ZY-1 02C星数据在西藏札达地区水文地质调查中的应用

李晓民， 燕云鹏， 刘刚， 李冬玲， 张兴， 庄永成

(1.青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室，西宁 810012； 2.青海省地质调查院, 西宁 810012； 3.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083)



ZY-1 02C星数据在西藏札达地区水文地质调查中的应用

李晓民1,2， 燕云鹏3， 刘刚3， 李冬玲1，2， 张兴1,2， 庄永成1,2

(1.青海省青藏高原北部地质过程与矿产资源重点实验室，西宁 810012； 2.青海省地质调查院, 西宁 810012； 3.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083)

为充分发挥我国国产卫星遥感数据在水文地质调查中的应用潜力，利用资源一号 02C(ZY-1 02C)卫星数据对西藏札达地区进行了水文地质调查。经调查发现各类泉点及泉群29处、各种大小不一的地下水溢出带14处、控水断裂3条、绿洲13处； 划分出松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、层状岩类裂隙水、裂隙岩溶水、块状岩类裂隙水和冻结层水等6种地下水类型； 并详细划分了第四系成因类型，进一步解译了松散岩类孔隙水的相对富水区、含水性一般区和相对贫水区。调查结果表明，利用遥感技术进行区域水文地质调查的前期工作，可大大减少野外工作量，为后续水文地质详查工作提供基础资料； 也从一个侧面说明了国产ZY-1 02C星数据在水文地质调查中的应用价值。

资源一号 02C卫星(ZY-1 02C)； 水文地质； 找水线索； 遥感解译

0 引言

水资源问题是长期以来制约我国西藏地区经济建设和社会发展的关键问题之一，尤其是在高山干旱人类活动区。经过近40 a的应用研究，遥感技术随着传感器、图像处理及计算机技术的提高, 在水文地质、工程地质、环境地质调查领域的应用取得了长足的发展。遥感水文地质开始逐步形成一门独立的学科，利用遥感技术进行水文地质调查有助于提高调查工作质量和速度[1-2]。为充分发挥遥感快速、高效、低成本等优势，本文利用国产资源一号02C卫星(简称ZY-1 02C星)数据对西藏札达地区进行水文地质调查，以基础地质与地形地貌为背景资料，查明了该区地表水和地下水分布规律； 并着重对找水线索中的泉及泉群、地下水溢出带、控水断裂、绿洲等进行了详查，划分出松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、层状岩类裂隙水、裂隙岩溶水、块状岩类裂隙水和冻结层水6种地下水类型；并详细划分了第四系成因类型，进一步解译了松散岩类孔隙水的相对富水区、含水性一般区和相对贫水区。为下一步进行水文地质详查提供了基础资料； 也从一个侧面说明了国产ZY-1 02C星数据在水文地质中的应用价值。

1 研究区概况

研究区位于西藏自治区西南部的阿尔卑斯—喜马拉雅巨型构造带东段，主要部分横跨冈底斯陆块，少部分处于喜马拉雅陆块及二者间的雅鲁藏布江结合带，地理坐标在E79°57′～80°57′，N31°00′～31°50′之间。区内地势总体上西南和东北两侧高、中部低，两侧喜马拉雅山脉、冈底斯山脉和阿依拉日居山脉沿NW—NWW方向延伸，海拔高、切割深； 位于中部的河谷区系NWW向和NE向区域构造造就了束放相间的纵向河谷地，水系主要为朗钦藏布(象泉河)和狮泉河的支流噶尔藏布，分别向西和西北流出国境，均属外流河，河水主要由冰雪融化补给。河谷西部分布有强剥蚀土林。该区气候受喜马拉雅山脉大气环流屏障作用影响较大，寒冷干旱，年平均气温0.2℃，最低平均气温34.6℃； 年均降水量200 mm； 日照充足，昼夜温差大，太阳辐射强。

