GIS在地下水研究中的应用进展综述

丑述仁，李 丁

(西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127)

地理信息系统(Geographic information system)是由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务［1］。

地理信息系统是20世纪60年代中期发展起来的一门新的技术，由于40年代和50年代的计算机科学、地图学和航空摄影测量技术的发展，逐渐产生了地理信息系统的基本框架。在这个基础上诞生了世界上第一个地理信息系统—加拿大地理信息系统(CGIS)，1966年美国成立城市和区域地理信息系统协会(NASIS)，国际地理联合会(IGU)于1968年设立了地理数据收集和处理委员会(CCDSP)。这些组织和机构的建立，对于传播地理信息系统的知识和发展地理信息系统的技术，起了重要的作用。从1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出“地理信息系统”这一概念，并建立了世界上第一个地理信息系统——“加拿大地理信息系统”，用于自然资源的管理与规划，GIS技术已经渗透到了地理学、测绘学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学等领域。20世纪90年代以来，一些发达国家在地下水领域广泛开发和应用地理信息系统，使GIS在地下水领域有了较快的发展，并广泛应用越地下水 、评估、开采等方面。

1 GIS在地下水领域的主要应用

1.1 GIS在地下水资源信息管理和评价中的应用

1.1.1 在地下水管理中的应用

GIS在地下水管理中有着广泛的应用，邢毅等［1］使用使用GIS与数值模型相结合的方法，建立了GIS城市地下水管理模型，并应用于南方某市，取得了较好的效果。武强等［3］采用Mapinfo软件作为平台，面向对象的开发技术，Visual basic和Map basic语言联合开发而成的“塔里木盆地水资源地下管理GIS”成功的将GIS技术应用到塔里木盆地的水资源开发、管理当中。为西北干旱地区水资源利用管理提供一条新的研究途径。它是GIS技术在地下水资源管理中的成功应用。兰瑞等［4］设计了基于组件式地理信息系统的太原市地下水资源管理信息系统，以地理信息系统技术为支持，结合地下水管理的实际需要，在可视化开发环境c++builder中嵌入MapX进行二次开发，使开发后的GIS能高效、直观、准确的为地下水管理服务。

1.1.2 在地下水资源评价中的应用

EL-Kadi等［5］利用 GIS作为模型的外壳，在 Oahu和Hawaii岛建立了二维数值模拟模型，GIS主要完成数据管理和模型的前后处理。Jonathen等［6］人利用 Arc/info的 AML语言实现与地下水流模型CFEST的集成，GIS作为模型的前处理，模型运算结果经 GIS分析。Tang-Changyuan等［7］建立Arcview GIS的地下水流模型，利用GIS属性功能可以对数据文件进行方便的修改。Kenneth.KE［8］建立了地下水勘探开发、模拟、评价与管理系统。Tim等［9］利用GIS和水文模型相结合的方法来评估农业非点源污染。国内刘明柱等选择四种因子自然地理子系统(NGS)、水文地质环境子系统(HES)、地质环境子系统(GES)、地表水系子系统(SWS)，对区域地下水进行富水性评价并应用于天长市的地下水评价。

1.2 GIS在水源地保护中的应用

在水源地保护中，GIS也发挥着越来越重要的作用，国外Rifai H S［10］根据GIS划分出水源地保护带，并应用与美国休斯顿市，取得了很好的效果。Werner E.S等［11］基于GIS和一些相关水文模型建立了管理系统，监测水质，一旦发现异常，自动报警，以便在污染物没到水源地时就采取作用，该系统还能自动生成相关报表。国内信昆仑等［12］根据水源地相关信息Geodatabate数据库，以VB为开发语言，利用 ArcObject开发工具包开发的GIS系统，对水源地保护的有力工具。

1.3 GIS在水质预警及污染物分析的应用

应用GIS技术的空间分析功能，对水质预警和污染物分析，以此来指导水资源的开发利用，董志颖等［13］以 MapGIS为平台，对水质进行预警并应用与吉林省西部地区。对该地区的水资源的开发与应用举有很重要的作用。谢洪波等［14］在系统分析的基础上，采用二次开发模式，运用灰色预警模型，建立了焦作市的地下水水质预警系统。

1.4 GIS在水资源分析嵌入模拟模型

GIS技术在地下水分析中也被广泛应用，用来表现地下水的时空和动态变化，目前基于GIS的地下水分析主要有4种方式:(1)GIS平台中嵌入地下水模拟模型，如Arcinfo中级嵌入了地下水Darcy水流模型和污染运移模型。(2)GIS功能嵌入地下水模拟模型，如表1是主要的地下水模拟软件。(3)GIS与模拟模型的松散连接，如Argus ONE(Open Numeric Environment)(4)GIS与模拟模型的紧密连接，如通过GIS提供的宏语言或二次开发4GL高级语言(如Visual basic、Visual c++、Delphi等)将水流数值模拟模型和 GIS紧密连接在一起。

