RS与 GIS技术在地下水研究中的应用

贾艳红,赵传燕,牛博颖

(1.淮海工学院,江苏连云港 222001;2.兰州大学,甘肃 兰州 730000)

RS与 GIS技术在地下水研究中的应用

贾艳红1,2,赵传燕2,牛博颖1

(1.淮海工学院,江苏连云港 222001;2.兰州大学,甘肃 兰州 730000)

遥感作为一种对远距离目标信息进行综合性探测的新技术,可从根本上解决地下水监测工作中控制点少、地下水信息空间分布代表性差,无法实现大面积动态监测和评价的问题。GIS以其强大的空间数据管理和分析功能,为地下水研究数据的收集、空间分析及管理决策提供了重要的技术支撑。本文以 GIS技术在黑河下游地区地下水位空间变化研究中的应用为例,分析了 GIS技术在地下水研究领域中的应用。遥感与GIS技术的引入为地下水监测与研究工作的发展提供了巨大推动力,同时也为遥感与 GIS技术自身的发展带来了新的契机。

地下水;GIS技术;遥感;应用

1 引言

水资源是基础性自然资源,是生态环境的控制性因素之一。它与粮食、石油一样,是关系国家经济安全的重要战略性资源,是一个国家综合国力的有机组成部分。合理开发利用与保护水资源,是我国实施经济和社会可持续发展战略的重要保证。地下水作为水资源的重要组成部分和战略性资源的主要部分,在保障城乡居民生活、支持经济社会可持续发展和维护生态平衡等方面都具有十分重要的作用。尤其是在地表水资源缺乏的地区,地下水更具有不可替代的作用。随着人类对地下水资源依赖程度的提高,地下水开采量急剧增加,进而引发地下水水位大幅度下降、降落漏斗快速扩展、含水层疏干、地面沉降等一系列地下水危机和环境问题。此外,工业污水的超标排放、垃圾滲滤液和农田残留化肥、农药等都严重影响了地下水水质。面对这些地下水环境问题,构建区域地下水环境监测系统、开展地下水环境及其生态效应等方面的综合评价研究、科学合理地开发和利用地下水资源已显得十分迫切。

遥感技术作为宏观、综合、动态、快速监测和评价自然资源的有效手段,在快速、大面积监测地下水资源中发挥着重要作用,为地下水资源调查和监测提供了新的探测手段。它可利用遥感数据提供的地表冰雪、径流和变化信息,估算地下水补给量和勘探区域地下水资源存储量,确定其空间分布范围,评价地下水水质,对地下水动态变化进行监测与预测[1]。而GIS技术以其强大的空间分析功能、空间数据库管理能力及空间决策支持功能为地下水位空间分布、地下水空间分布范围确定、地下水研究模型建立、地下水水质评价及地下水资源智能化管理工作提供了重要的技术手段[2]。遥感与 GIS技术作为现代地理信息技术的典型代表,其在地下水研究领域中的应用必将有效推动快速、高效、准确、实时的智能化地下水监测和研究工作目标的实现。地下水遥感监测方法、模型研究的深入、定量遥感的发展、雷达技术的日益兴起又将提高地下水水质、水量、水位、水温等地下水监测指标的提取精度和时效,为地下水资源合理开发和利用提供科学的技术支撑。

2 遥感和 GIS技术在地下水研究中的应用

2.1 遥感技术在地下水研究中的应用

遥感是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的技术。它根据不同物体对波谱产生不同响应的原理来识别各类地物。可通过飞机、飞船、卫星等飞行物上搭载的遥感器来收集地面数据资料,并从中获取信息,经记录、传送、分析和判读来达到识别地物的目的。目前,遥感技术已广泛应用于军事(包括军事侦察、导弹预警、军事测绘等)和民用(如地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、海洋研制、地震监测)等方面。在传统的地下水探测和监测工作中,多以人工手段为主,这不仅费时费力,而且具有控制点少,地下水信息空间分布代表性差的特点,往往无法实现地下水的大面积动态监测和评价。而长期的地下水动态监测资料又是评价地下水环境质量的重要依据和检验地下水环境保护措施是否得当的直接手段。通过对地下水长期监测资料的分析,可确定地下水环境受污染影响的程度,根据污染晕的分布,确定相应的污染源,进而提出污染源治理和水环境保护措施。遥感技术作为宏观、综合、动态、快速监测和评价自然资源的有效手段,正好为该问题的解决提供了技术支撑,因而在地下水大面积监测和相关科学研究中得到了广泛应用。

