3S技術在地下水管理與開發中的應用

曹佳云,付曉婷,賀 丹

(西北大學 城市與環境學院,陜西西安 710127)

地下水在我國水資源利用中占有重要的地位,特別在北方地區具有戰略性重要作用。地下水約占全國水資源總量的 1/3,在我國北方地區,地下水在許多地區和城市已成為唯一水源。隨著國家經濟建設發展和人口繼續增加,城市開發利用地下水日益廣泛,迄今地下水已經成為我國城市和工農業用水的主要水源,全國三分之二的城市以地下水作為主要的供水水源,約四分之一的農用田灌溉靠地下水。地下水開采總量超過1 000億 m3,約占全國用水量的 15%～20%。由此可見,地下水的管理開發是關系到我國經濟和社會可持續發展的戰略問題。

RS和 GPS技術與 GIS的集成應用,方便研究人員在地下水研究過程中獲取快速、準確的定位信息,實現數據庫的快速更新,并在分析決策模型支持下,快速完成多維、多元復合分析。目前 3S在地下水天然資源評價工作中的應用多是單項技術的獨立應用或是(RS+GIS)或(GPS+GIS)的應用模式,并沒有實現真正意義上 3S的一體化或 3S的綜合應用。因此,“3S”一體化及其應用將對地下水管理和開發具有深遠的意義。

1 3S技術在地下水管理與開發方面的應用

1.1 GIS技術在地下水領域的應用

GIS之所以被越來越廣泛地應用到各行各業中去,一個最主要的原因就是其自身具有強大的空間信息查詢與分析功能,以及可視化表達功能。一直以來,由于地下水系統的特殊性,在地下水管理中,往往缺乏對水文地質條件的認識以及污染物觀測的不確定性,使得刻畫污染物特征的工作成果大打折扣。但是利用GIS技術能夠對水質數據進行分析和解譯,在 GIS下,可以提供各種智能標注和制圖表達需求。GIS因其精湛的分析和制圖能力,也能夠為開發基于 GIS的地下水模型和包氣帶模型、模型的校正識別以及結果的顯示提供一個強大的平臺。

GIS是一種重要的信息組織和管理工具,因此 GIS技術在地下水研究領域有著非常廣泛的應用,主要包括：基于 GIS的區域地下水資源評價、區域地下水資源管理、地面沉降研究、地下水水質評價及污染物分析,以及 GIS與數值模擬技術的結合等(嚴峰,2005)。

地下水系統十分復雜,地下水研究的信息量也很大,除了以一般的二維圖件和文字來表達描述之外,真三維和四維的空間模擬、時空模型的建立以及綜合空間分析將成為地下水研究中的一個熱點,真三維和四維 GIS技術應用于地下水量、溶質運移、水質、地下水動態變化等方面的模擬,不僅需要真三維和四維 GIS,而且還需要真三維水文地質概念模型和數學模型與之配套,為地下水天然資源評價工作提供更良好、直觀的表達方式。

從 20世紀 80年代末開始,研究者已經將 GIS應用到地下水資源開發和模擬等領域,隨著 GIS技術的發展,GIS被研究者越來越多地應用到地下水研究的各個領域。Adams等人(1993)開發了一個基于 GIS的空間數據模型——WELLHEAD,能夠實現交互式和圖形化地查看和檢索地下數據。WELLHEAD利用了面向對象的數據模擬,屬于一個基于特征的系統。Hudak等人(1995)開發了一個基于 GIS的地下儲油罐管理系統,并應用在德克薩斯州 Denton市 136個加油站。結果發現該系統對儲油罐清單是很有效的,能主動識別有可能存在問題的設施。一旦油品滲漏或者溢出,這個管理系統就能支持減輕地下污染的應急措施的執行。W atkins等(1996)對 GIS在地下水流模擬中的應用進行了很好的總結,并討論了 GIS的用途和未來的發展方向。Almasri和 Kaluarachchi(2004)介紹了一種基于 GIS的模擬方法,來評價地面氮負荷和相應的氮淋失到地下水中的變化。模擬結果表明,牛糞是本地僅次于肥料的主要的氮源。土地利用類型的變化對氮淋失有明顯的影響。Gossel等人(2004)針對撒哈拉沙漠東部努比亞砂巖含水層,開發了一種三維的基于 GIS的地下水流模型。在穩定流和非穩定流條件下,對該模型進行了校正,然后再用來模擬含水層對過去 25000年的氣候變化的響應。