研究区内地下水分布受岩性和构造控制，也受地貌与气候因素影响。该区属于藏滇地层大区，各地质年代的碎屑岩、岩浆岩等总体上呈NW向条块状展布。基岩山地因受多次构造运动的影响，岩石的构造裂隙和表层风化裂隙均十分发育，所以基岩山地以赋存裂隙水为主。虽然基岩山地地势高、降雪降雨量大、水补给充足，但由于沟谷深切，地表水网发育，地下水在裂隙中不易储存，往往顺坡向下移动，排泄于沟谷之中。青藏高原新生代地堑构造活动使该区的第四系松散堆积甚为发育，而且沉积类型多样，尤其是粗颗粒地层及其下伏基岩的整体抬升，为第四纪孔隙裂隙水的储存提供了良好场所，地下水溢出带、泉及泉群、绿洲沼泽等地下水露头广为发育。因此，该区的地下水资源较为丰富，是开展区域水文地质遥感调查的理想地区。

2 技术方法

2.1 遥感数据处理

我国于2011年12月22日成功发射了ZY-1 02C星，搭载有1台5 m/10 m分辩率全色/多光谱(P/MS)相机和2台2.36 m高分辨率全色(HR)相机。本次调查选取了覆盖研究区的ZY-1 02C星P/MS数据，获取时相在2012年6―12月之间。

为了保证水文地质遥感调查工作顺利开展，采用以下方法进行ZY-1 02C星数据处理。用于正射纠正处理的辅助数据选用分辨率为30 m的数字高程模型(DEM)数据(取自ASTER卫星数据)； 影像配准采用ERADS的AutoSync软件。选用ZY-1 02C的Band 2(R)Band 3(G)Band 1(B)波段组合合成了假彩色合成影像。在影像配准的基础上，采用乘积变换融合方法对P/MS多光谱数据与全色数据进行融合。融合影像综合了地物的纹理和光谱信息，信息量更加丰富，大大提高了对地物的判别能力，使其在基础地质、水文地质遥感调查等领域中的应用潜力得到显著提升[3-4]。

2.2 水文地质遥感调查技术路线

本次遥感调查以ZY-1 02C星数据为主要数据源，辅以其他资料和野外验证，旨在查明各类水文地质要素及其分布范围； 对第四系的富水性进行分析和判断，划分浅层地下水类型及其分布范围。通过建立形态、纹理、植被等解译标志，重点对地表水、泉、古河道、地下水溢出带、冲洪积扇、绿洲和控水断裂等与地下水有关的地质要素进行确定或推断[5-9]，以期为后期的水文地质调查提供基础资料和详查线索，减少野外调查工作量。具体技术流程见图1。

图1 水文地质遥感调查技术流程图

3 水文地质遥感调查

3.1 地表水解译

研究区内地表水体主要有冰川、湖泊及河流。

冰川均发育在海拔5 000 m以上的高山地带，主要分布于冈底斯山脉，少量分布于阿伊拉日居山脉，是区内河流的主要水源。冰川由积雪转变而成，发育有冰舌，具有一定的形态、面积和规模，多呈集群分布，在上述ZY-1 02C合成影像中呈蛋清色或白色，表面光滑。

区内湖泊主要为冰川作用下形成的堰塞湖，多分布于山间凹地，以融水和降水为主要补给。湖泊水体在ZY-1 02C影像中呈蓝黑色或深蓝色，表面光滑而平整，与周围陆地边界清晰。

河流分布广泛，山间沟谷均有发育。主要水系为朗钦藏布(象泉河)和狮泉河的支流噶尔藏布。河水由冰雪融化补给，总体流向自东向西或由东南向西北。在ZY-1 02C影像中可看到发育的河床、河漫滩等微地貌； 受不同水深的影响，水体呈深蓝色、蓝黑色和蓝色； 河流沿沟谷多呈树枝状分布； 沿河两岸有断续分布的沼泽地和草场。

3.2 地下水类型解译与划分

在遥感解译基础上，结合基础地质和地形地貌调查结果，本文对研究区内的地下水类型进行了划分，划分出松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、层状岩类裂隙水、裂隙岩溶水、块状岩类裂隙水和冻结层水6种类型，并进一步对ZY-1 02C影像解译了松散岩类孔隙水的相对富水区、含水性一般区和相对贫水区[10-14](表1)。

