基于GIS分析的干旱區域水資源時空異質性研究

葉永清

(浙江天禹信息科技有限公司，杭州 310000)

0 引 言

基于上述背景，很多相關專家和學者都進行了相關研究。如，周帥，王義民，暢建霞等人采用標準化降水指數(SPI)分析流域干旱時空演變規律；佘敦先采用Copula函數構建了干旱歷時和干旱強度兩變量統計模型，揭示了流域干旱發生風險的空間分布規律。海米提·依米提等人利用統計分析和地統計分析相結合的方法對新疆克里雅綠洲蘆葦分布區的表層土壤含水量的空間變異特征進行了分析；馬金輝，韓金華，張艷林等人應用地統計空間分析技術分析了近 10a來來民勤盆地地下水埋深的空間異質性。

文章借鑒前人研究經驗，結合GIS分析技術，對某一干旱地區進行水資源時空異質性進行研究。GIS，中文稱為地理信息系統，是空間分析的有效工具。文章將其應用其中，可以進一步分析干旱地區水資源在空間上的分布、變異和相關特征，揭示經典統計方法難以發現的規律，為以后的研究取樣提供依據。

1 基于GIS分析的干旱區域水資源時空異質性研究

我國內陸干旱地區，由于降水量稀少，因此水資源貧乏，嚴重限制內陸地區的發展。在此背景下，為更好的發展和建設內陸地區，有必要進行干旱區域水資源時空異質性分析。這為水資源利用效率提高，水資源的保護及可持續利用，當地生態環境改善提供了提供有益的參考[2]。

時空異質性是指系統屬性(植被類型、植被蓋度、生物量、土壤氮含量、土壤水鹽含量、土壤有機質等任何變量。)在時間上和空間上所表現出來的復雜性和變異程度[3]。結合文章研究主題，主要對干旱區域的水資源在時間維度和空間維度上的變化規律和特征進行分析和歸納。本研究以實驗的方式進行研究。首先選取實驗研究區，然后進行采樣點布設并采集樣本、最后進行模型分析，得出研究區的水資源時空異質性。

1.1 研究區概況

西北地區位于我國內陸，由于遠離海洋，再加高地勢、高山對氣流阻擋，氣候干燥，降水量稀少，土地荒漠化嚴重，因此對西北各干旱地區的土壤治理一直是國家關注的重點項目[4]。為提高土壤荒漠化治理效率和質量，提出有效的治理方案，有必要對該地區的水資源時空異質性進行研究。

Transactions of Atmospheric Sciences Total Contents of Vol.41,2018

新疆和甘肅彼此相連，是西北地區典型的干旱區域代表，因此文章研究就以新疆和甘肅共同組成的干旱區域作為研究區，如圖1所示。

圖1 研究區

兩個省區環境參數對比如表1所示。

表1 新疆和甘肅研究區環境參數對比

1.2 采樣點布設與樣本采集

為研究研究區水資源在時間上和空間上的分布特征，需要布設采樣點，采集土壤樣本，根據土壤樣本分析其中的含水量，以確定水資源分布特征[5]。采樣點布設參數如表2所示。

表2 采樣點布設參數

具體土壤樣本采樣過程如下：

步驟1：選取采樣點，見表2。

步驟2：按照網格法布點。首先在研究區地圖或照片上放一個方形或長方形網格，取網格中心點作為采樣點，見表2。

步驟3：取樣。在采樣點10英尺半徑范圍內200m地層深度處隨機選取8個土壤樣本。

步驟4：將8個土壤樣本混合作為一個土壤樣本。

步驟5：將土壤樣本迅速裝入干凈的鋁盒內，蓋緊，防止土壤中水資源蒸發。

步驟6：現場利用0.1g精度的天平稱取樣本濕重；

步驟7：將裝有土壤樣本的鋁盒內置冰凍藍冰的保溫箱中，并添加一定量的保護劑。最好在30分鐘內運送到實驗室并完成檢測，否則將會對測量結果產生影響。

步驟8：實驗室測量樣本質量和含水量。

1.3 室內測量

采用稱重法對土壤樣本中的水資源進行測定。首先利用天平稱取土壤樣本，包括鋁盒在內的總體重量，記作土樣的濕重，這需要在取樣現場完成，然后樣本到達實驗室后，利用烘箱內在105℃下將土壤樣本烘6-8h，直到恒重，然后再次利用天平稱取包括鋁盒在內的土壤樣本的干重，最后在下述公式計算出土壤樣本中的含水量。

(1)

式中：SMWC為土壤含水量；W1為烘干前鋁盒及土壤樣本質量；W2為鋁盒質量；W為烘干后鋁盒及土壤樣本質量。

1.4 時空異質性分析方法

1)時間異質性分析：

時間異質性是指分析隨著時間的變化土壤各層含水量的變化情況。對于時間異質性采用經典統計描述性統計分析(標準差、變異系數等)分析變量特征，計算公式如下：

(2)

