GIS在区域地下水资源评价中的应用

<P  align=center><SMALL>刘明柱<SUP>1</SUP>，陈鸿汉<SUP>1</SUP>，叶念军<SUP>2</SUP>，胡丽琴<SUP>3</SUP><BR>(1.中国地质大学；2.安徽治淮委员会水科所；3.海淀走读大学信息学院)</SMALL></P>
<P><SMALL><B>摘要：</B>通过对地下水资源系统特点的分析，应用GIS建立了地下水资源评价系统，该系统能够综合考虑地下水资源中的各子系统的综合影响，对系统内部的不同空间对象采用不同的空间分析方法，从而揭示区域地下水系统中的各子系统的内在联系，对整个区域地下水资源的富水性进行评价。</SMALL></P>
<P><SMALL><B>关键词：</B>GIS；空间分析；地下水资源</SMALL></P>
<P><SMALL>作者简介：刘明柱(1971-)，男，辽宁大连人，博士生，主要从事水资源研究及GIS应用开发。</SMALL></P>
<P >地理信息系统(Geographic Information System简称GIS)是以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关数据的空间信息系统。由于地球是人们赖以生存的基础，所以GIS是与人类的发展、进步密切关联的一门信息科学与技术，愈来愈受到人们的重视<SUP>[1]</SUP>。在地下水资源方面，地理信息系统已经发展成为一个非常有效的工具。在国外的地下水模型研究中，地理信息系统已经有了很大范围的应用。EL-Kadi,A.I.etc<SUP>[2]</SUP>。将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主要是完成数据管理和模型的前后处理。Tang-Changyuan,etc.<SUP>[3]</SUP>建立了基于Arcview GIS的地下水流模型。利用GIS的属性功能可以对数据文件方便的修改，计算结果经过转换实现可视化和编辑。国内也有一些学者致力于这方面的研究。武强<SUP>[4]</SUP>等研究开发了以Mapinfo为平台的塔里木盆地地下水资源管理系统。宫辉立<SUP>[5]</SUP>建立了GIS技术支持下的城市水资源管理模型。这些基于GIS的水资源管理系统的共同特点就是充分利用了GIS的数据管理、查询和显示功能，而对于GIS更强大的功能——空间分析功能，则没有涉及到。本文将利用GIS的空间分析功能，对区域地下水富水性的评价做些有意的尝试。</P>
<P>1 地下水资源动力系统的特点</P>
<P >地下水资源动力系统属于开放系统，它与外界环境有物质、能量和信息的交换，因此系统中各元素的研究成果具有多解性和外延性。为了使研究成果具有更大的置信度和更好的精确性，就必须将各子元素(子系统)的研究成果与外部环境，如自然地理子系统、气象子系统、地质子系统、地下水资源的天然补、径、排动力子系统、人工社会环境子系统等研究成果综合叠加，即以各子系统成果的交集来确定所研究系统的特性。用数学符号表达为：</P>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>

