3S技术在地下水管理与开发中的应用

2011-03-15曹佳云付晓婷

地下水 2011年3期

曹佳云,付晓婷,贺丹

(西北大学城市与环境学院,陕西西安 710127)

地下水在我国水资源利用中占有重要的地位,特别在北方地区具有战略性重要作用。地下水约占全国水资源总量的 1/3,在我国北方地区,地下水在许多地区和城市已成为唯一水源。随着国家经济建设发展和人口继续增加,城市开发利用地下水日益广泛,迄今地下水已经成为我国城市和工农业用水的主要水源,全国三分之二的城市以地下水作为主要的供水水源,约四分之一的农用田灌溉靠地下水。地下水开采总量超过1 000亿 m3,约占全国用水量的 15%～20%。由此可见,地下水的管理开发是关系到我国经济和社会可持续发展的战略问题。

RS和 GPS技术与 GIS的集成应用,方便研究人员在地下水研究过程中获取快速、准确的定位信息,实现数据库的快速更新,并在分析决策模型支持下,快速完成多维、多元复合分析。目前 3S在地下水天然资源评价工作中的应用多是单项技术的独立应用或是(RS+GIS)或(GPS+GIS)的应用模式,并没有实现真正意义上 3S的一体化或 3S的综合应用。因此,“3S”一体化及其应用将对地下水管理和开发具有深远的意义。

1 3S技术在地下水管理与开发方面的应用

1.1 GIS技术在地下水领域的应用

GIS之所以被越来越广泛地应用到各行各业中去,一个最主要的原因就是其自身具有强大的空间信息查询与分析功能,以及可视化表达功能。一直以来,由于地下水系统的特殊性,在地下水管理中,往往缺乏对水文地质条件的认识以及污染物观测的不确定性,使得刻画污染物特征的工作成果大打折扣。但是利用GIS技术能够对水质数据进行分析和解译,在 GIS下,可以提供各种智能标注和制图表达需求。GIS因其精湛的分析和制图能力,也能够为开发基于 GIS的地下水模型和包气带模型、模型的校正识别以及结果的显示提供一个强大的平台。

GIS是一种重要的信息组织和管理工具,因此 GIS技术在地下水研究领域有着非常广泛的应用,主要包括：基于 GIS的区域地下水资源评价、区域地下水资源管理、地面沉降研究、地下水水质评价及污染物分析,以及 GIS与数值模拟技术的结合等(严峰,2005)。

地下水系统十分复杂,地下水研究的信息量也很大,除了以一般的二维图件和文字来表达描述之外,真三维和四维的空间模拟、时空模型的建立以及综合空间分析将成为地下水研究中的一个热点,真三维和四维 GIS技术应用于地下水量、溶质运移、水质、地下水动态变化等方面的模拟,不仅需要真三维和四维 GIS,而且还需要真三维水文地质概念模型和数学模型与之配套,为地下水天然资源评价工作提供更良好、直观的表达方式。

从 20世纪 80年代末开始,研究者已经将 GIS应用到地下水资源开发和模拟等领域,随着 GIS技术的发展,GIS被研究者越来越多地应用到地下水研究的各个领域。Adams等人(1993)开发了一个基于 GIS的空间数据模型——WELLHEAD,能够实现交互式和图形化地查看和检索地下数据。WELLHEAD利用了面向对象的数据模拟,属于一个基于特征的系统。Hudak等人(1995)开发了一个基于 GIS的地下储油罐管理系统,并应用在德克萨斯州 Denton市 136个加油站。结果发现该系统对储油罐清单是很有效的,能主动识别有可能存在问题的设施。一旦油品渗漏或者溢出,这个管理系统就能支持减轻地下污染的应急措施的执行。W atkins等(1996)对 GIS在地下水流模拟中的应用进行了很好的总结,并讨论了 GIS的用途和未来的发展方向。Almasri和 Kaluarachchi(2004)介绍了一种基于 GIS的模拟方法,来评价地面氮负荷和相应的氮淋失到地下水中的变化。模拟结果表明,牛粪是本地仅次于肥料的主要的氮源。土地利用类型的变化对氮淋失有明显的影响。Gossel等人(2004)针对撒哈拉沙漠东部努比亚砂岩含水层,开发了一种三维的基于 GIS的地下水流模型。在稳定流和非稳定流条件下,对该模型进行了校正,然后再用来模拟含水层对过去 25000年的气候变化的响应。