國內楊慶、奕茂田(1999)利用 GIS分別繪制了影響含水層脆弱性評價的編圖。王文科、姜桂華等(2002)開發了基于GIS的地下水脆弱性評價系統,并將其應用于關中盆地地下水脆弱性評價與編圖中,取得了良好的效果。劉明柱等(2002)通過對地下水資源系統特點的分析,應用 GIS建立了地下水資源評價系統,對系統內部不同空間對象采用不同的空間分析方法,揭示了區域地下水系統中的各個子系統的內在聯系,對整個區域地下水系統的富水性進行了評價。雷能忠等(2003)利用 Arc/In fo和 Map Info軟件的空間數據處理和制圖功能,以安徽省淮北地區為例,建立起一種實際可操作的淺層地下水資源量計算和制圖方法。在地下水資源管理信息系統的研制方面,北京市地質工程勘察院(1996)、宮輝力等(1996)、廣州市水利局(2000)、陳剛等(2000)分別研制了基于 GIS的水資源管理(和決策)信息系統。朱少霞等(2005)設計了基于 GIS的地下水空間分析系統。

GIS技術應用到地下水管理與研究領域中,不僅大幅度提高了地下水管理與研究工作的質量和效率,還可利用 GIS的強大功能來獲取更廣泛、準確的空間參數,展示地下水滲流場的時空變化過程。地下水模擬的結果亦可在 GIS中存儲、處理,以便產生更高層次的管理決策支持信息,深刻地影響和改變當前的地下水管理與研究工作。主要體現在以下三方面：首先,增強了空間區域的綜合能力。GIS已成為體現地下水資源區域性、空間性與動態性特點的技術保證之一;其次,強化了動態分析功能。GIS已具備了分析地下水系統演變過程和描述其未來變化趨勢的能力;再次,提高了可視化技術在水文地質領域中的地位和作用。生動直觀的圖形圖像不僅是研究成果的主要表現形式,而且也是重要的研究手段和研究成果實用化的有效途徑。因此,GIS技術在地下水管理與開發的成功應用,對二者的發展都將產生巨大的促進作用。

1.2 遙感技術地下水領域的應用

遙感具有實時獲得覆蓋大范圍以及難以到達區域的空間數據、光譜數據和時間數據的優勢,這使其成為地下水資源開發、評價和管理中一個非常便利的工具(Chowdhury等,2003)。對于那些地質和地圖信息缺乏或者不準確地區來說,衛星數據的水文地質解譯是的一種重要的調查工具,它提供了關于地下水分布和運移的控制因素(如地質、巖性、地形、土壤、土地利用/覆蓋、排水模式、線性構造等)的快捷有用的基礎信息。結構特征(如斷層、裂隙和其它線性或曲線特征)可以顯示地下水的可能存在。沉積地層(即沖積沉積物和冰磧物)或者某些巖石露頭等其它特征也可以指示潛在的含水層。牛軛湖和古河道的存在是沖積沉積物很好的指示物。淺層地下水也可以根據土壤水分測量、植被類型和模式的變化進行推測。在干旱區,植被特征可以指示地下水的埋深和水質情況。可以從土壤、植被和淺層地下水、上層滯水推測出某個流域地下水的補給區和排泄區。此外,遙感測量到的地表溫度的差異(是由近地表地下水造成的)可以識別沖積沉積物、淺層地下水、泉或者滲流。如果用熱紅外傳感器在長期無雨后所做的地表溫度測量,可以繪制區域淺層地下水位,推斷地下水的補給和排泄。

從衛星圖像或者航空照片中獲得的重要的地形特征,可以用于評價多種水文地質背景下的地下水條件(如分布、埋深、流動類型、數量或者水質),見表 1(Madan K.Jha,A livia Chowdhury等,2007)。

