基于遙感技術的降水入滲補給條件空間分異性研究

曹穎， 郭兆成， 王強強， 焦潤成

(1.北京市地質研究所，北京　100120； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京　100083)

?

基于遙感技術的降水入滲補給條件空間分異性研究

曹穎1， 郭兆成2， 王強強1， 焦潤成1

(1.北京市地質研究所，北京100120； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京100083)

摘要：降水入滲補給條件在地下水資源研究工作中具有重要的理論和實際意義。利用遙感技術，通過構建基于專家經驗知識的評價系統和模型，以30m×30m柵格單元、一級巖溶水系統的基巖山區及其碳酸鹽巖區3個尺度評價分析北京市各區降水入滲補給條件空間分異性。研究結果表明： 在研究區范圍內碳酸鹽巖區的降水入滲補給條件最優； 基巖山區的降水入滲補給條件從優到劣的區域依次為房山、門頭溝、延慶、平谷和懷柔； 碳酸鹽巖區的降水入滲補給條件從優到劣的區域依次是懷柔、門頭溝、房山、延慶和平谷； 地層巖性與地質構造因子是影響降水入滲補給條件的關鍵因素。

關鍵詞：遙感； 降水入滲； 補給條件； 分異性

0引言

降水入滲補給地下水的過程是“三水”(降水、地表水和地下水)轉換關系中最基本、最重要的環節之一。降水入滲是地下水(特別是淺層地下水)的主要補給來源，也是區域水均衡計算中的一個重要因素。降水入滲補給問題的研究在整個水資源研究工作中處于基礎地位，它不僅具有理論意義，而且更具有實用價值。

降水入滲研究工作大多是對入滲補給系數展開研究與討論。其研究方法有室內試驗、試驗場模擬[1]以及動態觀測[2]數據分析等。這些方法的共同特點是概念比較明確、參數可控性較強、基礎變化規律明顯，但無法推廣應用到入滲補給條件空間差異性較大的區域尺度。

遙感技術在地下水資源勘查與評價中的應用研究已有50a的歷史[3]，主要集中于尋找地下水[4-6]和水資源開發評價[7]等方面。本研究在遙感和地理信息系統技術的支持下，利用SPOT5和航片等遙感數據、基礎水文地質資料等，通過遙感信息提取，以水文地質和系統理論為指導，從30m×30m柵格單元、一級巖溶水系統的基巖山區及其碳酸鹽巖區3個尺度，開展降水入滲補給條件空間分異性的評價研究。

1研究區概況與數據源

1.1研究區概況

研究區位于華北平原的西北邊緣，介于E115°24′57″～117°23′4″，N39°30′3″～40°46′40″之間，包含北京市行政范圍的12個區，總面積約10 200km2，研究區位置如圖1所示。

圖1　研究區位置

該區主要地貌類型為山地； 屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量在600mm左右，降水主要集中在6—9月份； 區內主要河流有屬海河水系的拒馬河、大石河、永定河、大清河、北沙河、潮河、白河和泃河等。研究區所在的巖溶系統有5個，分別為延慶、門頭溝、房山、懷柔以及平谷巖溶水系統，重點對5個巖溶水系統的基巖山區和碳酸鹽巖區的降水入滲補給條件進行研究。

1.2數據源

數據源包括多源遙感數據、基礎地理數據、基礎地質及水文地質等相關數據。遙感數據為2012年10月的SPOT5數據及2009年航空遙感圖像； 基礎地理數據包括行政邊界數據和DEM數據； 基礎地質數據主要為1∶5萬比例尺區域地質圖件； 水文地質相關數據包含近年來北京市山區水文地質勘查成果及研究資料等。

2研究方法

2.1遙感信息提取

首先結合高程數據和基礎地理底圖，運用影像糾正、配準、融合和鑲嵌等方法對原始影像進行預處理，突出水文地質信息，并對數據質量進行檢查與評價； 然后分析已收集資料，利用現有1∶5萬比例尺地質圖、地貌類型圖、土地利用與植被類型圖、水文地質相關文字資料及野外工作經驗，將已有圖件與影像進行對比，建立初步解譯標志，對影像進行解譯，編制解譯草圖； 再根據初步解譯結果，采用GPS野外定點、照片采集等野外地質工作，建立系統的地層巖性、地質構造、地形地貌、地表溝系和土地利用等解譯標志； 最后采用人機交互的方式對影像進行詳細解譯，提取遙感信息，編制相應圖件。