<TR>
<TD width="50%">
<P align=center>SBE={s<SUB>n</SUB>∩s<SUB>w1</SUB>∩s<SUB>g</SUB>∩s<SUB>w2</SUB>∩s<SUB>z</SUB>|x,y,z,t}</P></TD>
<TD width="50%">
<P align=right>(1)</P></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV>
<P>式中：S<SUB>n</SUB>为自然地理子系统；S<SUB>w1</SUB>为气象子系统；S<SUB>g</SUB>为地质子系统；S<SUB>w2</SUB>为地下水资源天然补、径、排动力子系统；SZ为人工社会环境子系统；x,y,z为空间坐标；t为时间；</P>
<P >如果把地下水资源动力系统作为行为系统，其它的子系统作为原因系统，则这些动力子系统在同一四维时空中相互作用，相互迭加，共同作用于地下水资源动力系统。</P>
<P >在地下水资源动力系统中，各级子系统内部的各因素之间都相互联系、相互影响、相互依赖、相互制约。地下水资源动力系统研究要求抛弃单一子系统和单一因素的零散孤立研究方式，以便对一个流域地下水资源动力系统中的各种动力学过程得出全面、系统和一致的认识；要查明地下水资源动力系统中各种动力学作用之间的联系和制约，以及各种动力学子系统之间的控制与反馈机制，以便实现对一个地区或一个流域地下水资源动力系统中的形成演化动力过程的定量描述。</P>
<P>2 系统指标体系</P>
<P >在地下水资源评价系统中，将大气降水分布特征、地表水系分布特征、基岩类型、第四系松散沉积类型、构造因子、地形坡度、汇水面积等图层有机的组合在一起，共同形成区域地下水资源富水性评价系统。研究和评价不同地区的地下水资源动力系统的富水效应，首先要考虑的是地质背景。不同的基岩类型、构造特征，其富水特征不一样。建立地下水资源富水性评价的指标体系时所遵循的原则是：(1)入选因子应能充分反映影响地下水资源系统的富水性；(2)入选因子应该有数据来源；(3)各因子的等级划分不宜过细，以4～5级为宜；(4)因子优选和因子等级划分均以指标体系灵敏度最高为目标函数。</P>
<P>3 地下水资源评价系统</P>
<P >通过对地下水资源系统特点的分析，在系统论的思想指导下，我们建立了区域地下水富水性评价系统，该系统是基于空间信息与计算机技术结合的决策支持系统，系统的目标是通过对地下水资源动力系统中各子系统及其内部要素空间信息的迭置分析，确定富水地段和派生出其它有用信息，为地下水资源评价管理和决策提供准确全面的信息、依据和手段；提高地下水资源管理的水平；促进地下水资源管理的规范化和科学化。系统的主要特点是对地下水资源系统各子系统及其内部要素进行空间迭置分析，并对不同的研究对象采取不同的分析方法，从而揭示其各子系统的内部联系，确定区域相对富水地段。</P>
<P >本次研究选择4种因子(自然地理子系统(NGS)——评价自然地理条件对区域富水程度的影响；水文地质环境子系统(HES)——评价地下水补、径、排(天然和人为的)对区域富水程度的影响；地质环境子系统(GES)——评价地层岩性对区域富水程度的影响；地表水系子系统(SWS)——评价地表水系对区域富水程度的影响)来进行评价区域地下水资源的富水性(GW).它们的函数关系可写成</P>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>

<TR>
<TD width="50%">
<P align=center>GW=f(NGS,HES,GES,SWS)</P></TD>
<TD width="50%">
<P align=right>(2)</P></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>

<TR>
<TD vAlign=top width="54%">系统对地下水资源的评价采用简单线性模型和加权模型。简单线性模型就是将各因子图层的相应网格单元值进行简单迭加。其数学表达式为：</TD>
<TD width="46%">
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>

<TR>
<TD align=middle width="100%"><IMG src="http://www.cws.net.cn/Journal/slxb/200201/images/10t01.gif"></TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="100%"><SMALL>图1 地下水资源系统富水性多因子复合迭置分析示意</SMALL></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>

<TR>
<TD width="56%">
<P align=center>GW(i,j)=NGS(i,j)+HES(i,j)+GES(i,j)+SWS(i,j)</P></TD>
<TD width="44%">
<P align=right>(3)</P></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV>
<P>而加权评价模型是将各影响因子的网格值乘以权重(w)后再相加，权重的大小取决于单个因子对区域富水性的影响程度。其数学表达式为：</P>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>

<TR>
<TD width="66%">
<P align=center>GW(i,j)=NGS(i,j)*w<SUB>1</SUB>+HES(i,j)*w<SUB>2</SUB>+GES(i,j)*w<SUB>3</SUB>+SWS(i,j)*w<SUB>4</SUB></P></TD>
<TD width="34%">
<P align=right>(4)</P></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>