表1 從遙感數據獲得用于評價地下水條件的明顯地形物理特征(修訂自 Todd,1980;Todd和 Mays,2005)

遙感在地下水領域的應用,根據遙感應用可以分為：1)數據源,通過遙感解譯獲得地下水的有用信息 2)地下水專題制圖 3)地下水建模 4)雷達測距 5)遙感探測地下水分布 6)水文地質分析及過程動態監測。按地下水領域可以分為：1)遙感找水 2)水質評價 3)地下水資源探測與評價 4)地下水水位與水量預測等。Farnsworth等(1984),Waters等(1990),Engman和 Gurney(1991)以及 Meijerink(2000)很好地總結了遙感在地下水水文學中的應用,揭示出遙感已經被廣泛地用來補充標準化的地球物理技術。Meijerink(2000)認識到遙感在地下水補給研究中的重要性,并認為遙感能在很大程度上輔助傳統的評價和模擬技術。朱君等(2008)重點闡述了定量遙感在地下水找水、地下水水源探測與評價、地下水水量與水位預測、地下水水質研究等領域中的應用。說明該技術是定量研究地下水資源預測、評價及探測等的重要手段之一,具有廣闊的應用前景。

Salama等人(1994)利用航空照片和 Landsat(TM)數據制作了澳大利亞西部鹽河系統的地形圖、地質圖和結構圖,以對控制該地區地下水補給和排泄機制的單元進行分類。利用地貌類型的水文地質解譯和源自 TM分析的水文地貌單元的分類來確定補給區和排泄區。Srivastava(2002)綜合遙感數據和水文資料,研究印度北方邦 Ken Graben地區詳細的地下情況、含水層幾何形狀和地下水水質。作者利用 IRS LISS-I/II數據來探測研究區的地質、地貌和結構。識別出埋藏的管道和兩類不同的地基沉降,二者影響了研究區含水層的幾何形狀、地下水潛力和地下水水質。Oldenborger等人(2003)應用探地雷達(GPR)和磁導計來確定加拿大安大略湖 Fanshawe三角洲地區冰積 -沖積砂礫石沉積物的滲透系數的空間分布。比較磁導數據和雷達數據的地質統計學分析,結果表明可以根據雷達疊加速度的水平相關結構直接推測滲透系數的水平相關結構。P.Brunner等(2010)介紹了地下水模型試驗中利用遙感觀測數據的可行性,并通過博茨瓦納和中國的實例對其進行了驗證。主要可行的事是：1)利用遙感數據為模型建立一些空間分布的輸入參數集;2)在利用從遙感取得的空間分布數據校正的時候,約束模型。二者都能從概念和數字上改進模型。

國內李廷祺等(1998)從 MSS圖像判別含水層的巖性,區域地形地貌特征和地表水補給源,結合其成因類型對塔里木盆地地下水量、水質和埋藏深度等因素進行分析,按礦化度對地下水進行分類,定性地描繪了地下水量和地下水位的分布。朱第植等(2000)針對南疆民豐戈壁沙漠地區,應用遙感技術,在地貌、水系、構造、古河道等系列解譯的基礎上,根據不同植被的影像特征建立了找水模型。塔西甫拉提?特依拜等(2002)利用衛星遙感數據評價干旱區綠洲 -荒漠交錯帶地下水位的分布作為主要研究目的,使用全波段 Landsat-7ETM+圖像,用遙感 -數學 -模型學融合的研究方法,利用實地考察的地下水位、土壤水分和其他輔助資料,建立了土壤水分和地下水位的實驗方程,提出了評價地下水位分布的遙感模型—GLDRS模型,并利用該模型對新疆策勒綠洲-荒漠交錯帶進行了實地驗證。喬彥肖(2005)對太行山前河北平原,采用遙感技術進行了地下水資源調查評價。充分利用衛星遙感(ETM+)圖像數據以及綜合其他常規資料,準確的圈定出山前沖洪積扇的范圍,劃分出它們的形成期次和扇體結構,恢復了主要河流的水流系統。在此基礎上,推測出具有開采潛力的地下水富水區 6處。