国内杨庆、奕茂田(1999)利用 GIS分别绘制了影响含水层脆弱性评价的编图。王文科、姜桂华等(2002)开发了基于GIS的地下水脆弱性评价系统,并将其应用于关中盆地地下水脆弱性评价与编图中,取得了良好的效果。刘明柱等(2002)通过对地下水资源系统特点的分析,应用 GIS建立了地下水资源评价系统,对系统内部不同空间对象采用不同的空间分析方法,揭示了区域地下水系统中的各个子系统的内在联系,对整个区域地下水系统的富水性进行了评价。雷能忠等(2003)利用 Arc/In fo和 Map Info软件的空间数据处理和制图功能,以安徽省淮北地区为例,建立起一种实际可操作的浅层地下水资源量计算和制图方法。在地下水资源管理信息系统的研制方面,北京市地质工程勘察院(1996)、宫辉力等(1996)、广州市水利局(2000)、陈刚等(2000)分别研制了基于 GIS的水资源管理(和决策)信息系统。朱少霞等(2005)设计了基于 GIS的地下水空间分析系统。

GIS技术应用到地下水管理与研究领域中,不仅大幅度提高了地下水管理与研究工作的质量和效率,还可利用 GIS的强大功能来获取更广泛、准确的空间参数,展示地下水渗流场的时空变化过程。地下水模拟的结果亦可在 GIS中存储、处理,以便产生更高层次的管理决策支持信息,深刻地影响和改变当前的地下水管理与研究工作。主要体现在以下三方面：首先,增强了空间区域的综合能力。GIS已成为体现地下水资源区域性、空间性与动态性特点的技术保证之一;其次,强化了动态分析功能。GIS已具备了分析地下水系统演变过程和描述其未来变化趋势的能力;再次,提高了可视化技术在水文地质领域中的地位和作用。生动直观的图形图像不仅是研究成果的主要表现形式,而且也是重要的研究手段和研究成果实用化的有效途径。因此,GIS技术在地下水管理与开发的成功应用,对二者的发展都将产生巨大的促进作用。

1.2 遥感技术地下水领域的应用

遥感具有实时获得覆盖大范围以及难以到达区域的空间数据、光谱数据和时间数据的优势,这使其成为地下水资源开发、评价和管理中一个非常便利的工具(Chowdhury等,2003)。对于那些地质和地图信息缺乏或者不准确地区来说,卫星数据的水文地质解译是的一种重要的调查工具,它提供了关于地下水分布和运移的控制因素(如地质、岩性、地形、土壤、土地利用/覆盖、排水模式、线性构造等)的快捷有用的基础信息。结构特征(如断层、裂隙和其它线性或曲线特征)可以显示地下水的可能存在。沉积地层(即冲积沉积物和冰碛物)或者某些岩石露头等其它特征也可以指示潜在的含水层。牛轭湖和古河道的存在是冲积沉积物很好的指示物。浅层地下水也可以根据土壤水分测量、植被类型和模式的变化进行推测。在干旱区,植被特征可以指示地下水的埋深和水质情况。可以从土壤、植被和浅层地下水、上层滞水推测出某个流域地下水的补给区和排泄区。此外,遥感测量到的地表温度的差异(是由近地表地下水造成的)可以识别冲积沉积物、浅层地下水、泉或者渗流。如果用热红外传感器在长期无雨后所做的地表温度测量,可以绘制区域浅层地下水位,推断地下水的补给和排泄。

从卫星图像或者航空照片中获得的重要的地形特征,可以用于评价多种水文地质背景下的地下水条件(如分布、埋深、流动类型、数量或者水质),见表 1(Madan K.Jha,A livia Chowdhury等,2007)。

