基于遥感技术的降水入渗补给条件空间分异性研究

曹颖， 郭兆成， 王强强， 焦润成

(1.北京市地质研究所，北京　100120； 2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京　100083)



基于遥感技术的降水入渗补给条件空间分异性研究

曹颖1， 郭兆成2， 王强强1， 焦润成1

(1.北京市地质研究所，北京100120； 2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京100083)

摘要：降水入渗补给条件在地下水资源研究工作中具有重要的理论和实际意义。利用遥感技术，通过构建基于专家经验知识的评价系统和模型，以30m×30m栅格单元、一级岩溶水系统的基岩山区及其碳酸盐岩区3个尺度评价分析北京市各区降水入渗补给条件空间分异性。研究结果表明： 在研究区范围内碳酸盐岩区的降水入渗补给条件最优； 基岩山区的降水入渗补给条件从优到劣的区域依次为房山、门头沟、延庆、平谷和怀柔； 碳酸盐岩区的降水入渗补给条件从优到劣的区域依次是怀柔、门头沟、房山、延庆和平谷； 地层岩性与地质构造因子是影响降水入渗补给条件的关键因素。

关键词：遥感； 降水入渗； 补给条件； 分异性

0引言

降水入渗补给地下水的过程是“三水”(降水、地表水和地下水)转换关系中最基本、最重要的环节之一。降水入渗是地下水(特别是浅层地下水)的主要补给来源，也是区域水均衡计算中的一个重要因素。降水入渗补给问题的研究在整个水资源研究工作中处于基础地位，它不仅具有理论意义，而且更具有实用价值。

降水入渗研究工作大多是对入渗补给系数展开研究与讨论。其研究方法有室内试验、试验场模拟[1]以及动态观测[2]数据分析等。这些方法的共同特点是概念比较明确、参数可控性较强、基础变化规律明显，但无法推广应用到入渗补给条件空间差异性较大的区域尺度。

遥感技术在地下水资源勘查与评价中的应用研究已有50a的历史[3]，主要集中于寻找地下水[4-6]和水资源开发评价[7]等方面。本研究在遥感和地理信息系统技术的支持下，利用SPOT5和航片等遥感数据、基础水文地质资料等，通过遥感信息提取，以水文地质和系统理论为指导，从30m×30m栅格单元、一级岩溶水系统的基岩山区及其碳酸盐岩区3个尺度，开展降水入渗补给条件空间分异性的评价研究。

1研究区概况与数据源

1.1研究区概况

研究区位于华北平原的西北边缘，介于E115°24′57″～117°23′4″，N39°30′3″～40°46′40″之间，包含北京市行政范围的12个区，总面积约10 200km2，研究区位置如图1所示。

图1　研究区位置

该区主要地貌类型为山地； 属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量在600mm左右，降水主要集中在6—9月份； 区内主要河流有属海河水系的拒马河、大石河、永定河、大清河、北沙河、潮河、白河和泃河等。研究区所在的岩溶系统有5个，分别为延庆、门头沟、房山、怀柔以及平谷岩溶水系统，重点对5个岩溶水系统的基岩山区和碳酸盐岩区的降水入渗补给条件进行研究。

1.2数据源

数据源包括多源遥感数据、基础地理数据、基础地质及水文地质等相关数据。遥感数据为2012年10月的SPOT5数据及2009年航空遥感图像； 基础地理数据包括行政边界数据和DEM数据； 基础地质数据主要为1∶5万比例尺区域地质图件； 水文地质相关数据包含近年来北京市山区水文地质勘查成果及研究资料等。

2研究方法

2.1遥感信息提取

首先结合高程数据和基础地理底图，运用影像纠正、配准、融合和镶嵌等方法对原始影像进行预处理，突出水文地质信息，并对数据质量进行检查与评价； 然后分析已收集资料，利用现有1∶5万比例尺地质图、地貌类型图、土地利用与植被类型图、水文地质相关文字资料及野外工作经验，将已有图件与影像进行对比，建立初步解译标志，对影像进行解译，编制解译草图； 再根据初步解译结果，采用GPS野外定点、照片采集等野外地质工作，建立系统的地层岩性、地质构造、地形地貌、地表沟系和土地利用等解译标志； 最后采用人机交互的方式对影像进行详细解译，提取遥感信息，编制相应图件。

2.2构建评价指标体系

对研究区影响降水入渗条件的下垫面要素仔细分析，结合水文地质专家经验，从地质、地形地貌以及地表覆盖3个因子着手，构建了评价指标体系。

2.2.1评价因子的选择

地质因子(U1)通过地层岩性和地质构造要素来表达。在区域构造的影响下，岩石的破碎程度、节理裂隙发育密度存在一定的差异性，对降水入渗的影响程度不同。依据研究区岩石的岩性、结构构造、物理性质及其溶蚀入渗能力的不同，将地层岩性分为以白云岩为主的碳酸盐岩、以灰岩为主的碳酸盐岩、变质岩、陆源碎屑岩和火成岩5大类。