<TR>
<TD vAlign=top width="59%">式中：(i,j)表示相应单因子图层第i行，第j列的网格单元；w<SUB>1</SUB>,w<SUB>2</SUB>,w<SUB>3</SUB>,w<SUB>4</SUB>分别表示相应因子的权重。GW(i,j)的值越大说明富水性越强，反之越弱。
<P>　　多因子的复合迭置分析运算如图1所示。</P>
<P >将各子系统空间分析所获得的网格数据采用简单线性或加权叠加分析就得到每一个网格单元的地下水资源系统的综合富水性指数，归一化后其值在0～1之间。通常再将这个值重新分成5级：</P></TD>
<TD width="41%">
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="100%" border=0>

<TR>
<TD align=middle width="100%"><IMG src="http://www.cws.net.cn/Journal/slxb/200201/images/10t02.gif"></TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="100%"><SMALL>图2 富水性综合评价流程</SMALL></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV>
<P>　　1级 e≤0.2；</P>
<P>　　2级 0.2<e≤0.4；</P>
<P>　　3级 0.4<e≤0.6；</P>
<P>　　4级 0.6<e≤0.8；</P>
<P>　　5级 0.8<e≤1.0；</P>
<P >5个级别赋予不同的颜色或灰度、符号，就得到区域地下水资源系统相对富水性指数图。划分为5个级别主要是为了和过去地下水资源系统富水性制图习惯相一致，以前的图一般分为5个等级。e≤0.2时合并成贫水级别，意在突出地下水资源系统富水性区，以发挥分区图在地下水资源评价决策中的作用。</P>
<P>4 应用实例</P>
<P><B>4.1 研究区概况</B> 天长市位于安徽省东部，地形为西南高，东北低，研究区高程主要在3.5～216m之间。全市有天然河流7条，皆属淮河入江水系。地层属下扬子层分区的天长-滁州地层小区。区内第四纪广布，基岩露头零星展布。中生代以来，区内发育了以北东向为主干断裂和相伴生的北西向及近南北向的断裂。</P>
<P >本区地下水主要以大气降水的垂直入渗补给为主，次为邻区地下水的侧向径流补给和地表水垂直补给。地下水径流方向，浅层松散沉积物孔隙水主要由西向东和由西南向东北，即由西部的山区和南部的江淮分水岭流向平原，深层基岩裂隙水的径流方向与浅层地下水的径流方向基本一致。</P>
<P><B>4.2 天长市地下水资源综合评价</B></P>
<P>4.2.1 浅层松散沉积物孔隙水评价 该含水层在区内广泛分布，地下水主要赋存于第四系中下更新统的中粗砂，沙砾石的空隙中，含水层厚10～40m，含水层埋深小于75m.</P>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="89%" border=0>

<TR>
<TD align=middle width="50%"><IMG src="http://www.cws.net.cn/Journal/slxb/200201/images/10t03.gif"></TD>
<TD align=middle width="50%"><IMG src="http://www.cws.net.cn/Journal/slxb/200201/images/10t04.gif"></TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="50%"><SMALL>图3 浅层基岩裂隙水单井涌水量分布评价结果</SMALL></TD>
<TD align=middle width="50%"><SMALL>图4 浅层基岩裂隙水实际单井涌水量分布</SMALL></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV>
<P >运用本系统的加权评价模型，根据该区的实际情况，将天长市的地质子系统(w=0.2)、地表水系子系统(w=0.1)、自然地理子系统(w=0.3)、水文地质子系统(w=0.3)的单因子图层叠加，得到的区域浅层松散沉积物孔隙水综合富水性评价结果(本次评价将因子值划分为3级是为了与研究区实际单井涌水量分布图做比较)如图3所示。由图3可以看出在铜城区的东南部，仁和区的北部富水性最强，铜城区西部、大通区的东北部、城关区的中部、仁和区的西北部一带次之。这是因为区内老白塔河古河道由铜城区的西部经大通区的东北部、城关区的中部再到仁和区的西北部，古河道含水介质为砂砾石，因此这一带相对较富水。另外区内的几条主要河流都在铜城区的东南部、仁和区的北部汇流到高邮湖，这两种因素迭加影响使该处最富水。由于汇水面积的影响，使得该区的东北部比西南部普遍富水性较强。该分析结果与本地区浅层基岩裂隙水实际单井涌水量分布(图4)有很好的一致性。</P>
<P>4.2.2 深层基岩裂隙水分析 该含水层在区内广泛分布，其含水层由上第三系桂五组、花果山组含砾粗砂，砂砾石层组成，在铜城，杨村以西与上第三系玄武岩呈互层状。深层孔隙水含水层顶板埋深75～150m，一般厚50～80m，最大厚度120m，为承压水，水位埋深4～13m.</P>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width="85%" border=0>

