大連市普蘭店區淺層地下水富集性評估

劉大洲

(大連市普蘭店區河道管理處，遼寧 大連 116200)

在生態自然、生產生活以及經濟社會中地下水作為不可或缺的自然資源發揮著巨大的作用，水溫穩定、水量大及水質好等優點，已成為很多地區的主要供給水源，特別是在部分干旱區域對于緩解用水矛盾發揮著不可替代的作用[1]。為實現地下水的合理利用有必要掌握區域地下水資源的分布狀況，長期有效的觀測地下水信息[2- 3]。物探和鉆探等傳統的地下水信息調查方法通常不能連續的實時監測，且數據代表性差、監測耗時費力，無法動態的提取水源信息。針對傳統調查法存在的不足和缺點，科學有效的提出新的地下水調查法已成為當前研究亟需解決的問題。

遙感技術能夠全天候的對地觀測，具有數據更新速度快、探測范圍大及距離遠等優點，被越來越多的應用于地面調查方面。GIS是基于計算機技術實現空間信息處理、分析、儲存的有效方法，在多個領域中廣泛的應用前景。近年來，對于區域地下水采用GIS與遙感技術監測的研究發展迅速，諸多學者建立了考慮不同影響因素的評價模型并將其應用于多因素敏感性分析[4- 8]。據此，本文采用GIS和遙感相結合的方法評估了大連市普蘭店區地下水富集狀態，進一步驗證了該方法的有效性和可行性，以期為區域水環境保護和發展規劃提供一定的信息支持。

1 區域概況

普蘭店區隸屬于大連市，下轄3鄉、5鎮和11個街道，占地面積2677km2。年均溫度8.4～9.4℃，降水量在635～920.8mm之間，且夏季降水量占全年60%以上，無霜期174- 188d，為適合人類居住的城市之一。普蘭店區地勢結構呈西北高東南低的變化特征，低山丘陵主要分布東、西部區域，而北部和中部地區山巒起伏。境內河流較多，主要有清水河、甲河、復州河、碧流河以及吊橋河等，大中型水庫有劉大水庫、大梁屯水庫等。本研究以埋深較淺的孔隙水為例，該類地下水一般位于10mm以內[9- 14]。

2 淺層地下水富集性評價

2.1 數據預處理

本研究主要提取DEM地形數據和多光譜遙感數據，其中地理空間數據云為這些數據的來源，遙感數據成像時間為2015年。為了能夠在地理坐標上匹配所有的底圖，采用幾何矯正法對獲取的數據進行處理，通過遙感數據、多光譜數據的MORATAN模型大氣校正和輻射校正，消除了地物反射受光照、大氣等因素的影響，將所有專題圖的分辨率利用重采樣法全部標定位30m。

2.2 參數提取與歸一化

由于提取的不同指標對地下水富集性的影響程度存在一定差異，且各指標的量綱和尺度不盡相同，因此在綜合加權評估之前需要歸一化處理各指標值，具體的計算方法如下：

(1)坡度S。地下水的排泄、運移和儲存等過程受坡度的影響較為顯著，相對于地形較為平坦的區域的地下水在坡度較大區域的更加不易匯集。在Arc GIS系統中利用DEM數據提取淺層地下水區域的坡度。根據坡度大于25°區域地下水不易匯集的實際情況，采用下述公式歸一化處理地下水富集性受坡度的影響作用，即：

(1)

式中，S—研究區地形坡度，(°)。

(2)地下水補給R。存在穩定的補給水源為保持地下水長期穩定的重要條件，地下水富集性較好的區域通常具有地表水補給。對普蘭店區的匯流累計量采用Arc GIS系統提取，其中判別區域地表水形成的標準為實際匯流累計量大于50000，因此提取大于該判定標準的區域，將其作為地表水，通過進一步計算形成普蘭店區的河流密度圖。采用如下計算式歸一化處理河流密度，即：

(2)

式中，R—計算的河流密度，km/km2；Rmax、Rmin—代表專題圖中統計的最大、最小的R值，其他計算式相似。

(3)斷裂密度L。地下水可通過斷裂通道發生徑流，研究發現斷裂發育可會地下水的匯集創造良好的條件，發育越好則匯集條件越好。對研究區的斷裂信息采用地質圖進行提取，從而生成普蘭店區的斷裂密度。采用公式(3)歸一化處理研究區的斷裂密度，即：

(3)

式中，L—研究區的斷裂密度，km/km2；

(4)地質類型G。地質類型和土壤的導水率、孔隙率直接相關，地下水的運移、儲存受這些因素的影響顯著。具有較好透水性的砂粒和沙為組成第四系沖積層的主要構成，而白云巖、頁巖和石灰巖等為震旦系的主要構造，節理發育較好的頁巖和玄武巖等為構成侏羅系的主要類型。根據研究區域地質資料和1∶25萬的地質圖，生成普蘭店區的地質類型圖。結合專家意見和相關資料，采用歸一化法對這些指標賦予相應的數值，具體見表1。

表1 基于專家賦分法的地質類型量化表

(5)植被覆蓋度C。從土壤中汲取水分為滿足植物生長的必要條件，在富水性較好的區域許多植物的生長狀況較好，因此可將其作為指示地下水儲存狀況的因子。采用歸一化后的NDVI和經預處理的Landsat數據獲取植區域被覆蓋度，其計算式為