表1 从遥感数据获得用于评价地下水条件的明显地形物理特征(修订自 Todd,1980;Todd和 Mays,2005)

遥感在地下水领域的应用,根据遥感应用可以分为：1)数据源,通过遥感解译获得地下水的有用信息 2)地下水专题制图 3)地下水建模 4)雷达测距 5)遥感探测地下水分布 6)水文地质分析及过程动态监测。按地下水领域可以分为：1)遥感找水 2)水质评价 3)地下水资源探测与评价 4)地下水水位与水量预测等。Farnsworth等(1984),Waters等(1990),Engman和 Gurney(1991)以及 Meijerink(2000)很好地总结了遥感在地下水水文学中的应用,揭示出遥感已经被广泛地用来补充标准化的地球物理技术。Meijerink(2000)认识到遥感在地下水补给研究中的重要性,并认为遥感能在很大程度上辅助传统的评价和模拟技术。朱君等(2008)重点阐述了定量遥感在地下水找水、地下水水源探测与评价、地下水水量与水位预测、地下水水质研究等领域中的应用。说明该技术是定量研究地下水资源预测、评价及探测等的重要手段之一,具有广阔的应用前景。

Salama等人(1994)利用航空照片和 Landsat(TM)数据制作了澳大利亚西部盐河系统的地形图、地质图和结构图,以对控制该地区地下水补给和排泄机制的单元进行分类。利用地貌类型的水文地质解译和源自 TM分析的水文地貌单元的分类来确定补给区和排泄区。Srivastava(2002)综合遥感数据和水文资料,研究印度北方邦 Ken Graben地区详细的地下情况、含水层几何形状和地下水水质。作者利用 IRS LISS-I/II数据来探测研究区的地质、地貌和结构。识别出埋藏的管道和两类不同的地基沉降,二者影响了研究区含水层的几何形状、地下水潜力和地下水水质。Oldenborger等人(2003)应用探地雷达(GPR)和磁导计来确定加拿大安大略湖 Fanshawe三角洲地区冰积 -冲积砂砾石沉积物的渗透系数的空间分布。比较磁导数据和雷达数据的地质统计学分析,结果表明可以根据雷达叠加速度的水平相关结构直接推测渗透系数的水平相关结构。P.Brunner等(2010)介绍了地下水模型试验中利用遥感观测数据的可行性,并通过博茨瓦纳和中国的实例对其进行了验证。主要可行的事是：1)利用遥感数据为模型建立一些空间分布的输入参数集;2)在利用从遥感取得的空间分布数据校正的时候,约束模型。二者都能从概念和数字上改进模型。

国内李廷祺等(1998)从 MSS图像判别含水层的岩性,区域地形地貌特征和地表水补给源,结合其成因类型对塔里木盆地地下水量、水质和埋藏深度等因素进行分析,按矿化度对地下水进行分类,定性地描绘了地下水量和地下水位的分布。朱第植等(2000)针对南疆民丰戈壁沙漠地区,应用遥感技术,在地貌、水系、构造、古河道等系列解译的基础上,根据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)利用卫星遥感数据评价干旱区绿洲 -荒漠交错带地下水位的分布作为主要研究目的,使用全波段 Landsat-7ETM+图像,用遥感 -数学 -模型学融合的研究方法,利用实地考察的地下水位、土壤水分和其他辅助资料,建立了土壤水分和地下水位的实验方程,提出了评价地下水位分布的遥感模型—GLDRS模型,并利用该模型对新疆策勒绿洲-荒漠交错带进行了实地验证。乔彦肖(2005)对太行山前河北平原,采用遥感技术进行了地下水资源调查评价。充分利用卫星遥感(ETM+)图像数据以及综合其他常规资料,准确的圈定出山前冲洪积扇的范围,划分出它们的形成期次和扇体结构,恢复了主要河流的水流系统。在此基础上,推测出具有开采潜力的地下水富水区 6处。

