基于GIS的石羊河流域地下水位變化情況分析

王萬禎

摘 要 水資源管理研究與各水文要素的空間運動密切相關，GIS由于其強大的空間分析功能近年來被廣泛運用于水文信息的空間分析研究中?；贕IS平臺，利用自動化測報系統收集的實時數據，可實現對監測區域內水文空間信息的實時分析，有效解決人工分析不及時、繁瑣費力、展現不直觀等問題。基于ArcGIS軟件平臺，利用石羊河流域水資源調度管理信息系統采集的實時數據，通過反距離加權插值法對石羊河流域地下水埋深進行插值分析，繪制石羊河流域地下水埋深等值線圖，實現了石羊河流域地下水位變化情況的直觀展現。

關鍵詞 石羊河；地下水；GIS；埋深等值線

中圖分類號：P641.7 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.12.089

大幅壓減地下水開采量，遏制地下水持續下降是石羊河流域治理的重要措施和目標。隨著石羊河治理工作的全面落實完成，石羊河流域生態環境惡化的趨勢得到有效遏制，加強流域地下水控采監督及地下水位變化分析，對鞏固流域治理成效，保障約束性目標持續實現具有非常重要意義。流域地下水分析涉及空間信息分析，而對空間信息的管理與分析正是GIS的優勢[1]。國內學者利用GIS對降雨[2-3]、氣象要素[4]、地下水埋深等進行了廣泛的研究，如遲寶明等[5]利用等值點的插值、追蹤等處理等手段，開發了基于MapObject的地下水水位等值線圖自動生成程序。高志鴻等[6]利用GIS進行等值線繪制流程建模，并利用該模型繪制完成了公主嶺市地下水埋深等值線等，用于水資源信息的監測分析。因此，基于GIS平臺和地下水位實時采集數據，利用反距離加權插值法繪制石羊河流域地下水位等值線，實現石羊河流域地下水實時情況的直觀展現和不同時段的變化對比分析，對提高流域水資源管理具有重要意義。

1 石羊河流域概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，東經101°41′～104°16′、北緯36°29′～39°27′，總面積約為4.16萬km2。全流域可分為南部祁連山地、中部走廊平原區、北部低山丘陵區及荒漠區四大地貌單元。南部祁連山地，海拔2 000～5 000 m；中部走廊平原區，包括大靖、武威、永昌三個盆地，海拔1 400～2 000 m；北盆地包括民勤盆地、金川-昌寧盆地，海拔1 300～1 400 m。石羊河流域自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河和西大河8條河流及多條小溝小河組成，河流補給來源為山區大氣降水和高山冰雪融水，產流面積1.11萬km2，多年平均徑流量15.60億m3。石羊河流域分可為大靖河水系、六河水系及西大河水系3個獨立的子水系。流域地表水主要來自降水和冰川融水，地下水資源來自降水、凝結水補給量和側向流入量。

2 石羊河流域地下水位等值線分析與繪制

2.1 等值線生成原理

地下水埋深等值線圖是水利決策服務中常用的水利要素顯示方式，能直觀地反映地下水埋深的空間分布情況，便于分析和判斷。利用ArcGIS Server發布Geoprocessing Services，通過調用服務用戶可以根據提供的要素集自動處理并生成要素集的等值線，并自動顯示。由點要素集生成等值線基本步驟：對點要素集進行插值（本文選用反距離加權插值法進行空間插值）；由插值后的柵格數據集生成等值線，等值線的分布可顯示出數值在整個表面的變化情況。數值的變化量越小，線的間距就越大。數值上升或下降得越快，線的間距就越小。

2.2 反距離加權插值法

反距離加權插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）是基于相似相近的原理，使用預測區域內已知的樣點值來預測區域內樣點以外的位置的值。距離預測點最近的樣點要比距離預測點稍遠的樣點值的影響大。因此，反距離加權法假設各已知樣點對預測點值的預測都有局部性的影響，其影響隨著距離的增加而減小[7]。

反距離加權法的通用公式如下：

其中，為s0處的預測值；N為預測計算過程中要使用的預測點周圍樣點的數量；λi為預測計算過程中使用的各樣點的權重，該值隨著樣點與預測點之間距離的增加而減小；Z（si）是在si處獲得的樣本點的值。

確定權重的計算公式為：

其中，P為指數值；dio是預測點s0與各已知樣點si之間的距離。樣點在預測點值的計算過程中所占權重的大小受參數p的影響；也就是說，隨著采樣點與預測值之間距離的增加，標準樣點對預測點影響的權重按指數規律減少。

