍事測繪等)和民用(如地球資源普查、植被分類、土地利用規劃、農作物病蟲害和作物產量調查、環境污染監測、海洋研制、地震監測)等方面。在傳統的地下水探測和監測工作中,多以人工手段為主,這不僅費時費力,而且具有控制點少,地下水信息空間分布代表性差的特點,往往無法實現地下水的大面積動態監測和評價。而長期的地下水動態監測資料又是評價地下水環境質量的重要依據和檢驗地下水環境保護措施是否得當的直接手段。通過對地下水長期監測資料的分析,可確定地下水環境受污染影響的程度,根據污染暈的分布,確定相應的污染源,進而提出污染源治理和水環境保護措施。遙感技術作為宏觀、綜合、動態、快速監測和評價自然資源的有效手段,正好為該問題的解決提供了技術支撐,因而在地下水大面積監測和相關科學研究中得到了廣泛應用。

遙感技術在地下水資源研究中的應用始于 1961年。當時科學家們利用熱紅外航空相片提取的地形信息和簡單的水循環模型來判斷地下水的存在,參照指示植被初步判斷流出帶和地下水補給來源。進入 20世紀 80年代后,隨著多時相、多波段、多角度、高光譜和微波多極化遙感技術的發展,多源遙感數據廣泛用于與地下水密切相關的地質條件的解譯分析和與地下水有關的地表植被、溫度、土壤水分等環境因素的提取,取得了有效的成果[3]。到 20世紀 90年代,地下水遙感監測技術研究隨著數據源的不斷豐富和方法的日趨成熟而得到較全面的發展。國內對地下水資源的遙感研究始于 20世紀 80年代初,主要以西部干旱、半干旱地區作為研究對象,使用地球資源衛星 Landsat MSS、TM和 ETM+,合成孔徑雷達 SAR等遙感數據來提取與地下水富集相關的地表含水斷層、裂隙、線性構造及地面濕度、溫度等信息[3]。

2.2 GIS技術在地下水研究中的應用

GIS技術是近些年迅速發展起來的一門空間信息分析技術,其以地理空間為基礎,采用地理模型分析方法,實時提供多種空間和動態的地理信息,是一種為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。GIS技術不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環境信息,而且可以有效地對多時期的資源環境狀況及生產活動變化進行動態監測和分析比較,并將數據收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流,明顯地提高了工作效率和經濟效益,為解決資源環境問題及保障可持續發展提供技術支持。從 20世紀 70年代以來,一些發達國家開始把 GIS技術引入地下水研究領域。而GIS技術的引入,不僅提高了地下水管理與研究領域的工作效率,而且使其研究成果更加準確化、科學化。進入 21世紀以來,隨著 GIS技術的發展,其在地下水研究模型建立、地下水水質評價和地下水資源管理等方面的運用也逐步進入實際操作階段[2]。在很多情況下,GIS已成為地下水系統分析的必備工具。

3 應用研究

本應用研究的研究區域位于我國西北干旱區第二大內陸河——黑河下游地區。該區降水稀少,區內不產流,唯一的地表水來源就是黑河。而隨著黑河中游地區人口增加和經濟發展,區域用水量顯著增加,致使進入下游的地表徑流量逐年減少,河流斷流、湖泊干涸、地下水位下降、天然植被退化死亡、沙塵暴肆虐等生態問題日益突出。地下水作為該區地表天然植被生態系統的唯一有效水源,不僅成為整個黑河下游生態系統的重要支柱,而且也成為穩定區域生態系統基本生態功能的主要因素。面對該區河流斷流及依賴于其進行補給的地下水位急劇下降的問題,我國于 2000年 7月開始實施了黑河下游應急生態輸水工程。隨著對黑河下游水資源時空布局干預力度的加大,其地下水位及輻射范圍都出現了波動,這種波動在河流緩沖帶內表現得最明顯[4]。因此,本文利用 GIS軟件 ArcGIS 9.0 Analysis Tools中的緩沖區分析功能對黑河下游河流矢量圖進行了緩沖區分析,提取出以黑河下游主河道為中心線的 20 km緩沖帶范圍作為研究區,并將其定義為“黑河下游地下水波動帶”,整個區域面積約為 1.15×104km2。其相對位置如圖 1所示。研究中重點分析了其內部的地下水位空間分布變化情況,這對依賴于區域地表徑流及受其補給的地下水進行生長的區域天然植被生態系統恢復及區域植被重建都至關重要。

首先,研究利用 GIS軟件 ArcGIS 9.0 Grid模塊對黑河下游 1990年(代表研究區生態輸水工程實施前的地下水位空間分布情況)的 31個地下水位觀測點和 2006年(代表研究區生態輸水工程實施后的地下水位空間分布情況,選擇 2006年的原因是:截止 2005年黑河下游生態輸水工程首次實現了黑河下游尾閭湖東居延海的全年不干涸)的 102個地下水位觀測點的經緯度數據進行處理,生成用于地下水位空間分布模擬的點文件。

其次,進行地下水位空間分布模擬。由于數據正態分布是空間分布模擬的前提,因此研究中先利用 SPSS 13.0對1990年與 2006年的地下水位數據進行正態分布檢驗。經檢驗,所有數據均符合正態分布,可進行空間分布模擬。于是在 ArcGIS 9.0空間分析模塊支持下,運用 Ordinary kriging對1990年和 2006年黑河下游地下水位空間分布進行了模擬,結果如圖 2和 3所示,其中插值模型及相關參數都是經過比較選擇的最優值[5]。