表1 研究区地下水类型遥感解译标志

研究区水文地质遥感解译图见图2。对6种地下水类型分述如下：

1)松散岩类孔隙水。该类地下水沿朗钦藏布(象泉河)和狮泉河的支流噶尔藏布SN向山间宽谷、山间峡谷河川及其支沟分布，其含水层为晚更新世和全新世冲积及洪积成因的砂砾卵石层和泥质砂碎石层，水位埋深小； 被这些河谷切割呈垄岗状排布的低山丘陵，水位埋深大，水补给有限，许多地段被疏干，多为基本不含水的透水层； 高山山脊两侧零星分布全新世冰碛成因的泥砾含水层。根据ZY-1 02C影像反映的地表湿度状况和地下水补给、径流、排泄条件，松散岩类孔隙水可进一步分为相对富水、含水性一般和相对贫水3级。其中河谷区相对富水或含水性较好，低山丘陵区相对贫水。水量较丰的潜水的含水层为第四纪全新世的冲积砂砾石层和冲洪积砂砾石层。宽谷中的山前洪积扇(群)因位于相对高位，富水程度差一些。山间窄谷因大量排泄基岩裂隙水而富水性较高； 下游宽谷则因需由地表水补给地下水，富水性随之降低。

图2 研究区水文地质遥感解译图

Fig.2 Remote sensing interpretation map of hydrogeology in study area

2)碎屑岩类孔隙裂隙水。该类含水层为构成山前丘陵的白垩系和第三系红色碎屑沉积，包括砂岩、砾岩及少量的泥岩等。沿山前坡麓和基岩残山地带分布的地段相对富水； 其余地段相对贫水。

3)层状岩类裂隙水。该类含水层大部分由石炭纪沉积或沉积变质形成的变质石英砂岩页岩、石英岩、板岩等岩石组合构成，主要分布在孟家扎马多日地区。位于山麓地带、岛状冻土边部，区域性深大断裂附近的基岩裂隙含水层较为富水； 残山地带的基岩裂隙含水层较为贫水。

4)裂隙岩溶水。该类含水层以碳酸盐岩夹碎屑岩为主，主要岩性为泥粉晶灰岩和白云岩。因水补给有限，富水程度不高，现代岩溶不发育。受解译比例尺精度和影像分辨率限制，从ZY-1 02C影像中厘定古岩溶或现代岩溶的分布较为困难，故未做进一步区分。

5)块状岩类裂隙水。该类含水层主要由侵入岩组成。区内岩浆侵入活动强烈且频繁，侵入岩分布广，岩石类型较多，主要为二长花岗岩和二长闪长岩。受构造影响，总体呈NW向带状展布。另外，区内还发育有少量的构造混杂岩，岩性多样，以橄榄岩、安山岩等为主。

6)冻结层水。研究区内冻结层水分布较广，均位于海拔高、起伏大的高山的季节性冻土区，边界明显。大部分区域冰雪较为发育，并有少量小块沼泽分布，说明该含水层富水性良好。冻土边缘地带的含水性随季节性改变，含水性一般。

综合研究区已有资料和水文地质遥感解译图，对研究区地下水的补给、径流和排泄条件进行了初步分析。区内地下水主要接受冰雪和降雨补给，向河溪径流排泄。地下水的动态特征随地下水类型的不同而有所差异。松散岩类孔隙水接受降雪、降雨和地表水的补给，含水层厚度变化大，地下水位具季节性的变化，潜水面随之变化，水位变幅一般； 基岩裂隙水径流途径短，一般就地补给，就近排泄，水位和水量变化多与大气降雨同步变化，水位变幅较大； 碎屑岩孔隙裂隙水变化最大，雨季可使其水量增大数十倍或百倍，枯水季节则可干枯，水位变幅最大。

3.3 找水线索

通过上述遥感解译，发现了一些重要的找水线索，包括各类泉点及泉群29处、各种大小不一的地下水溢出带14处、控水断裂3条、绿洲13处(将人工绿洲和沼泽湿地合并为绿洲)。

3.3.1 泉点(群)

研究区内泉和泉群较发育，主要沿NW―SE向断裂及沟谷分布，在山间宽谷的盆岭转换界面及侧向冲沟中也有少量分布，但呈零星散布特征。泉水有上升泉和下降泉2种： 上升泉由浅层承压水溢出地表面而形成，其出漏点在ZY-1 02C影像中呈暗红色的蝌蚪状或碟状影像特征，水质一般较好，所以在上升泉溢出口周围植被生长状态好，在ZY-1 02C影像中显示红色(图3(a))； 下降泉由潜水溢出地表而形成，因溢出口周围的地形比较低洼，地下水埋藏浅，故溢出口周围常有湿地或沼泽共生，致使下降泉溢出口的位置不十分清楚，溢出口植被生产茂密，在影像中显示醒目的暗红色(图3(b))。