1.3 GPS技術在地下水領域的應用

GPS全球定位系統是美國在 20世紀 70年代開始研制,具有在海陸空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航和定位系統。其技術特點是：①全球、全天候;②功能多,精度高,連續提供動態目標的三維位置、三維航速和時間信息。③實時定位速度快,可在 1s內完成。④抗干擾性能好,保密性強。⑤操作簡單,觀測方便。

使用 GPS采集器測量經緯度、高程等既快速又準確,它采用差分定位,精度可達到厘米級和毫米級,提高測量的精度,因此通過 GPS采集器實地測量,不僅對現有觀測井位有了比較真實的客觀記錄,對以前的誤差進行了修改,并能夠真實地反映地下水動態變化情況所影響的區域。

王海英等(2005)在將 GPS、GIS技術與 PMWIN地下水模型技術應用到冀北壩上高原綜合資源評估中提到,GPS在資源評估中的應用主要體現在：①用于項目縣地下水動態監測網絡中監測井的定位工作;②利用 GPS技術具有精度高,方便易操作特點,完成評估區現有各類農用灌溉機井了普查工作,可以大大提高普查精度,縮短普查時間。

1.4 綜合應用

以 GIS為核心的 3S(RS、GIS和 GPS)技術的集成,構成了對空間數據適時進行采集、更新、處理、分析及為各種實際應用提供科學的決策咨詢的強大技術體系。三種技術的結合根據實際需要而定,其中GIS起著關鍵性的作用。把這三門學科綜合到一起的最基本的部分是把RS和GIS綜合到一起。

地理信息系統(GIS)已經成為一種處理空間數據和地下水領域決策制定的有效工具。遙感數據是提供陸地和水信息的主要來源之一。可用各種不同的遙感軟件包(如 PCI、ENVI、ERDAS IMAGINE等)對這些數字化的遙感數據進行有效解譯和分析,這樣能比較容易地將這些信息輸入 GIS環境,實現與其它類型數據的整合,然后再做分析。毫無疑問,GIS工具以計算機的準確度和最小的人為誤差風險,實現了海量水文數據和水文地質數據的快速組織、量化和解譯。GPS以其精確的測位技術為對下井位以及水位等監測提供了精確的定位數據。將 GIS、RS與GPS三者綜合應用到地下水管理與開發方面已經有了不少的研究和應用實例：

Musa等人(2000)利用遙感和 GIS的綜合系統繪制了各種專題圖,對馬來群島 Langat盆地的地下水開采潛力進行了分類。他們利用 Landsat TM數據、地形圖、土壤分布圖和其它相關的野外數據繪制了各種專題圖層,如年降雨量、巖性、線性構造密度、排水密度、土地利用、地面高程、坡度和土壤類型,并利用改進的 DRASTIC模型將所有的圖層綜合起來。根據地下水開發潛力的適宜性或相關性,對每個專題圖層上的多邊形進行分類,再賦以適當的權重。最后,利用地下水潛力模型將所有的專題圖層綜合起來,得到一個總圖層。結果表明,在堅硬的基巖地區,利用基于 GIS的模型,對專題圖層進行綜合評價是最適合進行地下水潛力分區的方法。

Ramlingam和 Santhakumar(2002)利用遙感和 GIS技術,探索出印度 Tam il Nadu邦能夠發揮地下水調蓄作用的合適的補給區和蓄水構造。該研究利用 IRS LISS-III衛星數據和野外收集到的其它間接信息制作了各種專題圖,利用ArcInfo GIS軟件包確定出合適的人工補給區。他們將補給區劃分為“高度適宜”、“中等適宜”、“不適宜”和 “差”四類。根據地形條件和適宜性分區,給出了適宜補給的構造。他們的結論是：利用 GIS所做的分區以及建議的取水設施的類型和位置是可取的,成功率超過了 90%。

Lamble和 Fraser(2002)利用衛星圖像和輔助數據,為澳大利亞新南威爾士默里河谷灌區開發了一個基于 GIS的地下水預測模型。該模型能夠預測由地下水位上升造成的鹽漬化風險。

