GIS在地下水研究中的應用進展綜述

丑述仁，李 丁

(西北大學 城市與環境學院，陜西 西安 710127)

地理信息系統(Geographic information system)是由計算機系統、地理數據和用戶組成的，通過對地理數據的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源管理、環境監測、交通運輸、經濟建設、城市規劃以及政府部門行政管理提供新的知識，為工程設計和規劃、管理決策服務［1］。

地理信息系統是20世紀60年代中期發展起來的一門新的技術，由于40年代和50年代的計算機科學、地圖學和航空攝影測量技術的發展，逐漸產生了地理信息系統的基本框架。在這個基礎上誕生了世界上第一個地理信息系統—加拿大地理信息系統(CGIS)，1966年美國成立城市和區域地理信息系統協會(NASIS)，國際地理聯合會(IGU)于1968年設立了地理數據收集和處理委員會(CCDSP)。這些組織和機構的建立，對于傳播地理信息系統的知識和發展地理信息系統的技術，起了重要的作用。從1963年，加拿大測量學家R.F.Tomlinson首先提出“地理信息系統”這一概念，并建立了世界上第一個地理信息系統——“加拿大地理信息系統”，用于自然資源的管理與規劃，GIS技術已經滲透到了地理學、測繪學、環境科學、空間科學、信息科學、管理科學等領域。20世紀90年代以來，一些發達國家在地下水領域廣泛開發和應用地理信息系統，使GIS在地下水領域有了較快的發展，并廣泛應用越地下水 、評估、開采等方面。

1 GIS在地下水領域的主要應用

1.1 GIS在地下水資源信息管理和評價中的應用

1.1.1 在地下水管理中的應用

GIS在地下水管理中有著廣泛的應用，邢毅等［1］使用使用GIS與數值模型相結合的方法，建立了GIS城市地下水管理模型，并應用于南方某市，取得了較好的效果。武強等［3］采用Mapinfo軟件作為平臺，面向對象的開發技術，Visual basic和Map basic語言聯合開發而成的“塔里木盆地水資源地下管理GIS”成功的將GIS技術應用到塔里木盆地的水資源開發、管理當中。為西北干旱地區水資源利用管理提供一條新的研究途徑。它是GIS技術在地下水資源管理中的成功應用。蘭瑞等［4］設計了基于組件式地理信息系統的太原市地下水資源管理信息系統，以地理信息系統技術為支持，結合地下水管理的實際需要，在可視化開發環境c++builder中嵌入MapX進行二次開發，使開發后的GIS能高效、直觀、準確的為地下水管理服務。

1.1.2 在地下水資源評價中的應用

EL-Kadi等［5］利用 GIS作為模型的外殼，在 Oahu和Hawaii島建立了二維數值模擬模型，GIS主要完成數據管理和模型的前后處理。Jonathen等［6］人利用 Arc/info的 AML語言實現與地下水流模型CFEST的集成，GIS作為模型的前處理，模型運算結果經 GIS分析。Tang-Changyuan等［7］建立Arcview GIS的地下水流模型，利用GIS屬性功能可以對數據文件進行方便的修改。Kenneth.KE［8］建立了地下水勘探開發、模擬、評價與管理系統。Tim等［9］利用GIS和水文模型相結合的方法來評估農業非點源污染。國內劉明柱等選擇四種因子自然地理子系統(NGS)、水文地質環境子系統(HES)、地質環境子系統(GES)、地表水系子系統(SWS)，對區域地下水進行富水性評價并應用于天長市的地下水評價。

1.2 GIS在水源地保護中的應用

在水源地保護中，GIS也發揮著越來越重要的作用，國外Rifai H S［10］根據GIS劃分出水源地保護帶，并應用與美國休斯頓市，取得了很好的效果。Werner E.S等［11］基于GIS和一些相關水文模型建立了管理系統，監測水質，一旦發現異常，自動報警，以便在污染物沒到水源地時就采取作用，該系統還能自動生成相關報表。國內信昆侖等［12］根據水源地相關信息Geodatabate數據庫，以VB為開發語言，利用 ArcObject開發工具包開發的GIS系統，對水源地保護的有力工具。

1.3 GIS在水質預警及污染物分析的應用

應用GIS技術的空間分析功能，對水質預警和污染物分析，以此來指導水資源的開發利用，董志穎等［13］以 MapGIS為平臺，對水質進行預警并應用與吉林省西部地區。對該地區的水資源的開發與應用舉有很重要的作用。謝洪波等［14］在系統分析的基礎上，采用二次開發模式，運用灰色預警模型，建立了焦作市的地下水水質預警系統。

1.4 GIS在水資源分析嵌入模擬模型

GIS技術在地下水分析中也被廣泛應用，用來表現地下水的時空和動態變化，目前基于GIS的地下水分析主要有4種方式:(1)GIS平臺中嵌入地下水模擬模型，如Arcinfo中級嵌入了地下水Darcy水流模型和污染運移模型。(2)GIS功能嵌入地下水模擬模型，如表1是主要的地下水模擬軟件。(3)GIS與模擬模型的松散連接，如Argus ONE(Open Numeric Environment)(4)GIS與模擬模型的緊密連接，如通過GIS提供的宏語言或二次開發4GL高級語言(如Visual basic、Visual c++、Delphi等)將水流數值模擬模型和 GIS緊密連接在一起。

