地理信息系統在地下水脆弱性評價中的應用

鄧成鑫 李紹飛 岳凌霜 呂靜楠 丁佳 王金楠 張曉琦

摘要：《地理信息系統》是水文與水資源工程專業的特色專業課程，重點講述了地理空間數據的特征及處理方法。本文利用地理信息系統的強大的空間分析功能，提取天津市平原區地下水脆弱性影響因素的原始數據，基于模糊識別理論和組合賦權法構建地下水脆弱性評價模型，在天津市平原區劃分網格，進行實例計算，得到地下水脆弱性分布圖，為地下水污染的防治提供建議。

關鍵詞：地理信息系統；空間數據處理；地下水污染風險；評價

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）05-0053-02

地理信息系統（GIS），是一門介于地球科學與信息科學之間的交叉學科，目前已成為現代地學研究的強有力的技術工具。天津農學院水文與水資源工程專業在第七學期開設了專業選修課程《地理信息系統》，課堂講授16學時，上機操作16學時。重點講述了地理信息系統的基本概念、構成、功能及其發展趨勢；地理空間數據的特征及其計算機表示方法、空間數據的處理方法；空間數據庫的基本理論，空間分析的原理和方法，水文學中常用的數據分析功能等。通過本課程的學習，掌握了地理信息系統的空間數據處理與分析方法，培養了初步應用能力。在GIS平臺，將各圖片繪制成矢量文件，并同時編輯屬性表，利用空間分析功能提取各計算單元的原始數值。建立基于模糊識別理論的地下水脆弱性評價模型，開展天津市平原區地下水脆弱性評價研究，繪制地下水脆弱性分布圖，為保護地下水資源、規劃利用土地，提供決策參考。

一、GIS的空間分析功能

GIS區別于一般的信息系統、CAD以及電子地圖系統的主要標志是具有空間分析功能，配合空間數據的屬性信息，GIS可以提供空間數據的查詢、計算、統計分析等功能。空間分析主要通過空間數據和空間模型的聯合分析來挖掘空間目標的潛在信息，比如各要素的空間位置、分布、距離、方位、拓撲關系等，將空間目標的空間數據和屬性數據結合起來，可以進行空間計算與分析。

二、地下水脆弱性評價數據準備

地下水脆弱性是指地下水系統容易遭受污染的程度。最早由法國學者xx提出脆弱性的概念，1987年，美國環保署（USEPA）提出了包含地下水埋深、含水層介質、滲透系數、土壤類型、凈補給量、包氣帶巖性、坡度等7項影響因子的加權指數疊加法——DRASTIC評價方法。DRASTIC評價方法概念明確，能夠較好地與GIS結合起來，適合于區域尺度的地下水脆弱性評價，在許多國家和地區得到廣泛應用。本文以天津市平原區為研究區域，開展地下水脆弱性評價研究，利用GIS的空間分析功能提取各指標的原始數據。《天津市水文地質圖集》和《中國土壤》兩本圖集中，包含了地下水埋深、含水層介質、滲透系數、凈補給量、包氣帶巖性、土壤類型的分布圖，拍照存為圖片格式文件（比如.jpg文件），在GIS平臺，導入上述圖片格式文件，將其作為底圖逐一描繪，并根據圖集中標注的數據（或者巖性類型）編輯各要素對應的屬性表，由此可繪制各影響因子的矢量文件（.shp文件），該矢量文件既能夠呈現出各要素的空間分布，又通過屬性表給出了空間位置上各項影響因子的屬性數據。由GIS繪制得到的天津市平原區的地下水埋深、含水層介質、滲透系數、土壤類型、凈補給量、包氣帶巖性等六項影響因子的分布圖（矢量文件）。其中，由于包氣帶類型、含水層巖性和土壤類型屬于定性指標，在地下水脆弱性評價的計算中需要加以量化，本文根據不同的巖性類型對其進行了量化，從具體量化標準可看出：（1）薊縣山前和武清西北部包氣帶類型的量化分值較高，由粗砂組成。中東部平原的北部多為粉砂，南部多為粉砂亞黏土互層，顆粒較細，量化分值相對較低。（2）地下水埋深由北部山前平原向東、南部的濱海平原逐漸減小，薊縣北部山前地帶埋深在15米以上，寶坻斷裂以南廣大平原區埋深在3米以內。（3）含水層巖性的量化分值由北部向東南逐漸減小，表明巖性顆粒逐漸變細。（4）從北部山前平原到南部平原，凈補給量呈現出由大到小再增大的趨勢。（5）含水層滲透系數的變化趨勢和含水層巖性相似，由北部向東南逐漸減小，北部大于10.7m/d，而南部地區則低于4.3m/d。

在GIS平臺，將研究區劃分成1000m×1000m的網格，共11031個。以每個網格為計算單元，提取每個網格的除坡度以外的6項影響因子的原始數據，具體方法是，在重新繪制一個矩形區域（涵蓋研究區），對其利用fish net工具劃分網格，然后用研究區的邊界的面狀矢量文件利用clip工具對其裁剪，由此得到研究區的網格狀的矢量圖。利用該矢量圖的屬性表的“連接和關聯”中的“在同一空間位置的屬性相連”的空間處理功能，分別連接6項影響因子的面文件，可以得到屬相表中包含上述六項評價因子數據的以網格為單元的面矢量文件。

三、天津市平原區地下水脆弱性評價

DRASTIC方法在廣泛應用的同時，也顯示出方法自身存在的缺陷，包括：（1）對各參數賦予固定不變的經驗性權重值；（2）未考慮指標值在同一個評分等級范圍內變化的連續性和模糊性。本文選取除坡度以外的6項指標作為含水層易污性評價指標，為克服DRASTIC方法的缺陷，在原始數據基礎上，基于模糊識別理論，采用文獻[1]提出的地下水防污性能模糊評價方法，計算模糊隸屬度矩陣；采用文獻[2]中提出的客觀權重計算方法——熵權法和文獻[3]中提出的主觀權重計算方法——層次分析法的算術平均計算綜合權重值。

1.指標權重計算。分別利用熵權法和層次分析法（AHP法），算得各指標的熵權和AHP權重，具體計算步驟見文獻[1]、[2]，求二者算術平均值的權重向量。

四、結論

地理信息系統（GIS）目前已成為現代地學研究的強有力的技術工具，具有強大的空間數據處理功能。區域地下水脆弱性評價，屬于空間數據提取和處理的問題，本文利用地理信息系統的空間分析功能，提取天津市平原區地下水脆弱性評價的6項指標，采用基于模糊識別理論的地下水脆弱性評價模型進行實例應用，并通過GIS繪制地下水脆弱性等級分布圖，為保護地下水環境、防治地下水污染提供建議。

參考文獻：

[1]李紹飛，李冠佑，閆東，等.基于地下水污染風險模糊評價模型及其應用[J].水電能源科學，2017，35（7）：76-80.

[2]白慶芹，汪妮，解建倉，等.基于模糊綜合評價法的城市河流脆弱性研究[J].水土保持通報，2012，32（01）：244-247.

[3]張小凌，等.基于層次分析法的DRASTIC模糊評價方法探討——以云南曲靖盆地為例[J].工程勘察，2014，（7）：41-46.