(3)

式中：Pj整個研究區第j天的變異系數。

2)空間異質性分析：

GIS，中文為地理信息系統，是一種專門針對空間分析的有效工具，在很多領域中都得到了廣泛應用。文章利用GIS技術分析干旱區域水資源空間異質性，但是采樣點數據是有限散點數據，在這種情況下，要得到整個研究區的水資源空間異質性分布，必須要進行空間插值。具體過程如下：首先利用GIS軟件和地統計學中的變異系數，對研究區各層土壤含水量進行空間變異特征分析；利用克里金插值法對研究區不同層次土壤含水量進行空間插值，繪制出研究區各層土壤含水量空間變化異質圖，分析水資源空間分布狀況。

1.5 時間異質性結果分析

1)年際時間異質性：

選擇2000-2017 年作為年際時間異質性分析的時間段。分析結果如圖2所示。

圖2 年際時間異質性

由圖2可知，①研究區土壤水分在 2000-2017 年總體呈現上升趨勢；②隨著土層深度增加，土壤含水量也隨著增加。

根據土壤含水量數值，計算標準差和變異系數，并結合GIS分析，得到2000-2017年土壤含水量年際標準差和變異系數，如表3所示。

表3 2000-2017年土壤含水量年際標準差和變異系數

表3結果表明，研究區土壤水分年際尺度變異為弱和中等程度空間變異，且表層0-10 cm弱變異面積百分比小于深層土壤，說明土層越深土壤含水量的時間變異性越穩定。

2)年內時間異質性：

計算2000-2017 年17年年內平均土壤含水量，并繪制成時間分布圖，如下圖3所示。

圖3 年內時間異質性

由圖3可知：①2000-2017 年17年內年內平均土壤含水量整體呈現“倒V”型，1-6月分析土壤含水量逐漸升高，并在6月份達到最大值，因此隨著溫度變暖，地面融雪融冰水分補給，以及夏季的來臨，降水量逐漸增多，進行了降水量補給。6月之后，土壤含水量開始逐漸降低，并在11月和12月趨于平緩。②1-7月40m較為淺層土壤含水量高于深層100cm土層含水量，但在8月之后深層土壤含水量超過40cm以上土層含水量，這是因為在夏季逐漸過去之后，降水量降低，而淺層土壤中水資源會隨著地面蒸發及植被蒸騰耗水土壤含水量逐漸降低。此外，更重要的是夏季降水主要入滲補給10-40cm土層，隨后繼續補給深層40cm以下土層，使得在8月之后深層土壤含水量超過40cm以上土層含水量。

2000-2017年土壤含水量年內標準差和變異系數如表4所示。

表4 2000-2017年土壤含水量年內標準差和變異系數

由表4可知：①受降雨季節變化的影響，波動大，所以標準差較大，因此土壤含水量的變化較大，故變異系數較大，而冬季幾乎無水資源補給，所以標準差和變異系數都較小，冬季西北干旱區土壤水分進入穩定期，所以研究區土壤水分表現出明顯的季節變化特征；②隨著土層深度的加深，土壤含水量的波動越小，所以標準差和變異系數都越小，表明土層越深土壤含水量變異越小，越不會受到季節變化的影響。

1.6 空間異質性結果分析

空間異質性結果如圖4所示。

(a)2000年

從選取的2000年、2005年、2010年、2017年四個年份土壤含水量分布圖可以看出：①縱觀四個年份，土壤含水量<3%的區域面積逐漸縮小，說明研究區水資源在逐漸增多；②研究區土壤含水量自水平方向自東向西，以甘肅新疆交界處為分界線，先減小后增大，縱觀四個年份，研究區土壤含水量呈現斑塊分布，在甘肅西北部、甘肅新疆交界處、新疆東部哈密地區、吐魯番盆地、北疆準格爾盆地東南地區、南疆塔里木盆地東南地區最低，在祁連山北部黑河上游、新疆西部伊犁地區、塔里木河中上游以及阿勒泰山北部最高。

2 結 語

綜上所述，中國內陸地區與東部地區相比，降水量稀少，因此發達程度遠遠不及東部地區。在此背景下，為發展西部地區經濟，解決當地土地荒漠化、提高水資源利用率具有重要的現實意義。為達到上述目的，為其方案提出提供可靠的參考依據，文章以西北新疆和甘肅地區為例，基于GIS分析對區域內的水資源時空異質性進行研究，并得出了研究成果，但在研究中仍發現一些問題有待進一步深入研究，其中關鍵的是缺乏對各種因素與土壤水分時空異質性之間相互影響關系的分析，因此在此未來研究重點將放在環境因子對土壤水分變異的影響分析上。