(4)

式中，NDVIv、DNVIs—分別為圖像中植被像元和土壤襄元的NDVI值。

根據公式(4)對植被覆蓋度進行歸一化處理，即：

(5)

式中，C—反映植被生長狀況的覆蓋度值。

(6)地表熱慣量P。在地下水富集的區域由于水的比熱容較大很可能發生溫度異常的現象，對于這種現象有學者開展了深入研究。基于遙感反演法提出的地表熱慣量計算方法為目前應用最為普遍且理論較為常熟的方法，針對Landsat數據譚志豪等提出的單窗計算法可用于獲取溫度值，采用上述計算理論和方法形成普蘭店區的熱慣量圖。采用下式歸一化處理地表熱慣量，即：

(6)

式中，P—反映水富集性的熱慣量值，(cal/cm2·s1/2·K)。

2.3 確定權重

采用以上6個不同參數進行評價分析區域富水狀態，在計算分析過程中存在諸多模糊性影響因素，且不同因素對富集性的影響程度不盡相同。為了有效的利用各指標所包含的客觀信息，同時考慮專家知識經驗和決策者的判斷，對評估模型框架結構利用AHP層次分析法進行梳理。AHP法是是由Saaty[15]提出的一種將待評價對象各影響因素，按照達到目標的程度和問題的性質分解為若干個層次，通過對比分析兩兩元素間的相對重要性構造具有一定關聯性的遞階層次結構，該方法不僅能夠降低個人主觀性對評價結果的影響，而且體現了淺層地下水富集性的模糊性特征，相對于評分打分法具有更高的科學性和合理性，可為真實反映地下水富集的實際狀態提供參考依據。

邀請水文地質領域的10名專家對地下水富集性評估體系的各指標進行打分，統計整理打分結果和專家意見確定各指標對富集性影響的貢獻能力。采用5/5- 9/1標度法兩兩對比評判，即根據評價因子的具體內涵控制兩兩對比因子總得分為10，從而建立相應的判斷矩陣見表2，然后計算最大特征根和特征向量確定地下水富集性評估各參數的權重。

表2 地下水富集性評估判斷矩陣

影響富集性評價的因素較多且各因素間的關系比較復雜，結合專家評分構造的判斷矩陣并不完全滿足合理性要求，因此對其一致性可采用指標CI來衡量，其計算方法如下：

(7)

若一致性指標CI值為0，則地下水富集性評判矩陣滿足一致性檢驗；否則，采用RI指標重新檢驗其一致性狀況。根據5/5- 9/1標度法構造的判斷矩陣其平均隨機一致性RI的判別標準見表3。

表3 平均隨機一致性RI檢驗指標值

3 結果分析

結合地下水富集性各指標權重及相應的專題圖，采用Arc GIS空間建模功能計算確定綜合評估值，其計算公式如下：

(8)

式中，ri、wi—分別為歸一化處理后的各指標專題圖及其權重值。

對大連市普蘭店區地下水富集性采用文中所述計算流程和公式進行評估，采用實地調查法對比驗證了富集性評估結果和研究區內的出水量數據，其中參與調查的鉆井和大口井共45口。結果表明，富集性評估結果與出水量呈指數相關性如圖1所示，相關系數R2=0.8061。

圖1 評估結果和實際調查之間的關系

根據實地調查出水量和富集性評估結果之間的變化關系，對遼寧省普蘭店區地下水進行富水性級別的劃分，結合相關資料和現有研究成果將富水性劃分為極差、差、中、良和優5個標準，不同標準下的評估指數和出水量范圍見表4。

表4 地下水富集性劃分標準

富集性處于優級的評估區域占研究區總面積的5.52%，主要以面狀的形式存在于碧流河及其支流形成的普蘭店區沖積平原區，以條狀態形式分布于復州河、清水河及甲河等沖洪積區，該地區的地層孔隙連通性較強、發育良好且地勢低洼，為降雨匯流補給和地下水的儲存提供了有利條件。富集性處于良級的評估區域占研究區總面積的7.05%，主要以面狀分布在的大連市以北的平原區和以條帶狀存在于碧流河支流的中上游區。這些區域的地表水補給條件相對較少，地層孔隙較為發育且地勢較低。因此，這兩個區域具有較好的富水性，在定井找水時可優先考慮這兩個區域。

4 結論

(1)對大連市普蘭店區地下水富集性采用GIS和遙感技術進行科學的評估，通過實地調查出水量驗證了該方法的可行性與有效性。結果顯示，富集性評估結果與出水量呈指數相關性相關系數R2=0.8061，由此表明在富集性評估時該方法具有可行性和適用性。

(2)結合相關資料和現有研究成果將富水性劃分為極差、差、中、良和優5個標準，富集性處于優級、良級的評估區域占研究區總面積的5.52%與7.05%，這兩個區域具有較好的富水性和儲水補給條件，在定井找水時可優先考慮這兩個區域。

(3)相對于傳統的地下水調查法基于GIS和遙感技術的富集性評估方法，不僅可為區域定井找水提供有效的信息，而且可大大節約資金和時間成本，在地下水勘察中越來越得到引起人們的重視。