松嫩平原水文地理区划与分析

刘庚炜,王美玉,高雅琪,尉意茹,3*

(1.黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080;2.黑龙江省寒区水文与水利工程联合实验室,黑龙江 哈尔滨 150080;3.东北联邦大学 地质勘探学院, 雅库茨克 677000)

在北方地区,地下水担负着主要供水的责任,地下水功能区划是地下水评价与利用的基础,水文地质区划则是地下水功能区划的前提条件。松嫩平原是我国大型商品粮基地和畜牧基地,对松嫩平原水文地质进行区划是促进松嫩平原经济发展、社会进步甚至保护中国粮食安全的关键因素。笔者以县级数据为基础,通过利用Arc-GIS对研究区进行裁剪得到了松嫩平原的shp数据[1],得出了松嫩平原的高程图,将研究区地形地貌[2]、构造地质单元[3]以及地表水系作为区划指标,利用 Arc-GIS 软件将研究区鱼网化划分成同等尺寸的网格[4],生成网格图层并进行分区。

1 研究区概况

图1 松嫩平原高程

图2 松嫩平原位置

2 松嫩平原单因素区划

2.1 松嫩平原行政区划

通过下载中国行政边界市级shp文件并导入到地理信息系统(Geographic Information System, GIS)中,初步形成松嫩平原边界,根据数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)高程图对松嫩平原边界进行裁剪,最终得出松嫩平原行政区划图(图3)。

图3 松嫩平原行政区划

依照行政区划将松嫩平原分为12个部分,区划结果如表1所示。

表1 松嫩平原行政分区

2.2 松嫩平原水文地质区划

完整的水文地质单元界线是地下水开发与利用的基础[7],对研究区进行水文地质区划需要综合考虑多种因素的影响,地理位置、高度及其他地理因素上的不同会形成独特的区域特征。松嫩平原地形区划结果如图4所示。

图4 松嫩平原地形区划

结合地形地貌特征、主要开采含水层间的相互影响作用,将松嫩平原分为5个部分,区划结果以及所具有特征如表2所示。

表2 松嫩平原地形分区

松嫩平原作为我国重要的产粮基地,对水资源的需求巨大,而地形地貌对于降水入渗补给地下水有着很大的影响,因此,对于地形地貌进行区划是对松嫩平原地下水进行研究的基础。

2.3 松嫩平原流域区划

将下载的研究区DEM数据导入到GIS中,依照DEM数据对松嫩平原进行初步处理,运用GIS对DEM高程图进行填洼。使用水文分析中的流向功能得到流向栅格,之后进行流量处理与河流链接,提取松嫩平原河流网。再运用水文分析中的集水区功能得到地表水的一级分区以及地理条件分区,最后进行流域的区划,区划结果如图5所示。

图5 松嫩平原流域区划

研究区内目前有嫩江、松花江主干流、第二松花江主要河流,除此之外还有讷谟尔河、霍林河、乌裕尔河、洮儿河、拉林河以及呼兰河等四级河流,最后共得到13个分区,结果如表3所示。

表3 松嫩平原流域分区

在时间上,地表水径流量和雨量记录较频繁,更新速度较快,而地下水则有流动迟缓、历时较长的特点,因此,为了更好地研究松嫩平原地下水与地表水水量交互的问题,需要对松嫩平原流域进行分区并与地下水进行耦合。

2.4 松嫩平原生态环境区划

近半个世纪以来,松嫩平原生态环境的退化日益加剧,资源利用率仍有待提高[8]。松嫩平原是我国盐碱地发展较为严重的地区之一[9],因为盐渍土对植物有很大的负面影响[10],给农业的生产及当地居民的生活也造成了很大的困难,所以盐渍土的问题也一直威胁着我国的粮食安全。此外,干旱和洪涝的频发也是限制松嫩平原农业发展的重要因素,且干旱的严重程度目前仍呈增加趋势[11],在农作物生长的季节,干旱的地区零散分布在松嫩平原,洪涝多发生于地势低洼的中部地区[12]。因此,对松嫩平原进行生态环境区划对于引导人类遵从自然规律,协调人地关系,合理开发和保护松嫩平原生态环境具有重要的理论和实践意义。

