地理信息系统在地下水脆弱性评价中的应用

邓成鑫 李绍飞 岳凌霜 吕静楠 丁佳 王金楠 张晓琦

摘要：《地理信息系统》是水文与水资源工程专业的特色专业课程，重点讲述了地理空间数据的特征及处理方法。本文利用地理信息系统的强大的空间分析功能，提取天津市平原区地下水脆弱性影响因素的原始数据，基于模糊识别理论和组合赋权法构建地下水脆弱性评价模型，在天津市平原区划分网格，进行实例计算，得到地下水脆弱性分布图，为地下水污染的防治提供建议。

关键词：地理信息系统；空间数据处理；地下水污染风险；评价

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）05-0053-02

地理信息系统（GIS），是一门介于地球科学与信息科学之间的交叉学科，目前已成为现代地学研究的强有力的技术工具。天津农学院水文与水资源工程专业在第七学期开设了专业选修课程《地理信息系统》，课堂讲授16学时，上机操作16学时。重点讲述了地理信息系统的基本概念、构成、功能及其发展趋势；地理空间数据的特征及其计算机表示方法、空间数据的处理方法；空间数据库的基本理论，空间分析的原理和方法，水文学中常用的数据分析功能等。通过本课程的学习，掌握了地理信息系统的空间数据处理与分析方法，培养了初步应用能力。在GIS平台，将各图片绘制成矢量文件，并同时编辑属性表，利用空间分析功能提取各计算单元的原始数值。建立基于模糊识别理论的地下水脆弱性评价模型，开展天津市平原区地下水脆弱性评价研究，绘制地下水脆弱性分布图，为保护地下水资源、规划利用土地，提供决策参考。

一、GIS的空间分析功能

GIS区别于一般的信息系统、CAD以及电子地图系统的主要标志是具有空间分析功能，配合空间数据的属性信息，GIS可以提供空间数据的查询、计算、统计分析等功能。空间分析主要通过空间数据和空间模型的联合分析来挖掘空间目标的潜在信息，比如各要素的空间位置、分布、距离、方位、拓扑关系等，将空间目标的空间数据和属性数据结合起来，可以进行空间计算与分析。

二、地下水脆弱性评价数据准备

地下水脆弱性是指地下水系统容易遭受污染的程度。最早由法国学者xx提出脆弱性的概念，1987年，美国环保署（USEPA）提出了包含地下水埋深、含水层介质、渗透系数、土壤类型、净补给量、包气带岩性、坡度等7项影响因子的加权指数叠加法——DRASTIC评价方法。DRASTIC评价方法概念明确，能够较好地与GIS结合起来，适合于区域尺度的地下水脆弱性评价，在许多国家和地区得到广泛应用。本文以天津市平原区为研究区域，开展地下水脆弱性评价研究，利用GIS的空间分析功能提取各指标的原始数据。《天津市水文地质图集》和《中国土壤》两本图集中，包含了地下水埋深、含水层介质、渗透系数、净补给量、包气带岩性、土壤类型的分布图，拍照存为图片格式文件（比如.jpg文件），在GIS平台，导入上述图片格式文件，将其作为底图逐一描绘，并根据图集中标注的数据（或者岩性类型）编辑各要素对应的属性表，由此可绘制各影响因子的矢量文件（.shp文件），该矢量文件既能够呈现出各要素的空间分布，又通过属性表给出了空间位置上各项影响因子的属性数据。由GIS绘制得到的天津市平原区的地下水埋深、含水层介质、渗透系数、土壤类型、净补给量、包气带岩性等六项影响因子的分布图（矢量文件）。其中，由于包气带类型、含水层岩性和土壤类型属于定性指标，在地下水脆弱性评价的计算中需要加以量化，本文根据不同的岩性类型对其进行了量化，从具体量化标准可看出：（1）蓟县山前和武清西北部包气带类型的量化分值较高，由粗砂组成。中东部平原的北部多为粉砂，南部多为粉砂亚黏土互层，颗粒较细，量化分值相对较低。（2）地下水埋深由北部山前平原向东、南部的滨海平原逐渐减小，蓟县北部山前地带埋深在15米以上，宝坻断裂以南广大平原区埋深在3米以内。（3）含水层岩性的量化分值由北部向东南逐渐减小，表明岩性颗粒逐渐变细。（4）从北部山前平原到南部平原，净补给量呈现出由大到小再增大的趋势。（5）含水层渗透系数的变化趋势和含水层岩性相似，由北部向东南逐渐减小，北部大于10.7m/d，而南部地区则低于4.3m/d。

在GIS平台，将研究区划分成1000m×1000m的网格，共11031个。以每个网格为计算单元，提取每个网格的除坡度以外的6项影响因子的原始数据，具体方法是，在重新绘制一个矩形区域（涵盖研究区），对其利用fish net工具划分网格，然后用研究区的边界的面状矢量文件利用clip工具对其裁剪，由此得到研究区的网格状的矢量图。利用该矢量图的属性表的“连接和关联”中的“在同一空间位置的属性相连”的空间处理功能，分别连接6项影响因子的面文件，可以得到属相表中包含上述六项评价因子数据的以网格为单元的面矢量文件。

三、天津市平原区地下水脆弱性评价

DRASTIC方法在广泛应用的同时，也显示出方法自身存在的缺陷，包括：（1）对各参数赋予固定不变的经验性权重值；（2）未考虑指标值在同一个评分等级范围内变化的连续性和模糊性。本文选取除坡度以外的6项指标作为含水层易污性评价指标，为克服DRASTIC方法的缺陷，在原始数据基础上，基于模糊识别理论，采用文献[1]提出的地下水防污性能模糊评价方法，计算模糊隶属度矩阵；采用文献[2]中提出的客观权重计算方法——熵权法和文献[3]中提出的主观权重计算方法——层次分析法的算术平均计算综合权重值。

1.指标权重计算。分别利用熵权法和层次分析法（AHP法），算得各指标的熵权和AHP权重，具体计算步骤见文献[1]、[2]，求二者算术平均值的权重向量。

四、结论

地理信息系统（GIS）目前已成为现代地学研究的强有力的技术工具，具有强大的空间数据处理功能。区域地下水脆弱性评价，属于空间数据提取和处理的问题，本文利用地理信息系统的空间分析功能，提取天津市平原区地下水脆弱性评价的6项指标，采用基于模糊识别理论的地下水脆弱性评价模型进行实例应用，并通过GIS绘制地下水脆弱性等级分布图，为保护地下水环境、防治地下水污染提供建議。

参考文献：

[1]李绍飞，李冠佑，闫东，等.基于地下水污染风险模糊评价模型及其应用[J].水电能源科学，2017，35（7）：76-80.

[2]白庆芹，汪妮，解建仓，等.基于模糊综合评价法的城市河流脆弱性研究[J].水土保持通报，2012，32（01）：244-247.

[3]张小凌，等.基于层次分析法的DRASTIC模糊评价方法探讨——以云南曲靖盆地为例[J].工程勘察，2014，（7）：41-46.