1.3 GPS技术在地下水领域的应用

GPS全球定位系统是美国在 20世纪 70年代开始研制,具有在海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航和定位系统。其技术特点是：①全球、全天候;②功能多,精度高,连续提供动态目标的三维位置、三维航速和时间信息。③实时定位速度快,可在 1s内完成。④抗干扰性能好,保密性强。⑤操作简单,观测方便。

使用 GPS采集器测量经纬度、高程等既快速又准确,它采用差分定位,精度可达到厘米级和毫米级,提高测量的精度,因此通过 GPS采集器实地测量,不仅对现有观测井位有了比较真实的客观记录,对以前的误差进行了修改,并能够真实地反映地下水动态变化情况所影响的区域。

王海英等(2005)在将 GPS、GIS技术与 PMWIN地下水模型技术应用到冀北坝上高原综合资源评估中提到,GPS在资源评估中的应用主要体现在：①用于项目县地下水动态监测网络中监测井的定位工作;②利用 GPS技术具有精度高,方便易操作特点,完成评估区现有各类农用灌溉机井了普查工作,可以大大提高普查精度,缩短普查时间。

1.4 综合应用

以 GIS为核心的 3S(RS、GIS和 GPS)技术的集成,构成了对空间数据适时进行采集、更新、处理、分析及为各种实际应用提供科学的决策咨询的强大技术体系。三种技术的结合根据实际需要而定,其中GIS起着关键性的作用。把这三门学科综合到一起的最基本的部分是把RS和GIS综合到一起。

地理信息系统(GIS)已经成为一种处理空间数据和地下水领域决策制定的有效工具。遥感数据是提供陆地和水信息的主要来源之一。可用各种不同的遥感软件包(如 PCI、ENVI、ERDAS IMAGINE等)对这些数字化的遥感数据进行有效解译和分析,这样能比较容易地将这些信息输入 GIS环境,实现与其它类型数据的整合,然后再做分析。毫无疑问,GIS工具以计算机的准确度和最小的人为误差风险,实现了海量水文数据和水文地质数据的快速组织、量化和解译。GPS以其精确的测位技术为对下井位以及水位等监测提供了精确的定位数据。将 GIS、RS与GPS三者综合应用到地下水管理与开发方面已经有了不少的研究和应用实例：

Musa等人(2000)利用遥感和 GIS的综合系统绘制了各种专题图,对马来群岛 Langat盆地的地下水开采潜力进行了分类。他们利用 Landsat TM数据、地形图、土壤分布图和其它相关的野外数据绘制了各种专题图层,如年降雨量、岩性、线性构造密度、排水密度、土地利用、地面高程、坡度和土壤类型,并利用改进的 DRASTIC模型将所有的图层综合起来。根据地下水开发潜力的适宜性或相关性,对每个专题图层上的多边形进行分类,再赋以适当的权重。最后,利用地下水潜力模型将所有的专题图层综合起来,得到一个总图层。结果表明,在坚硬的基岩地区,利用基于 GIS的模型,对专题图层进行综合评价是最适合进行地下水潜力分区的方法。

Ramlingam和 Santhakumar(2002)利用遥感和 GIS技术,探索出印度 Tam il Nadu邦能够发挥地下水调蓄作用的合适的补给区和蓄水构造。该研究利用 IRS LISS-III卫星数据和野外收集到的其它间接信息制作了各种专题图,利用ArcInfo GIS软件包确定出合适的人工补给区。他们将补给区划分为“高度适宜”、“中等适宜”、“不适宜”和 “差”四类。根据地形条件和适宜性分区,给出了适宜补给的构造。他们的结论是：利用 GIS所做的分区以及建议的取水设施的类型和位置是可取的,成功率超过了 90%。

Lamble和 Fraser(2002)利用卫星图像和辅助数据,为澳大利亚新南威尔士默里河谷灌区开发了一个基于 GIS的地下水预测模型。该模型能够预测由地下水位上升造成的盐渍化风险。