遥感技术在地下水资源研究中的应用始于 1961年。当时科学家们利用热红外航空相片提取的地形信息和简单的水循环模型来判断地下水的存在,参照指示植被初步判断流出带和地下水补给来源。进入 20世纪 80年代后,随着多时相、多波段、多角度、高光谱和微波多极化遥感技术的发展,多源遥感数据广泛用于与地下水密切相关的地质条件的解译分析和与地下水有关的地表植被、温度、土壤水分等环境因素的提取,取得了有效的成果[3]。到 20世纪 90年代,地下水遥感监测技术研究随着数据源的不断丰富和方法的日趋成熟而得到较全面的发展。国内对地下水资源的遥感研究始于 20世纪 80年代初,主要以西部干旱、半干旱地区作为研究对象,使用地球资源卫星 Landsat MSS、TM和 ETM+,合成孔径雷达 SAR等遥感数据来提取与地下水富集相关的地表含水断层、裂隙、线性构造及地面湿度、温度等信息[3]。

2.2 GIS技术在地下水研究中的应用

GIS技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术,其以地理空间为基础,采用地理模型分析方法,实时提供多种空间和动态的地理信息,是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息,而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较,并将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流,明显地提高了工作效率和经济效益,为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。从 20世纪 70年代以来,一些发达国家开始把 GIS技术引入地下水研究领域。而GIS技术的引入,不仅提高了地下水管理与研究领域的工作效率,而且使其研究成果更加准确化、科学化。进入 21世纪以来,随着 GIS技术的发展,其在地下水研究模型建立、地下水水质评价和地下水资源管理等方面的运用也逐步进入实际操作阶段[2]。在很多情况下,GIS已成为地下水系统分析的必备工具。

3 应用研究

本应用研究的研究区域位于我国西北干旱区第二大内陆河——黑河下游地区。该区降水稀少,区内不产流,唯一的地表水来源就是黑河。而随着黑河中游地区人口增加和经济发展,区域用水量显著增加,致使进入下游的地表径流量逐年减少,河流断流、湖泊干涸、地下水位下降、天然植被退化死亡、沙尘暴肆虐等生态问题日益突出。地下水作为该区地表天然植被生态系统的唯一有效水源,不仅成为整个黑河下游生态系统的重要支柱,而且也成为稳定区域生态系统基本生态功能的主要因素。面对该区河流断流及依赖于其进行补给的地下水位急剧下降的问题,我国于 2000年 7月开始实施了黑河下游应急生态输水工程。随着对黑河下游水资源时空布局干预力度的加大,其地下水位及辐射范围都出现了波动,这种波动在河流缓冲带内表现得最明显[4]。因此,本文利用 GIS软件 ArcGIS 9.0 Analysis Tools中的缓冲区分析功能对黑河下游河流矢量图进行了缓冲区分析,提取出以黑河下游主河道为中心线的 20 km缓冲带范围作为研究区,并将其定义为“黑河下游地下水波动带”,整个区域面积约为 1.15×104km2。其相对位置如图 1所示。研究中重点分析了其内部的地下水位空间分布变化情况,这对依赖于区域地表径流及受其补给的地下水进行生长的区域天然植被生态系统恢复及区域植被重建都至关重要。

首先,研究利用 GIS软件 ArcGIS 9.0 Grid模块对黑河下游 1990年(代表研究区生态输水工程实施前的地下水位空间分布情况)的 31个地下水位观测点和 2006年(代表研究区生态输水工程实施后的地下水位空间分布情况,选择 2006年的原因是:截止 2005年黑河下游生态输水工程首次实现了黑河下游尾闾湖东居延海的全年不干涸)的 102个地下水位观测点的经纬度数据进行处理,生成用于地下水位空间分布模拟的点文件。

其次,进行地下水位空间分布模拟。由于数据正态分布是空间分布模拟的前提,因此研究中先利用 SPSS 13.0对1990年与 2006年的地下水位数据进行正态分布检验。经检验,所有数据均符合正态分布,可进行空间分布模拟。于是在 ArcGIS 9.0空间分析模块支持下,运用 Ordinary kriging对1990年和 2006年黑河下游地下水位空间分布进行了模拟,结果如图 2和 3所示,其中插值模型及相关参数都是经过比较选择的最优值[5]。