2.2構建評價指標體系

對研究區影響降水入滲條件的下墊面要素仔細分析，結合水文地質專家經驗，從地質、地形地貌以及地表覆蓋3個因子著手，構建了評價指標體系。

2.2.1評價因子的選擇

地質因子(U1)通過地層巖性和地質構造要素來表達。在區域構造的影響下，巖石的破碎程度、節理裂隙發育密度存在一定的差異性，對降水入滲的影響程度不同。依據研究區巖石的巖性、結構構造、物理性質及其溶蝕入滲能力的不同，將地層巖性分為以白云巖為主的碳酸鹽巖、以灰巖為主的碳酸鹽巖、變質巖、陸源碎屑巖和火成巖5大類。

地形地貌因子(U2)通過地形坡度和水系密度2個要素來表達。研究表明，隨著坡度增加，承雨強度降低，提早進入產流，地表徑流量增加，入滲速率減小，不利于降水入滲[8]； 水系密度越大，地表徑流越發育，而地表巖石裂隙發育程度越低，越易形成地表徑流，入滲補給地下水程度越低。

地表覆蓋因子(U3)通過土地利用類型來表達。不同的土地利用類型對降水的截留和蒸發作用不同，對水資源的需求也不同。本文將研究區土地利用類型分為耕地、園地、喬木林地、灌木林地、草地、建設用地、采礦用地和水域及水利設施用地等8類。

2.2.2因子權重的確定

以國內具有巖溶工作經驗的水文地質專家和水文地質綜合管理專家為經驗知識庫，從地質、地形地貌和地表覆蓋3個方面進行咨詢，發放28份專家打分表，其中收回有效打分表共17份，通過統計整理后確定各級因子的權重，如表1所示。

表1　降水入滲影響因子專家知識權重表

2.3差異性評價

不同因子表達數據的量綱不統一，而且參與評價的標準也不同，如地質構造和水系密度不能直接采用實際計算數值的方式參與到總體評價中，因此必須對所有數據進行標準化處理。標準化處理包括數據同趨化處理和無量綱化處理2個步驟。

根據已構建的評價指標體系，將標準化后的數據利用加權綜合評價方法，以研究區30m×30m柵格單元、一級巖溶水系統基巖山區和巖溶水系統碳酸鹽巖區3個尺度分別評價降水入滲補給條件的空間差異性。

3結果與分析

通過上述方法，完成了3個尺度下降水入滲補給條件的空間差異性評價，并根據結果進一步對影響差異性結果的主控因素進行了分析。

3.1柵格尺度的降水入滲條件差異性分析

30m×30m柵格尺度降水入滲條件的空間差異性結果如圖2所示。

圖2　柵格尺度的降水入滲條件空間差異分布

研究區范圍內，碳酸鹽巖分布區的降水入滲條件一般都處于較好的狀況，其中灰巖地區的評價結果最好。在地勢較為平坦、斷層密度較大以及水系密度較低的區域，降水入滲的評價結果也處于較好的狀態，如平谷巖溶水系統的東北部、門頭溝巖溶水系統的西南部等區域。這說明影響降水入滲的因素是綜合的，不能使用單一的因子進行評價，需要從多方面綜合考慮。

3.2基巖山區的降水入滲條件差異性分析

一級巖溶水系統基巖山區尺度降水入滲條件的空間差異性結果如圖3所示。

圖3　巖溶水系統基巖山區的降水入滲條件空間差異分布

以房山山區為主的巖溶水系統單元的降水入滲條件評價結果為2.11，最有利于降水的入滲； 而以北京西山為主體的門頭溝巖溶水系統降水入滲條件評分為2.09，位列第二，表示其入滲條件較好； 延慶和平谷2個巖溶水系統的降水入滲條件評分同為1.82； 位于北部地區的懷柔巖溶水系統的降水入滲條件評分(1.76)最低。結果表明了巖溶水系統中不同下墊面特征對降水入滲影響的差異。對于系統或者區域巖溶水資源的估算，還需要綜合考慮巖溶水系統的補給區面積、巖溶水系統多年的平均降雨量等數據。

