地理信息技术在地下水监测中的应用初探

张 驰，杨联安

(西北大学 城市与环境学院，陕西 西安710127)

地下水作为当今淡水资源的重要组成部分，拥有重要价值和作用。现阶段，地下水监测技术主要可以分为人工监测和自动监测两种方式。现有的地下水监测方式，对于小范围地下水资源还可使用，但是对于大范围的地下水资源的研究和管理工作，需要融合地理信息技术，更好地快速的对大面积地下水环境状况进行监测，达到宏观、快速、综合、动态地完成地下水的监测工作。

1 地下水动态监测技术现状

现阶段，地下水监测技术主要可以分为人工监测和自动监测两种方式。而在我国，对地下水的监测主要是以人工监测方式为主，然后通过人工的方式进行数据整理和传输，这对于海量且复杂的地下水监测数据的管理是很不方便的。从地下水的自动监测方面来看，我国的监测技术的普及程度是远远不及西方发达国家的地下水监测自动化程度。水质监测由于其监测频次要求低、监测要素复杂、监测费用昂贵等，不论在国外还是国内，一般都是人工取样监测方式，因此从监测频次上来看，由于我国拥有一支完整的水文专业技术队伍，对地下水监测频次还是明显高于国外的［1］。

对于地下水的监测内容，主要由水位、水质、水温三大部分组成。

地下水水位的监测是地下水数据中较为重要的数据之一，而如今现有的大部分监测站的任务便是对地下水位的监测，又叫做对埋深的监测。人工地下水位的监测主要采用的方法有测蛊和电接悬锤式水尺。此类方法较为简单，目前测蛊一直在大范围内进行使用，但是使用该方法进行测量时会产生很大的误差，水位测量值不会很准确。而电接触悬锤式水尺便于携带，对使用者的要求并不高，而且其测量精度也较高，因此其优势较大。而自动监测地下水位主要是应用浮子式地下水位计、压力式地下水位计等。浮子式地下水位计结构简单、可靠，便于操作维护。只要测井口径满足安装要求，测井的倾斜度满足要求，可以用于所有地点，水位测量的准确性也较高［2］。

人工地下水水质监测也是主要以人工方式为主，研究人员通过地下水采样泵和采样器对地下水进行采样，再进行人工化验的方式进行水质监测。也可以通过便携式自动测量仪进行半自动半人工的地下水采样和测量分析过程。水质自动监测可以分为电极法水质自动检测方法和抽水采样自动分析方法，目前基本上都是采样电极法水质自动测量［3］。

地下水水温的书瑶监测工具便是数字式温度计测温。在实际应用中，对水温的测量常常可以与水质信息的测量一并进行，将多传感器与数字温度计相联系即可。

2 3S技术在地下水监测中的应用

3S技术是以现代信息技术为基础，以遥感技术(Remote Sensing，简称 RS)、全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)，地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)为主要手段，以计算机、现代网络技术和通讯技术为支撑技术，实现大容量空间数据的获取、存储、管理、分析等一系列处理方法的实现的技术体系。地理信息技术可以在地下水监测的各个环节得到应用。

2.1 遥感技术的应用

遥感是利用遥感器从空中获得地面物体性质的方法，它可以根据不同物体对波谱的反射相应不同的原理，来识别地物。按照遥感平台分类，可以将遥感分为:地面遥感、航空遥感、航天遥感。利用飞行器上载有的遥感器来获取地面数据资料，并从中获取信息，进行记录、传送、分析和判读来识别地物。

遥感作为一种可以远距离进行综合探测的技术，可以解决地下水大面积监测难的问题。利用遥感技术，可以根据地表冰雪、径流等可进行遥感监测信息进行分析，根据其变化特点，估算地下水补给量和勘探区域地下水资源存储量，确定其空间分布范围，评价地下水水质，对地下水动态变化进行监测与预测［4］。

2.2 GPS技术的应用

GPS是一种结合卫星以及通讯发展的技术，利用导航卫星进行当行定位，利用GPS进行全球导航定位具有定位精度高、观测时间短、提供三维坐标、操作简便、全天候作业等特点。

GPS凭借其操作简单、定位精度高、观测时间短等特点，可以供研究人员进行现场采样定位，获取地下水采样点的三维空间信息，可以为地下水三维建模提供可能，也可以提高定位精度和速度。如今GPS在地下水资源的管理和监测中应用比较广泛，例如王海英［5］等人利用GPS、GIS技术与PMWIN地下水模型技术在冀北坝上高原综合资源评估中联合应用，其中GPS在该研究中就被用来作为地下水动态监测网络中监测井的定位工作。