<TR>
<TD align=middle width="50%"><IMG src="http://www.cws.net.cn/Journal/slxb/200201/images/10t05.gif"></TD>
<TD align=middle width="50%"><IMG src="http://www.cws.net.cn/Journal/slxb/200201/images/10t06.gif"></TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width="50%"><SMALL>图5 深层基岩裂隙水单井涌水量分布评价结果</SMALL></TD>
<TD align=middle width="50%"><SMALL>图6 深层基岩裂隙水实际单井涌水量分布</SMALL></TD></TR></TABLE></CENTER></DIV>
<P >运用本系统将天长市的地质子系统(w=0.3)、地表水系(w=0.0)、自然地理子系统(w=0.25)、水文地质子系统(w=0.45)的单因子图层叠加，得到的区域深层基岩裂隙水综合富水性评价结果如图5所示。由图5可知，古河道一带仍然较富水，这是因为古河道向下垂直入渗补给基岩裂隙使这一带相对较富水；在汊涧区和城关区分布着南北向和北东向的张扭性导水断裂，导水断裂的存在使得断裂的周围相对较富水；古河道垂直入渗和导水断裂的迭加影响使得大通区的东南、城关区和汊涧区的交界处富水性最强；另外可能深层基岩裂隙水仍然受汇水面积的影响，使得东北部较西南部相对富水。该分析结果与本地区深层基岩裂隙水实际单井涌水量分布(图6)基本一致。</P>
<P>5 结论</P>
<P >(1)地下水资源评价系统能够综合考虑地下水资源系统中各子系统的影响，对系统内部的不同空间实体采用不同的空间分析方法，从而揭示区域地下水资源系统中的各子系统的内在联系，对整个区域地下水资源系统进行评价和再认识；(2)运用该系统的点分析，线分析，面分析功能模块，可对地下水资源系统中的各子系统对区域富水性影响值的大小，给出定性描述，生成反映区域富水性不同影响因素的图层系列，通过对单因素图层的迭置分析获柔论性专题地图和专题数据集，揭示系统内部的控制与反馈机制，为地下水资源管理决策提供依据；(3)运用该系统，可对区域地下水资源系统进行富水性评价，以达到对区域富水程度分区目的；(4)本次分析评价过程中所给的权重，主要根据天长市的实际情况和一些专家经验，权值的大小与精度还有待于今后在实践中对该地区地下水资源系统的不断认识和深化。</P>
<P><B>参 考 文 献：</B></P>
<P><SMALL>[1] 马智民，俞全宏，姜作勤。应用地理信息系统设计与实现[M]。西安：西安地图出版社，1996.</SMALL></P>
<P><SMALL>[2] EL-Kadi A I,Oloufa A A,Eltahan A A,Malik H U.Use of a Geographic Information System in Site-Specific Groundwater Modeling[J]。Groundwater,1994,32(4):617-625.</SMALL></P>
<P><SMALL>[3] Tang-Changyuan,Kondoh-Akihiko.Regional groundwater model with GIS[C]。30<SUP>th</SUP>International Geological Congress,Beijing,China.Abstracts-Congres Geologique International,Resumes.30,1996,1:471.</SMALL></P>
<P><SMALL>[4] 武强，邹德禹，董东林，等。水资源开发管理的地理信息系统(GIS)[J]。中国矿业大学学报，1999，28(1).</SMALL></P>
<P><SMALL>[5] 宫辉力。博士后出站报告[D]。北京大学，1999.</SMALL></P>