Erhan Sener等(2006)联合运用遥感和 GIS方法,制作了不同的专题地图,包括年降雨量分布图、土地利用图、地质图、线性构造密度分布图、地形高程图、斜坡分布图和水网密度图等。利用基于GIS技术开发出来的模型对这些专题地图进行综合评价,用于预测地下水的潜力区,进而为土耳其西南部的布尔杜尔市寻找新的地下水源。

吴泉源等(2001)运用 RS、GIS技术对龙口市地下水资源进行了时空模拟分析。结合当地需水现状分析和未来需水预测,对地下水资源开发利用进行了规划。王海英等(2005)将全球定位系统 GPS、地理信息系统(GIS),地下水模型技术(PMWIN)联合应用到冀北坝上高原的资源综合评估中,利用模型来用来评估地下水在农畜业及可持续利用;通过相关评价指标体系,从水量、土地质量、地形坡度等方面完成模型区水土资源的灌溉适宜性等级划分工作;将灌溉适宜性分析结果与预测的地下水水位结果相叠加,完成了水资源管理区划分和政策措施。

2 问题与展望

2.1 中国 3S技术在地下水管理和开发的应用的主要问题

国外 3S技术,特别是 GIS与 RS技术,在地下水管理和开发方面的综合应用研究范围广、方法也比较完善,我国在利用遥感和GIS技术进行的地下水研究虽然出现了一些新的领域,但是这些研究非常有限。此外,大部分研究实际上只是示范了遥感数据和/或 GIS软件的应用。并且通常缺少标准方法和利用野外数据对遥感和GIS结果进行的验证。基于GIS的地下模拟也很受限制,尽管对该领域的知识在不断增加。

在我国,遥感和 GIS应用受限和标准方法缺乏的主要原因是,政府为保证安全性,限制了地图和遥感数据的使用,无法得到能够满足真正需要的数据。另外,缺少甚至没有地下水监测设施也导致了野外数据的不足。当发达国家已经开始用现代技术进行地下水的实时监测时,大部分发展中国家仍在沿用一些传统手段,仍然没有合适可靠的地下水监测计划。除了这些主要的限制因素外,还有一些更为复杂问题,如：①高分辨率的遥感数据没有得到私人、公共和高校的使用;②缺乏数据发布设施;③遥感数据的成本很高;④缺乏对这些正在开发的技术的认识;⑤缺乏足够的基础设施、培训和支持;⑥政府规划和开发部门中缺乏高级技术人才;⑦遥感和 GIS软件包及附件的价格昂贵。

解决上述一些限制的切实可行的应急方法包括：①亟待开发一个数据共享平台,确保能以合理的价格快速获取和更好地发布遥感数据;②通过正确的培训和支持,增加政府和私人部门使用遥感和GIS技术的意识和熟练程度;③改进和更新基础设施,以紧跟这些技术的最新发展。至于遥感数据的局限性,鉴于一些发达国家对高分辨数据在内的遥感数据的自由分布和相对容易的获取,发展中国家应该慎重地取消或放松对遥感数据和地图的安全限制,除非一些涉及到危害国家安全的案例(Narayana,1999)。另外,迫切需要在全国范围内建立足够的地下水监测设施,推动野外调查,以确保新兴的遥感和 GIS技术的有效应用,实现对宝贵的地下水资源的可持续开发和管理。

2.2 展望

遥感技术通过提供独特的新数据补充了传统的野外数据,未来极有可能使地下水监测和管理发生革命性的变化。迅速发展的 GIS技术将在处理海量的时空数据,有效进行数据的解译、分析和显示中发挥重要作用,尽管这些应用会产生一些新的问题。水文地质学家面临的挑战是,如何利用遥感技术将地下水流和运移过程进行可视化,有效解译遥感数据,以及开发经济的非侵入性野外测量技术,来开拓地下水水文学的新领域和现有领域。这些发展必定会使我们能够以一种真正可持续的并与环境相协调的方法,开发和管理珍贵的地下水资源。

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