3.3碳酸鹽巖區的降水入滲條件差異性分析

一級巖溶水系統碳酸鹽巖區尺度降水入滲條件的空間差異性結果如圖4所示。

圖4　巖溶水系統碳酸鹽巖區降水入滲條件空間差異分布

各個碳酸鹽巖區的評價結果均高于各區基巖山區(灰巖、白云巖、變質巖、陸源碎屑巖和火成巖)的平均得分，反映出碳酸鹽巖區較好的入滲條件，這也符合各類巖石的入滲系數分布規律。然而，碳酸鹽巖區降水入滲條件與基巖山區的評價結果也存在較大的差異，其中最明顯的部分是懷柔巖溶水系統，其碳酸鹽巖區評分最高為2.86，但該巖溶水系統基巖山區的評價結果(1.76)最低。以門頭溝山區為主體的巖溶水系統碳酸鹽巖區降水入滲條件評分為2.84，位列第二； 以房山山區為主的巖溶水系統評價結果為2.75，處于第三位； 延慶巖溶水系統的評分為2.52，處于第四位； 位于東部地區的平谷巖溶水系統的碳酸鹽巖區降水入滲條件評分(2.04)最低。

因此，需要從各個系統評價因子的特征參數分析入手，了解各個巖溶水系統中降水入滲條件的主要影響因素，掌握其對降水入滲的貢獻，以更好地分析巖溶水系統的水資源潛力，為進一步合理開發巖溶水奠定基礎。綜合各系統地層巖性、地形地貌及地表覆蓋的特征，巖溶水系統碳酸鹽巖區降水入滲影響因子評價結果見表2。

表2　巖溶水系統碳酸鹽巖區降水入滲影響因子評價結果

從表2中可以看出： 斷層密度是懷柔巖溶水系統碳酸鹽巖區控制降水入滲的主要因子； 地層巖性是房山巖溶水系統區別于其他系統的主要降水入滲影響因子； 5個巖溶水系統碳酸鹽巖區的地表覆蓋均以喬木林地和灌木林地為主，且面積比例相差不大，因此該碳酸鹽巖區地表覆蓋、植被類型對降水入滲條件差異的貢獻不顯著； 該碳酸鹽巖區坡度、水系密度差別不大，也不是影響該碳酸鹽區降水入滲條件差異的主導因素。

4結論

充分利用遙感數據、野外調查資料以及已有的水文地質相關資料，對影響北京地區降水入滲的各因子進行信息提取； 采用層次分析法和加權評價法，構建基于專家經驗知識的評價系統和模型，以研究區30m×30m柵格單元、一級巖溶水系統的基巖山區及其碳酸鹽巖區3個尺度分別進行分析研究，評價各尺度下大氣降水入滲補給條件的空間差異性，結論如下：

1)針對5個一級巖溶水系統基巖山區的評價結果表明，房山巖溶水系統基巖山區的降水入滲條件最好，其次是門頭溝巖溶水系統，再次是延慶、平谷巖溶水系統，懷柔巖溶水系統基巖山區的降水入滲條件最差。

2)針對5個一級巖溶水系統碳酸鹽巖區的評價結果表明，懷柔巖溶水系統碳酸鹽巖區的降水入滲條件最好，其次是門頭溝、房山巖溶水系統，再次是延慶巖溶水系統，平谷巖溶水系統碳酸鹽巖區的降水入滲條件最差。

3)研究區內地層巖性(尤其是灰巖地區)與地質構造因子是控制碳酸鹽巖區降水入滲的主導因子；

4)研究區內碳酸鹽巖區地表覆蓋、坡度和水系密度因子差別不大，不是影響該碳酸鹽巖區降水入滲條件差異的控制性因素。

參考文獻(References)：

[1]李金柱.降水入滲補給系數綜合分析[J].水文地質工程地質,2009,19(2):29-32.

LiJZ.Ananalysisofthecoefficientofreplenishmentfrominfiltrationofprecipitation[J].HydrogeologyandEngineeringGeology,2009,19(2):29-32.

[2]王永義,王專翠,胡以高.降雨入滲補給規律分析[J].地下水,1998,20(2):74-75.

WangYY,WangZC,HuYG.Analysisofrainfallinfiltrationrecharge[J].GroundWater,1998,20(2):74-75.

[3]華曉凌,晉華.遙感技術在地下水研究中的應用[J].山西水利科技,2004(4):29-30.

HuaXL,JinH.Applicationofremotesensingtechnologyforresearchofgroundwater[J].ShanxiHydrotechnics,2004(4):29-30.

[4]王飛躍,孫順新.環境遙感信息分析法在干旱區找水中的應用——以內蒙錫林浩特地區為例[J].國土資源遙感,1999,11(1):36-42.doi:10.6046/gtzyyg.1999.01.08.