表1 地下水模擬軟件［15］

1.5 基于GIS在地面沉降研究

地下水超采，形成大面積區域性地下水下降漏斗，改變了地下水壓力、開采含水層和含水層上下滯水層中的應力狀況，產生了粘性土的釋水以及含水層、滯水層的壓縮效應，從而導致地面沉降.日本的 S.Murakami等［16］利用 GIS技術描述了日本kamto平原地區的地面沉降，并預測了其發展趨勢，且在圖中實現了可視化成果。如地面沉降區域圖、沉降與地下水歷時曲線圖、實測沉降與歷時沉降比較圖和散點相關圖、預測沉降分區圖、土地利用圖、地面沉降潛在危害程度分區圖。陳鎖中等［17］以GIS主控模塊，選擇美國國防部開發的地下水運動模擬系統(GMS)和美國D.C.Helm等人開發的地面沉降模擬模型系統(compac)，進行地下水運動模擬和地面沉降模擬系統進行集成分析和設計，并應用于蘇常地區。

1.6 基于GIS的地下水數值模擬

隨著計算機技術的不斷發展，地下水數值模擬模型的應用也越來越廣泛，但要使這些數值模擬模型真正在生產實踐中取得較好的經濟和社會效益，模型擬合的效果和精度至關重要。

楊旭等［18］在分析傳統的地下水數值模擬模型的擬合方法的基礎上，提出了基于GIS的點、線、面的模型擬合的技術路線，實現了GIS的地下水數值模型的可視化擬合。桑學鋒等［19］采用GIS和 Visual ModFlow軟件相結合的方法，對敦煌水資源進行現狀模擬和未來變化趨勢預測，在此基礎上結合GIS空間分析能力、地圖學、計算機數值模擬技術實現了區域地下水二維和三維的可視化。

2 存在問題及研究趨勢

2.1 目前GIS在地下水應用的局限性

GIS在地下水方面的應用還存在一些局限性如:(1)地理要素是很復雜的，GIS要想表示地下水中某些復雜的地理要素、時空模型及綜合空間分析方法等方面還有一定的難度。(2)地理信息的共享，數據的標準化，GIS與應用模型的集成，由于地下水系統的特殊性，GIS軟件的空間查詢和分析功能不能滿足地質專業分析和應用的需要。

2.2 GIS在地下水領域的研究趨勢

2.2.1 GIS 的發展趨勢

目前，地理信息系統的應用領域越來越廣泛，GIS正朝著一個可運行的、分布式的、開放的、網絡化的全球GIS發展。在未來幾十年內，GIS將向著數據標準化、數據多維化、系統集成化、系統智能化、平臺網絡化和應用社會化(數字地球)的方向發展(1)三維GIS隨著GIS技術的發展，二維GIS已經無法滿足用戶的需求，用戶需要更為直觀、真實的三維GIS來作為交互式查詢和分析的媒介。三維GIS是GIS的一個重要發展方向，也是GIS研究的熱點之一，其研究范圍涉及數據庫、計算機圖形學、虛擬現實等多門科學領(2)時態GIS傳統的GIS處理的是無時間概念的數據，只能是現實世界在某個時刻的“快照”。它把時間當作一個輔助因素，當被描述的對象隨時間變化比較緩慢且變化的歷史過程無關緊要時，可以用數據更新的方式來處理時間變化的影響。然而，GIS所描述的現實世界是隨時間連續變化的，隨著GIS應用領域的不斷擴大，在如下應用中，時間維必須作為與空間等量的因素加入到GIS中來。(3)網絡GIS伴隨著Internet和Intranet的飛速發展，GIS的平臺已經逐步轉向了網絡，網絡GIS的好處是不言而喻的，由于地理信息和大量空間數據都是以文字、數字、圖形和影像方式表示的，將它們數字化，輸入計算機，便可方便、快速和及時地將地理信息傳送到需要的地方去，以發揮地理信息在國民經濟建設、國防建設中的作用。(4)OpenGIS實現GIS的互操作，開發開放式的地理信息系統，OpenGIS是在計算機網絡環境下，根據行業標準和接口所建立起來的GIS，是GIS的一個重要趨勢。

2.2.2 GIS和RS相結合建立地下水資源管理專家系統

基于GIS、RS的柵格數據和地下水數值模型離散格網相似，而GIS和RS柵格數據更為豐富，尤其是RS信息具有實時特征，在研究土壤類型、植被生長、包氣帶水份等方面有很多優勢。為使GIS的分析結果更趨合理性、科學性，應用研究建立基于專家知識、經驗及一定熟悉模型基礎上的智能DSS，以專家經驗式知識為基礎的GIS，具有更強的分析和表達復雜地學問題的能力，引起了普遍重視可更好地服務于地下水領域。

2.2.3 GIS和地下水管理模型有機結合，做到GIS模型和專業模型的結合

地下水系統具有特殊性，是一個復雜的受人為和自然雙重作用的復合系統，GIS做為分析地下水的工具，由于缺少地下水的分析模型，在地下水評價中，制約了GIS強大的空間功能的發揮。能否做到GIS模型和地下水專業模型結合，關系到GIS在地下水研究中的發展。

3 結語

GIS技術的迅速發展，將提供更多適合于地下水特點的功能和技術，如輸入輸出、存儲、轉換等更強大。相鄰學科和高新技術發展(例如網絡GIS、OpenGIS、三維GIS、時態GIS等形式)，加強了GIS在地下水中的應用，也為GIS與地下水行業的相互結合和相互促進提供了新的契機。上述GIS在地下水方面的應用和GIS以后和地下水行業的新的發展趨勢分析，相信GIS在地下水行業將得到更為廣泛的應用。

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