根据松嫩平原所出现的生态灾害特征,将松嫩平原分为4个部分,区划结果及所具有特征见图6,表4。

表4 松嫩平原生态环境分区

图6 松嫩平原生态环境区划

2.5 松嫩平原含水层区划

对松嫩平原含水层进行区划不仅需要考虑到独特的区域特征水层,还要明确承压水的分布问题。松嫩平原含水层分布如图7所示。

图7 松嫩平原含水层区划

以主要开采含水层为研究因素,将松嫩平原分为4个部分[13],区划结果以及主要开采水层如表5所示。

表5 松嫩平原含水层分区

明确含水层的类型以及承压水的分布,是松嫩平原地下水开发与利用以及地下水资源量计算的必要条件。为了更全面地分析地下水补给与排泄的过程,还需要对含水层与地形地貌进行耦合,形成一个相互联系的整体。

3 地形地貌叠加含水层的双因素区划

对松嫩平原进行研究与开发需要考虑多种因素的影响[14],含水层与地形地貌决定了地下水开发的难易程度,将含水层与地形地貌进行叠加能更好地对松嫩平原地下水资源进行开采,更好地解决地下水的入渗与径流补给问题。本文以地形地貌分区为基础并结合研究区含水层与承压水分布进行分区,得到松嫩平原地形地貌与含水层的耦合分区,如图8所示。

图8 松嫩平原地形地貌与含水层耦合

结合地形地貌特征及主要开采含水层间的相互影响作用,将松嫩平原分为24个分区,区划结果以及所具有特征如表6所示。

表6 松嫩平原地形地貌与含水层耦合表

目前,学界对松嫩平原的研究成果大部分集中在单方面因素的研究,并没有把各个因素整合成一个有机联系的整体,导致研究出现偏差。对含水层、地形地貌进行耦合分析,能更直观且准确地分析地下水含水层之间相互补给的问题,为地下水资源量的评价提供依据。

4 地形地貌叠加含水层与地表水的三因素区划

对松嫩平原地下水资源量进行计算,需要对多因素间的相互作用进行研究,将松嫩平原的地形地貌、含水层、地表水进行三因素的叠加分析,可更为精确地模拟松嫩平原地下水补给与排泄的过程,更精确地进行地下水资源量的评价与计算。松嫩平原地形地貌、含水层与地表水耦合结果如图9所示。结合地形地貌特征及主要开采含水层以及地表水,将松嫩平原分为70个子区,区划结果如表7所示。

表7 松嫩平原地形地貌、含水层与地表水区划耦合

图9 松嫩平原地形地貌、含水层与地表水区划耦合

为了对影响松嫩平原地下水开采与补给的多种因素间的相互作用展开研究,需要从不同的角度和全方位的视角提出解决问题的方法和思路。为了更方便地对松嫩平原地下水进行评价与计算,本文在地形地貌与含水层耦合24个子区的基础上又叠加了地表水,最终得到70个子区,既为松嫩平原地下水的计算提供更为精确的资料,也为松嫩平原的地下水开发打下基础。

5 结 论

依据Arc-GIS对松嫩平原进行区划,可以得出以下结论:

1) 依照地形因素对松嫩平原进行区划,最终得出5个分区,为松嫩平原地下水资源量计算提供基础。

2) 依照地表水因素对松嫩平原进行区划,将松嫩平原分为13个分区,能够更方便地分析松嫩平原地表水与地下水互相补给的动态过程。

3) 依照生态环境因素将松嫩平原分为4个分区,分别为洪涝灾害区、干旱灾害区、盐渍化灾害区以及荒漠化区,为松嫩平原地表水及地下水的开采提供指导。

4) 依照含水层将松嫩平原分为4个分区,分别为第四系、新近系、古近系、白垩系多层含水层系统,第四系、白垩系双层含水层系统,第四系单层含水层系统以及第四系承压水分布区,便于对松嫩平原地下水进行开发以及资源量计算。

5) 将含水层与地形进行双因素耦合,最终得出24个分区,能够更准确地计算出松嫩平原降雨入渗以及含水层之间相互补给的问题。

6) 对松嫩平原地形地貌、含水层以及地表水进行三因素耦合,最终得出70个分区,既为松嫩平原地下水资源量的计算提供依据,也为以后松嫩平原地下水的开发与利用提供了科学基础。