(a) 上升泉 (b) 下升泉

图3 泉的遥感影像特征

Fig.3 Remote sensing image feature of spring

3.3.2 地下水溢出带

研究区内地下水溢出带一般发育在海拔相对较低的山前或沟谷部位的冲积扇前缘，可分为洪积扇前缘溢出带和受断裂控制的溢出带2类： 洪积扇前缘溢出带多为浅层地下水因受地形降低及洪积扇前缘洪积物颗粒变细、阻水性变大形成的隔水层作用而溢出地表形成的。在ZY-1 02C影像显示其位于洪积扇前缘，多呈弧线形展布，沿溢出带有泉点分布，植被发育，色调呈红、暗红、浅红色(图4(a))； 受断裂控制的溢出带沿断裂分布，呈直线状，因断裂作用致使承压含水层被断层所切，地下水在水压作用下沿断裂上升至地面而形成。沿断裂向水流方向植被发育，形成部分小河，其影像呈红、暗红色调(图4(b))。

(a) 洪积扇前缘溢出带 (b) 受断裂控制的溢出带

图4 地下水溢出带遥感影像特征

Fig.4 Remote sensing image feature of groundwater discharge zone

3.3.3 绿洲

绿洲常分布于河流湿地及沼泽中，沿山间沟谷发育。研究区内河流湿地沿朗钦藏布和噶尔藏布等主要河流发育，沼泽沿河谷广泛分布，在ZY-1 02C影像中显示为红色、褐红色，呈水浸状、杂斑状，与周边渐变过渡，植被发育，形成“绿洲”(图5)。

图5 控水断裂遥感影像特征

Fig.5 Remote sensing image feature of fracture controlling water

3.3.4 控水断裂

研究区内的控水断裂呈线性展布，多位于山前倾斜平原或山坡坡脚处，沿断裂发育串珠状泉点，部分控水断裂上发育溢出带，沿断裂带植被发育。断层破碎带具有较大的储水空间，其透水性大于断裂两侧正常岩层的透水性。阻水断裂多为逆断层或活动断裂； 充水断裂多为山前正断层，一般规模较大，可长达数十km(图5)。

3.3.5 冲洪积扇

研究区内冲洪积扇十分发育。由于河流出山口后比降显著减小，水流分散，流速减慢，形成束状沟叉； 加上气候干旱，分散的水流更易蒸发和渗透，致使水量锐减，甚至消失，因此所携带的物质大量堆积，形成坡度较大的扇形堆积体。在扇体的边缘常有泉水出露，成为干旱区的绿洲。冲洪积扇的堆积物主要为砂和砾石，分选较差； 随着水流搬运能力向冲洪积扇边缘减弱，堆积物质逐渐变细，分选也较好，一般为沙、粉沙及亚粘土。

3.4 野外验证

野外验证的主要目的是系统建立研究区各种地下水类型的遥感解译标志，对有疑问的解译结果进行实地查证，以改进和提高解译质量，减少野外工作量。本文选取13处查证点进行了野外验证，鉴于研究区的特殊地理位置，着重对第四系和找水线索进行查证。图6(a)为从ZY-1 02C影像中解译出的一处泉点，在影像上植被沿山坡发育，周围无植被，推测该处植被发育是因为有泉点渗出。经实地查验，发现当地居民已在该处修建了水井，泉水汇集成井(图6(b))，成为居民生活用水的来源。图6(c)为本次调查解译出的一处地下水溢出带，位于第四纪洪积扇的前缘，在ZY-1 02C影像中呈弧线状，沿溢出带有植被分布； 经实地验证，看到该溢出带前缘植被发育，土体湿润(图6(d))。

(a) 疑似泉点(b) 泉点水井实地照片

(c) 地下水溢出带 (d) 溢出带前缘实地照片

图6 找水线索遥感影像与实地照片对照

Fig.6 Comparison between remote sensing images for clue of finding water and field photos