由图 2和图 3可见,1990年黑河下游地下水位具有显著的沿河流流向逐步加深的趋势,地下水位最深处位于河流尾闾湖——东、西居延海附近。而地下水位较浅的区域主要位于研究区的西南部,既黑河下游两支流——东、西河的上游。由此说明,当时黑河下游地下水对地表水的依赖十分强烈。河道来水是地下水的主要补给源。

与 1990年相比,2006年黑河下游地下水位发生了明显变化。其中东、西两河中间部位地下水位变化最显著。该区为多层含水层,且为额济纳盆地的中心区,位置相对较低,因而成为盆地内各含水层地下水的汇集区[6]。随生态输水的实施,盆地各含水层水量增加,汇集到该区的水量也随之增加,因而该区地下水位上升最显著。同时,东河东南部和西河西北部地下水位也有较大变化。同受生态输水影响却出现东河东南部地下水位下降显著而西河西北部却略有上升,且西河地下水位随河流流向逐渐加深的趋势变得明显,而东河却出现下游地下水位浅于中游的现象。其原因可能与黑河下游生态输水政策及相关水利工程的建设有关。为提前实现黑河水资源统一管理调度目标,“让东居延海波涛汹涌”[7],在生态输水实施过程中加大了向东河的输水力度。同时,为了减少输水过程中的水量损失,保证额济纳旗及其下游的供水,水利部在黑河下游修建了甘蒙引水工程,一期工程从狼心山至额济纳旗全线衬砌。因而彻底切断了东河中游地区的地下水补给源。因此东河中游,尤其是其东南部地区地下水位在生态输水实施后未升反降。而东河下游地下水位的上升则是受到了东居延海的补给。

图2 1990年黑河下游地下水位空间分布模拟

图3 2006年黑河下游地下水位空间分布模拟

4 结语

由上述应用研究可见,GIS技术作为空间数据处理的有效手段,其在地下水位空间分布研究中的应用很好地解决了目前地下水研究中监测井数量有限,大面积、实时地下水水位、水质、水量等指标监测困难的问题。而遥感作为宏观、综合、动态、实时监测和评价自然资源的有效手段,其与 GIS技术相结合必将为地下水监测和研究工作步入现代化、信息化作业提供技术支持。地下水既是不可或缺的水资源,也是重要的生态与环境支撑要素,对经济社会全面、协调、可持续发展起着重要支撑作用。因此,必须对地下水资源进行统一的监测、评价、管理和保护,保障水资源的可持续利用,以支撑经济社会的可持续发展。遥感与 GIS技术作为现代社会信息处理的重要手段,可为地下水监测与研究工作的发展提供巨大的推动力。同时,遥感与 GIS技术和地下水研究工作的有机结合也为以遥感和GIS技术为代表的地理信息技术本身的发展带来了新的契机。

[1]阿布都瓦斯提·吾拉木,秦其明.地下水遥感监测研究进展[J].农业工程学报,2004,20(1):184-188.

[2]赵军,贾艳红.国外 GIS在地下水管理与研究中的应用和启示[J].地下水,2005,27(3):166-168.

[3]华晓凌,晋华.遥感技术在地下水研究中的应用[J].山西水利科技,2004,(154):29-30.

[4]贾艳红,赵传燕,南忠仁等.黑河下游地下水波动带土壤盐分空间变异性研究[J].土壤学报,2008,45(3):420-430.

[5]贾艳红,赵传燕,牛博颖,等.基于GIS的黑河下游地下水波动带范围探析[J].淮海工学院学报(自然科学版),2009,18(3):51-54.

[6]武选民,史生胜,黎志恒等.西北黑河下游额济纳盆地地下水系统研究(上)[J].水文地质工程地质,2002,(1):16-20.

[7]李国英.科学调配水资源支撑黑河流域生态建设[R].在内蒙古阿拉善盟额济纳旗黑河综合治理工作座谈会上的讲话,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

淮海工学院自然科学研究项目(KX 08010)与淮海工学院引进人才科研启动基金项目(KQ 09024)共同资助

贾艳红(1977-),女,甘肃白银人,环境科学工学博士,主要从事遥感及 GIS技术应用研究。