2.3 石羊河流域地下水埋深等值線繪制

基于ArcGIS軟件平臺，以70眼地下水位監測井數據為觀測樣點，生成shapefile圖層后，在ArcToolbox模塊下3D Analyst Tools中采用反距離加權插值法進行柵格空間插值。利用空間分析工具（Spatial Analyst Tools）中的提取分析模塊，選定提取范圍邊界，輸出給定范圍的插值柵格；打開柵格表面（Raster Surface）下的等值線模塊，在輸入柵格中輸入掩膜提取后的柵格，設置等值線間距10 m及等值線起始值10 m，即輸出折線要素形式的等值10 m；利用制圖工具（Cartography Tools）中的制圖綜合選項，選擇平滑線工具，輸入平滑容差1 m，對整個等值線圖層進行平滑處理，即可輸出較為平滑的等值線。根據不同顏色標注不同埋深的區域，可直觀的顯示整個流域的地下水埋深情況，取某一時間段數據，可生成以70眼代表性監測井為樣點的流域地下水相對地面的埋深情況圖，如圖1～4所示。

圖1～4較為直觀地展現了石羊河流域2015年、2016年12月及2017年第二季度、第四季度地下水位相對地面的埋深情況（南部祁連山地區域無監測井，形成的等值線不作為以下參考分析依據）。由各圖可知，總體石羊河流域地下水埋深：民勤盆地地下水位埋深在30 m范圍內，其中湖區范圍10 m以內（局部在3 m以內）；武威、永昌、金川-昌寧盆地大部分區域地下水埋深在50 m范圍內，局部區域在50～100 m范圍內。武威盆地的古浪縣土門鎮湖邊村、永昌盆地的永昌縣六壩鄉下排村和紅山窯鄉紅山窯村、金川-昌寧盆地的金川寧堡下四分村以4處監測站點為中心輻射周邊地下水埋深達到100 m以上。

根據圖1～4不同年度同期、同年度不同時段GIS等值線圖無明顯變化和各盆地2015—2017年度代表性監測樣點埋深數值大部分小范圍波動，個別規律性變小，可推斷近3年石羊河流域水位整體趨于穩定，局部有所回升。根據流域相對灌溉高峰期地下水埋深圖（圖3）和非灌溉高峰期埋深圖（圖4）對比分析可知，流域地下水在第一、四季度非灌溉高峰期地下水位有所回升，而在第二、三季度灌溉高峰期地下水位有所下降。通過流域地下水時空分析表明，石羊河流域地下水下降趨勢得到有效遏制，整體趨于穩定，局部有所回升，而灌溉、生產工農業用水依然是影響流域地下水變化的主要因素之一。

3 結論與展望

基于ArcGIS軟件平臺，利用反距離加權插值法和70眼監測井監測數據，實現了對石羊河流域整體地下水埋深情況的直觀展現，有效的解決了人工分析不及時、繁瑣費力的問題。此外，選擇2015—2017年地下水等值線圖分析表明，年度同期對比同值線附近顏色大部分無明顯變化，局部顏色變淺，說明石羊河流域地下水下降趨勢得到有效遏制，趨于穩定；枯水期流域上游和灌溉生產高峰期流域下游顏色略有加深，說明水位略有下降。

參考文獻：

[1] 陳鎖忠，常本春，黃家柱，等.水資源管理信息系統[M].北京：科學出版社，2006.

[2] 劉武，懷志軍.ArcGIS在繪制降雨徑流等值線過程中的應用[J].水利科技與經濟，2015，21（7）：118-120.

[3] 高歌，龔樂冰，趙珊珊，等.日降水量空間插值方法研究[J].應用氣象學報，2007，18（5）：732-736.

[4] 馬軒龍，李春娥，陳全功.基于GIS的氣象要素空間插值方法研究[J].草業科學，2008，25（11）：13-19.

[5] 遲寶明，李治軍，葉勇，等.基于GIS的地下水水位等值線圖自動生成算法研究[J].吉林大學學報（地球科學版），2007，37（2）：261-265.

[6] 高志鴻，劉航.ArcGIS在地下水埋深等值線繪制過程中的應用[J].吉林水利，2017（1）：22-25.

[7] 汪旸.地理信息系統（GIS）在研究江蘇省地方性氟中毒流行中的應用[D].南京：東南大學，2004.

（責任編輯：趙中正）