表1 地下水模拟软件［15］

1.5 基于GIS在地面沉降研究

地下水超采，形成大面积区域性地下水下降漏斗，改变了地下水压力、开采含水层和含水层上下滞水层中的应力状况，产生了粘性土的释水以及含水层、滞水层的压缩效应，从而导致地面沉降.日本的 S.Murakami等［16］利用 GIS技术描述了日本kamto平原地区的地面沉降，并预测了其发展趋势，且在图中实现了可视化成果。如地面沉降区域图、沉降与地下水历时曲线图、实测沉降与历时沉降比较图和散点相关图、预测沉降分区图、土地利用图、地面沉降潜在危害程度分区图。陈锁中等［17］以GIS主控模块，选择美国国防部开发的地下水运动模拟系统(GMS)和美国D.C.Helm等人开发的地面沉降模拟模型系统(compac)，进行地下水运动模拟和地面沉降模拟系统进行集成分析和设计，并应用于苏常地区。

1.6 基于GIS的地下水数值模拟

随着计算机技术的不断发展，地下水数值模拟模型的应用也越来越广泛，但要使这些数值模拟模型真正在生产实践中取得较好的经济和社会效益，模型拟合的效果和精度至关重要。

杨旭等［18］在分析传统的地下水数值模拟模型的拟合方法的基础上，提出了基于GIS的点、线、面的模型拟合的技术路线，实现了GIS的地下水数值模型的可视化拟合。桑学锋等［19］采用GIS和 Visual ModFlow软件相结合的方法，对敦煌水资源进行现状模拟和未来变化趋势预测，在此基础上结合GIS空间分析能力、地图学、计算机数值模拟技术实现了区域地下水二维和三维的可视化。

2 存在问题及研究趋势

2.1 目前GIS在地下水应用的局限性

GIS在地下水方面的应用还存在一些局限性如:(1)地理要素是很复杂的，GIS要想表示地下水中某些复杂的地理要素、时空模型及综合空间分析方法等方面还有一定的难度。(2)地理信息的共享，数据的标准化，GIS与应用模型的集成，由于地下水系统的特殊性，GIS软件的空间查询和分析功能不能满足地质专业分析和应用的需要。

2.2 GIS在地下水领域的研究趋势

2.2.1 GIS 的发展趋势

目前，地理信息系统的应用领域越来越广泛，GIS正朝着一个可运行的、分布式的、开放的、网络化的全球GIS发展。在未来几十年内，GIS将向着数据标准化、数据多维化、系统集成化、系统智能化、平台网络化和应用社会化(数字地球)的方向发展(1)三维GIS随着GIS技术的发展，二维GIS已经无法满足用户的需求，用户需要更为直观、真实的三维GIS来作为交互式查询和分析的媒介。三维GIS是GIS的一个重要发展方向，也是GIS研究的热点之一，其研究范围涉及数据库、计算机图形学、虚拟现实等多门科学领(2)时态GIS传统的GIS处理的是无时间概念的数据，只能是现实世界在某个时刻的“快照”。它把时间当作一个辅助因素，当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时，可以用数据更新的方式来处理时间变化的影响。然而，GIS所描述的现实世界是随时间连续变化的，随着GIS应用领域的不断扩大，在如下应用中，时间维必须作为与空间等量的因素加入到GIS中来。(3)网络GIS伴随着Internet和Intranet的飞速发展，GIS的平台已经逐步转向了网络，网络GIS的好处是不言而喻的，由于地理信息和大量空间数据都是以文字、数字、图形和影像方式表示的，将它们数字化，输入计算机，便可方便、快速和及时地将地理信息传送到需要的地方去，以发挥地理信息在国民经济建设、国防建设中的作用。(4)OpenGIS实现GIS的互操作，开发开放式的地理信息系统，OpenGIS是在计算机网络环境下，根据行业标准和接口所建立起来的GIS，是GIS的一个重要趋势。

2.2.2 GIS和RS相结合建立地下水资源管理专家系统

基于GIS、RS的栅格数据和地下水数值模型离散格网相似，而GIS和RS栅格数据更为丰富，尤其是RS信息具有实时特征，在研究土壤类型、植被生长、包气带水份等方面有很多优势。为使GIS的分析结果更趋合理性、科学性，应用研究建立基于专家知识、经验及一定熟悉模型基础上的智能DSS，以专家经验式知识为基础的GIS，具有更强的分析和表达复杂地学问题的能力，引起了普遍重视可更好地服务于地下水领域。

2.2.3 GIS和地下水管理模型有机结合，做到GIS模型和专业模型的结合

地下水系统具有特殊性，是一个复杂的受人为和自然双重作用的复合系统，GIS做为分析地下水的工具，由于缺少地下水的分析模型，在地下水评价中，制约了GIS强大的空间功能的发挥。能否做到GIS模型和地下水专业模型结合，关系到GIS在地下水研究中的发展。

3 结语

GIS技术的迅速发展，将提供更多适合于地下水特点的功能和技术，如输入输出、存储、转换等更强大。相邻学科和高新技术发展(例如网络GIS、OpenGIS、三维GIS、时态GIS等形式)，加强了GIS在地下水中的应用，也为GIS与地下水行业的相互结合和相互促进提供了新的契机。上述GIS在地下水方面的应用和GIS以后和地下水行业的新的发展趋势分析，相信GIS在地下水行业将得到更为广泛的应用。

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