由圖 2和圖 3可見,1990年黑河下游地下水位具有顯著的沿河流流向逐步加深的趨勢,地下水位最深處位于河流尾閭湖——東、西居延海附近。而地下水位較淺的區域主要位于研究區的西南部,既黑河下游兩支流——東、西河的上游。由此說明,當時黑河下游地下水對地表水的依賴十分強烈。河道來水是地下水的主要補給源。

與 1990年相比,2006年黑河下游地下水位發生了明顯變化。其中東、西兩河中間部位地下水位變化最顯著。該區為多層含水層,且為額濟納盆地的中心區,位置相對較低,因而成為盆地內各含水層地下水的匯集區[6]。隨生態輸水的實施,盆地各含水層水量增加,匯集到該區的水量也隨之增加,因而該區地下水位上升最顯著。同時,東河東南部和西河西北部地下水位也有較大變化。同受生態輸水影響卻出現東河東南部地下水位下降顯著而西河西北部卻略有上升,且西河地下水位隨河流流向逐漸加深的趨勢變得明顯,而東河卻出現下游地下水位淺于中游的現象。其原因可能與黑河下游生態輸水政策及相關水利工程的建設有關。為提前實現黑河水資源統一管理調度目標,“讓東居延海波濤洶涌”[7],在生態輸水實施過程中加大了向東河的輸水力度。同時,為了減少輸水過程中的水量損失,保證額濟納旗及其下游的供水,水利部在黑河下游修建了甘蒙引水工程,一期工程從狼心山至額濟納旗全線襯砌。因而徹底切斷了東河中游地區的地下水補給源。因此東河中游,尤其是其東南部地區地下水位在生態輸水實施后未升反降。而東河下游地下水位的上升則是受到了東居延海的補給。

圖2 1990年黑河下游地下水位空間分布模擬

圖3 2006年黑河下游地下水位空間分布模擬

4 結語

由上述應用研究可見,GIS技術作為空間數據處理的有效手段,其在地下水位空間分布研究中的應用很好地解決了目前地下水研究中監測井數量有限,大面積、實時地下水水位、水質、水量等指標監測困難的問題。而遙感作為宏觀、綜合、動態、實時監測和評價自然資源的有效手段,其與 GIS技術相結合必將為地下水監測和研究工作步入現代化、信息化作業提供技術支持。地下水既是不可或缺的水資源,也是重要的生態與環境支撐要素,對經濟社會全面、協調、可持續發展起著重要支撐作用。因此,必須對地下水資源進行統一的監測、評價、管理和保護,保障水資源的可持續利用,以支撐經濟社會的可持續發展。遙感與 GIS技術作為現代社會信息處理的重要手段,可為地下水監測與研究工作的發展提供巨大的推動力。同時,遙感與 GIS技術和地下水研究工作的有機結合也為以遙感和GIS技術為代表的地理信息技術本身的發展帶來了新的契機。

[1]阿布都瓦斯提·吾拉木,秦其明.地下水遙感監測研究進展[J].農業工程學報,2004,20(1):184-188.

[2]趙軍,賈艷紅.國外 GIS在地下水管理與研究中的應用和啟示[J].地下水,2005,27(3):166-168.

[3]華曉凌,晉華.遙感技術在地下水研究中的應用[J].山西水利科技,2004,(154):29-30.

[4]賈艷紅,趙傳燕,南忠仁等.黑河下游地下水波動帶土壤鹽分空間變異性研究[J].土壤學報,2008,45(3):420-430.

[5]賈艷紅,趙傳燕,牛博穎,等.基于GIS的黑河下游地下水波動帶范圍探析[J].淮海工學院學報(自然科學版),2009,18(3):51-54.

[6]武選民,史生勝,黎志恒等.西北黑河下游額濟納盆地地下水系統研究(上)[J].水文地質工程地質,2002,(1):16-20.

[7]李國英.科學調配水資源支撐黑河流域生態建設[R].在內蒙古阿拉善盟額濟納旗黑河綜合治理工作座談會上的講話,2002年8月30日.

App lication of RS and GIS Technology in the Study of Groundwater

JIA Yan-hong1,ZHAO Chuan-yan2,NIU Bo-ying1

(1.Huaihai Institute of Technology,Lianyungang,222001,Jiangsu 2.Lanzhou University Lanzhou 730000,Gansu)

Remote Sensing(RS)is a new technology to extract object information from long-distance using sense organ,which can radically resolvemany problem during the inspection and management of groundwater,such as the absence of control point in the inspection of groundwater,the indistinction of representational difference from groundwater information in space distribution,unable to dynamic inspection and estimation groundwater information.But,the technology of GIShas powerful function tomanageand analyze spatial data,which can provide technological support for collecting,analyzingandmanaging groundwater data.Taking the lower reaches of Heihe River as an example,this paper app lication GIS to analyze the spatial variability of groundwater level in this region.The introduction of RSand GIS technology afford powerful impetus for the development of inspection and study groundwater,and bring new opportunity for the development of RSand GIS techno logy.

Groundwater;GIS technology;RS and Application

P641

A

1004-1184(2011)01-0001-03

2010-09-08

淮海工學院自然科學研究項目(KX 08010)與淮海工學院引進人才科研啟動基金項目(KQ 09024)共同資助

賈艷紅(1977-),女,甘肅白銀人,環境科學工學博士,主要從事遙感及 GIS技術應用研究。