Erhan Sener等(2006)聯合運用遙感和 GIS方法,制作了不同的專題地圖,包括年降雨量分布圖、土地利用圖、地質圖、線性構造密度分布圖、地形高程圖、斜坡分布圖和水網密度圖等。利用基于GIS技術開發出來的模型對這些專題地圖進行綜合評價,用于預測地下水的潛力區,進而為土耳其西南部的布爾杜爾市尋找新的地下水源。

吳泉源等(2001)運用 RS、GIS技術對龍口市地下水資源進行了時空模擬分析。結合當地需水現狀分析和未來需水預測,對地下水資源開發利用進行了規劃。王海英等(2005)將全球定位系統 GPS、地理信息系統(GIS),地下水模型技術(PMWIN)聯合應用到冀北壩上高原的資源綜合評估中,利用模型來用來評估地下水在農畜業及可持續利用;通過相關評價指標體系,從水量、土地質量、地形坡度等方面完成模型區水土資源的灌溉適宜性等級劃分工作;將灌溉適宜性分析結果與預測的地下水水位結果相疊加,完成了水資源管理區劃分和政策措施。

2 問題與展望

2.1 中國 3S技術在地下水管理和開發的應用的主要問題

國外 3S技術,特別是 GIS與 RS技術,在地下水管理和開發方面的綜合應用研究范圍廣、方法也比較完善,我國在利用遙感和GIS技術進行的地下水研究雖然出現了一些新的領域,但是這些研究非常有限。此外,大部分研究實際上只是示范了遙感數據和/或 GIS軟件的應用。并且通常缺少標準方法和利用野外數據對遙感和GIS結果進行的驗證。基于GIS的地下模擬也很受限制,盡管對該領域的知識在不斷增加。

在我國,遙感和 GIS應用受限和標準方法缺乏的主要原因是,政府為保證安全性,限制了地圖和遙感數據的使用,無法得到能夠滿足真正需要的數據。另外,缺少甚至沒有地下水監測設施也導致了野外數據的不足。當發達國家已經開始用現代技術進行地下水的實時監測時,大部分發展中國家仍在沿用一些傳統手段,仍然沒有合適可靠的地下水監測計劃。除了這些主要的限制因素外,還有一些更為復雜問題,如：①高分辨率的遙感數據沒有得到私人、公共和高校的使用;②缺乏數據發布設施;③遙感數據的成本很高;④缺乏對這些正在開發的技術的認識;⑤缺乏足夠的基礎設施、培訓和支持;⑥政府規劃和開發部門中缺乏高級技術人才;⑦遙感和 GIS軟件包及附件的價格昂貴。

解決上述一些限制的切實可行的應急方法包括：①亟待開發一個數據共享平臺,確保能以合理的價格快速獲取和更好地發布遙感數據;②通過正確的培訓和支持,增加政府和私人部門使用遙感和GIS技術的意識和熟練程度;③改進和更新基礎設施,以緊跟這些技術的最新發展。至于遙感數據的局限性,鑒于一些發達國家對高分辨數據在內的遙感數據的自由分布和相對容易的獲取,發展中國家應該慎重地取消或放松對遙感數據和地圖的安全限制,除非一些涉及到危害國家安全的案例(Narayana,1999)。另外,迫切需要在全國范圍內建立足夠的地下水監測設施,推動野外調查,以確保新興的遙感和 GIS技術的有效應用,實現對寶貴的地下水資源的可持續開發和管理。

2.2 展望

遙感技術通過提供獨特的新數據補充了傳統的野外數據,未來極有可能使地下水監測和管理發生革命性的變化。迅速發展的 GIS技術將在處理海量的時空數據,有效進行數據的解譯、分析和顯示中發揮重要作用,盡管這些應用會產生一些新的問題。水文地質學家面臨的挑戰是,如何利用遙感技術將地下水流和運移過程進行可視化,有效解譯遙感數據,以及開發經濟的非侵入性野外測量技術,來開拓地下水水文學的新領域和現有領域。這些發展必定會使我們能夠以一種真正可持續的并與環境相協調的方法,開發和管理珍貴的地下水資源。

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