2.3 GIS技术的应用

GIS是基于计算机硬件系统、软件系统的技术支持下，对地球空间中有关地理空间数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示以及综合应用的综合性技术系统。GIS技术可以将具有空间信息特征的事物进行联系、描述分析，进而得到一系列客观规律，模拟现实世界，模仿现实世界的一些发展过程。

地下水空间分布不均匀，信息杂乱，且控制点少，造成了传统方法对于地下水研究工作的展开的阻力。而GIS技术凭借其强大的大容量空间数据管理集成功能，以及对于空间信息的分析功能，为地下水数据的采集存储、空间分析，以及后续的管理和研究工作提供了重要的技术支撑。

20世纪70年代，美国田纳西流域管理局首次将GIS技术引入水资源的管理中，利用GIS技术的处理和分析功能，将田纳西各个流域的数据进行处理分析，为其后续的管理规划工作提供了参考资料以及决策服务。20世纪80年代后，计算机技术的飞速发展，GIS在水资源以及水文研究领域的应用也逐渐变得地举足轻重。20世纪90年代以来，在水文学和水资源管理研究中，GIS技术的应用已经成为一个热点内容。1993年在维也纳召开“地理信息系统在水文学和水资源管理中的应用”专题会议［6］;1995年，美国科罗拉多大学召开了“水资源系统的模拟与管理专题学术会议”等。国内的地下水资源管理和研究与地理信息技术相结合始于20世纪80年代，之后其发展非常迅速。例如:雷静［7］结合GIS技术，根据唐山市平原区的具体情况对唐山市平原区地下水脆弱性进行了评价，并绘制了唐山市平原区地下水分布图，分析结果和该地区实地测出的硝酸盐的浓度吻合度相对较好。武强［8］等人利用Mapinfo作为平台，开发了“塔里木盆地水资源开发管理的地理信息系统”，将GIS技术运用于塔里木盆地的水资源开发和管理的应用中，实现了GIS与水文地质学的专业分析的结合。

3 地理信息技术的集成应用

在实际应用中，地理信息技术常常相互交叉渗透。RS技术为GIS技术提供了数据参考源，将数据的更新提供途径，GIS的强大分析功能弥补了RS的分析功能的不足，GPS技术能够提高定位精度，形成三维坐标，为GIS的空间建立三维模型提供可能，GIS技术实现空间可视化［9］。

利用RS技术实现对地下水的动态监测，加快地理信息数据库的数据更新，使数据更加实时化。利用GPS技术对大范围地下水动态监测网络进行定位，获取地下水监测参数的空间三维数据，为GIS系统建立空间三维模型奠定基础。GIS模型和地下水专业模型相结合［10］，建立基于GIS的地下水监测系统。

图1 基于地理信息技术的地下水监测网络

4 结语

大范围的地下水信息数据容量大，空间信息复杂，基于传统地下水动态监测技术，地理信息技术可以使大范围地下水监测工作的数据获取和数据管理功能更加准确化和实时化，并且可以让地下水网地图的三维可视化技术和多维空间分析技术得以实现。随着地理信息技术的发展，将提供更多的适用于地下水监测的功能。大数据技术、移动互联技术、三维模拟技术在地理信息技术的渗透更加强了地理信息技术在地下水监测的广泛应用。地理信息技术在地下水监测中的应用具有很大潜力。

［1］杨建青，章树安，陈喜，等.国内外地下水监测技术与管理比较研究［J］.水文.2013，03:18 －24.

［2］姚永熙.地下水监测方法和仪器概述［J］.水利水文自动化.2010，01:6 －13.

［3］王爱平，杨建青，杨桂莲，等.我国地下水监测现状分析与展望［J］.水文.2010，06:53 －56.

［4］阿布都瓦斯提·吾拉木，秦其明.地下水遥感监测研究进展［J］.农业工程学报.2004，01:184 －188.

［5］王海英，王明瑜.GPS、GIS技术与PMWIN地下水模型技术在冀北坝上高原综合资源评估中联合应用［J］.地下水.2005，05:76－79.

［6］赵军，贾艳红.国外GIS在地下水管理与研究中的应用和启示［J］.地下水.2005，03:166－168.

［7］雷静，张思聪.唐山市平原区地下水脆弱性评价研究［J］.环境科学学报.2003，01:94 －99.

［8］武强，邹德禹，董东林，等.塔里木盆地水资源开发管理的地理信息系统(GIS)［J］.中国矿业大学学报.1999，01:85－88.

［9］谢海辉.GIS在水资源管理中的应用研究［D］.南昌大学.2007.

［10］魏加华，李慈君，王光谦，等.地下水数值模型与组件GIS集成研究［J］.吉林大学学报(地球科学版).2003，04:534 －538.