WangFY,SunSX.Theapplicationofenvironmentalremotesensinginformationanalysisinseekingforwaterresourceinaridareas:TakingXilinhaotearea,InnerMongoliaAutonomousRegionasexamples[J].RemoteSensingforLandandResources,1999,11(1):36-42.doi:10.6046/gtzyyg.1999.01.08.

[5]王飛躍,王俊鋒,吳軍虎,等.西部干旱區衛星雷達遙感找水試驗研究[J].國土資源遙感,2000,12(4):14-18,27,63.doi:10.6046/gtzyyg.2000.04.03.

WangFY,WangJF,WuJH,etal.Atestresearchtoprobewaterresourceoveraridareaswithradarsatremotesensingtechnology[J].RemoteSensingforLandandResources,2000,12(4):14-18,27,63.doi:10.6046/gtzyyg.2000.04.03.

[6]羅浩,王紅,施長惠.黃河三角洲地區地下水埋深遙感反演[J].國土資源遙感,2013,25(3):145-152.doi:10.6046/gtzyyg.2013.03.24.

LuoH,WangH,ShiCH.RetrievinggroundwaterinYellowRiverDeltaareausingremotesensing[J].RemoteSensingforLandandResources,2013,25(3):145-152.doi:10.6046/gtzyyg.2013.03.24.

[7]王召海.遙感技術在魯南地區水資源綜合開發利用中的應用[J].國土資源遙感,2000,12(1):19-23.doi:10.6046/gtzyyg.2000.01.04.

WangZH.TheapplicationofremotesensingtechnologyfordeveloppingandutilizingwaterresourceinLunanarea[J].RemoteSensingforLandandResources,2000,12(1):19-23.doi:10.6046/gtzyyg.2000.01.04.

[8]蔣定生,黃國俊.地面坡度對降水入滲影響的模擬試驗[J].水土保持通報,1984(4):10-13.

JiangDS,HuangGJ.Simulationtestoftheprecipitationinfiltrationeffectbytheslop[J].BulletinofSoilandWaterConservation,1984(4):10-13.

(責任編輯： 陳理)

Research on spatial differentiation of precipitation infiltration rechargeconditionbasedonremotesensingtechnology

CAO Ying1， GUO Zhaocheng2， WANG Qiangqiang1， JIAO Runcheng1

(1. Beijing Institute of Geography, Beiijng 100120, China; 2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China)

Abstract:Theprecipitationinfiltrationrechargeconditionhastheoreticalandpracticalsignificanceinthestudyofgroundwaterresources.Inthisstudy,withtheapplicationofremotesensingtechnologyandthroughconstructingevaluationsystemandmodelbasedonexpertexperienceandknowledge,thespatialdifferentiationofBeijingprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareevaluatedatthreescales,includinggridscale(30m×30m),Karstwatersystembedrockregionanditscarbonaterockregion.Theresultssuggestthatcarbonaterockareasareconducivetotheprecipitationinfiltrationrechargeinthewholestudyarea.TheprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareinworseningorderofFangshan,Mentougou,Yanqing,PingguandHuairouinthefiveKarstwatersystemsbedrockareas.TheprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareinworseningorderofHuairou,Mentougou,Fangshan,YanqingandPingguinthefivecarbonaterockareas,andthelithologyandstructureseemtobethekeyfactorsaffectingtheconditionsofrainfallinfiltrationrecharge.

Keywords:remotesensing；precipitationinfiltration；rechargeconditions；differentiation

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.15

收稿日期：2015-04-23；

修訂日期：2015-06-26

基金項目：北京市發改委項目“北京巖溶水資源勘查評價工程”(編號：BJYRS)資助。

中圖法分類號：TP79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0091-05

第一作者簡介：曹穎(1983-)，女，博士研究生，高級工程師，主要從事地質調查及遙感在地質中的應用研究。Email：cy_998@163.com。

引用格式： 曹穎，郭兆成，王強強，等．基于遙感技術的降水入滲補給條件空間分異性研究[J]．國土資源遙感，2016，28(3)：91-95(CaoY,GuoZC,WangQQ,etal.Researchonspatialdifferentiationofprecipitationinfiltrationrechargeconditionbasedonremotesensingtechnology[J]．RemoteSensingforLandandResources，2016，28(3)：91-95)