通过野外实地验证，减少了遥感解译的盲目性，提高了解译准确率，所编制的水文地质遥感解译图件可作为该地区水文地质详查的基础资料，有一定的参考价值。

4 结论

1)结合研究区基础地质和地形地貌调查结果，从ZY-1 02C影像中划分出松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、层状岩类裂隙水、裂隙岩溶水、块状岩类裂隙水和冻结层水等6种地下水类型，详细划分了第四系成因类型，并进一步解译了松散岩类孔隙水的相对富水区、一般区和贫水区。

2)松散岩类孔隙水河谷区相对富水或含水性较好，低山丘陵区相对贫水。水量较丰的潜水的含水层为第四纪全新世的冲积砂砾石层和冲洪积砂砾石层。宽谷中山前洪积扇(群)因位于相对高位，富水程度一般较差。由于缺少相关的实地调查数据，对松散岩类孔隙水的富水性尚需进一步验证。

3)研究区内地下水主要接受冰雪降雨补给，向河溪径流排泄。地下水的动态特征随地下水类型的不同而有所差异。松散岩类孔隙水含水层厚度变化大，地下水位具季节性的变化特点； 基岩裂隙水径流途径短，一般就地补给，就近排泄； 碎屑岩孔隙裂隙水变化最大，雨季水量可增大数十倍或百倍，枯水季节可干枯。

4)通过本次水文地质遥感调查，在研究区发现了一些重要的找水线索，包括各类泉点及泉群29处、各种大小不一的地下水溢出带14处、控水断裂3条、绿洲13处。

5)充分发挥遥感快速、高效、低成本等优势进行区域水文地质调查前期工作，可为后续水文地质详查工作提供基础资料，减少其野外工作量； 也从一个侧面说明了国产ZY-1 02C星数据在水文地质中的应用价值。

志谢： 感谢宁夏穆真明、魏江、武平生、邹连亮等在自然环境恶劣的研究区进行野外验证付出的辛苦努力。

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(责任编辑： 刘心季)

Application of ZY-1 02C satellite data to hydrogeological investigation in Zanda area, Tibet

LI Xiaomin1,2， YAN Yunpeng3， LIU Gang3， LI Dongling1,2, ZHANG Xing1,2, ZHUANG Yongcheng1,2

(1.QinghaiKeyLaboratoryforGeologicalProcessandMineralResourcesinNorthernTibetanPlateau，Xining810012，China； 2.InstituteofGeologicalSurveyofQinghaiProvince，Xining810012，China； 3.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenter，Beijing100083，China)

In order to bring the potential of satellite data for hydrogeology into full play in China, the authors used satellite data of ZY-1 02C to investigate the hydrogeology in Zanda area of Tibet. The authors found 29 springs and spring groups, 14 groundwater discharge zones of different sizes, 3 water-controlling faults and 13 wetlands. And the six types of groundwater comprising pore water in the loose rock, fracture-pore water in the clastic rock, fracture - pore water in the layered rock, fissure karst water, fissure water in the massive rock and freezing layer water were recognized seperately. The genetic type of the Quaternary was divided in detail, and the rich area, general area and poor area of pore water in the loose rock were interpreted. The results of the investigation show that using remote sensing technology in the preliminary work of hydrogeological investigation can greatly reduce workload in the field. It can provide the basic hydrological data for the subsequent detailed hydrogeological survey, thus showing application value of ZY-1 02C satellite data in hydrogeological investigation.

ZY-1 02C satellite (ZY-1 02C)； hydrogeology； clue to water prospecting； remote sensing interpretation

10.6046/gtzyyg.2016.04.22

李晓民,燕云鹏,刘刚,等.ZY-1 02C星数据在西藏札达地区水文地质调查中的应用[J].国土资源遥感,2016,28(4)：141-148.(Li X M,Yan Y P,Liu G,et al.Application of ZY-1 02C satellite data to hydrogeological investigation in Zanda area,Tibet[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(4)：141-148.)

2015-06-19；

2015-07-28

中国地质调查局地质调查项目“西北边境地区国土资源遥感综合调查”(编号： 12120114090601)资助。

TP 79

A

1001-070X(2016)04-0141-08

李晓民(1988-),男,工程师,主要从事地质矿产遥感技术应用研究。Email： qhsrainly@qq.com。

燕云鹏(1977-)，男，博士，高级工程师，长期从事环境地质调查研究与地学数据库建设工作。Email： ypyan@sohu.com。