地形地貌因子(U2)通过地形坡度和水系密度2个要素来表达。研究表明，随着坡度增加，承雨强度降低，提早进入产流，地表径流量增加，入渗速率减小，不利于降水入渗[8]； 水系密度越大，地表径流越发育，而地表岩石裂隙发育程度越低，越易形成地表径流，入渗补给地下水程度越低。

地表覆盖因子(U3)通过土地利用类型来表达。不同的土地利用类型对降水的截留和蒸发作用不同，对水资源的需求也不同。本文将研究区土地利用类型分为耕地、园地、乔木林地、灌木林地、草地、建设用地、采矿用地和水域及水利设施用地等8类。

2.2.2因子权重的确定

以国内具有岩溶工作经验的水文地质专家和水文地质综合管理专家为经验知识库，从地质、地形地貌和地表覆盖3个方面进行咨询，发放28份专家打分表，其中收回有效打分表共17份，通过统计整理后确定各级因子的权重，如表1所示。

表1　降水入渗影响因子专家知识权重表

2.3差异性评价

不同因子表达数据的量纲不统一，而且参与评价的标准也不同，如地质构造和水系密度不能直接采用实际计算数值的方式参与到总体评价中，因此必须对所有数据进行标准化处理。标准化处理包括数据同趋化处理和无量纲化处理2个步骤。

根据已构建的评价指标体系，将标准化后的数据利用加权综合评价方法，以研究区30m×30m栅格单元、一级岩溶水系统基岩山区和岩溶水系统碳酸盐岩区3个尺度分别评价降水入渗补给条件的空间差异性。

3结果与分析

通过上述方法，完成了3个尺度下降水入渗补给条件的空间差异性评价，并根据结果进一步对影响差异性结果的主控因素进行了分析。

3.1栅格尺度的降水入渗条件差异性分析

30m×30m栅格尺度降水入渗条件的空间差异性结果如图2所示。

图2　栅格尺度的降水入渗条件空间差异分布

研究区范围内，碳酸盐岩分布区的降水入渗条件一般都处于较好的状况，其中灰岩地区的评价结果最好。在地势较为平坦、断层密度较大以及水系密度较低的区域，降水入渗的评价结果也处于较好的状态，如平谷岩溶水系统的东北部、门头沟岩溶水系统的西南部等区域。这说明影响降水入渗的因素是综合的，不能使用单一的因子进行评价，需要从多方面综合考虑。

3.2基岩山区的降水入渗条件差异性分析

一级岩溶水系统基岩山区尺度降水入渗条件的空间差异性结果如图3所示。

图3　岩溶水系统基岩山区的降水入渗条件空间差异分布

以房山山区为主的岩溶水系统单元的降水入渗条件评价结果为2.11，最有利于降水的入渗； 而以北京西山为主体的门头沟岩溶水系统降水入渗条件评分为2.09，位列第二，表示其入渗条件较好； 延庆和平谷2个岩溶水系统的降水入渗条件评分同为1.82； 位于北部地区的怀柔岩溶水系统的降水入渗条件评分(1.76)最低。结果表明了岩溶水系统中不同下垫面特征对降水入渗影响的差异。对于系统或者区域岩溶水资源的估算，还需要综合考虑岩溶水系统的补给区面积、岩溶水系统多年的平均降雨量等数据。

3.3碳酸盐岩区的降水入渗条件差异性分析

一级岩溶水系统碳酸盐岩区尺度降水入渗条件的空间差异性结果如图4所示。

图4　岩溶水系统碳酸盐岩区降水入渗条件空间差异分布

各个碳酸盐岩区的评价结果均高于各区基岩山区(灰岩、白云岩、变质岩、陆源碎屑岩和火成岩)的平均得分，反映出碳酸盐岩区较好的入渗条件，这也符合各类岩石的入渗系数分布规律。然而，碳酸盐岩区降水入渗条件与基岩山区的评价结果也存在较大的差异，其中最明显的部分是怀柔岩溶水系统，其碳酸盐岩区评分最高为2.86，但该岩溶水系统基岩山区的评价结果(1.76)最低。以门头沟山区为主体的岩溶水系统碳酸盐岩区降水入渗条件评分为2.84，位列第二； 以房山山区为主的岩溶水系统评价结果为2.75，处于第三位； 延庆岩溶水系统的评分为2.52，处于第四位； 位于东部地区的平谷岩溶水系统的碳酸盐岩区降水入渗条件评分(2.04)最低。

因此，需要从各个系统评价因子的特征参数分析入手，了解各个岩溶水系统中降水入渗条件的主要影响因素，掌握其对降水入渗的贡献，以更好地分析岩溶水系统的水资源潜力，为进一步合理开发岩溶水奠定基础。综合各系统地层岩性、地形地貌及地表覆盖的特征，岩溶水系统碳酸盐岩区降水入渗影响因子评价结果见表2。

表2　岩溶水系统碳酸盐岩区降水入渗影响因子评价结果

从表2中可以看出： 断层密度是怀柔岩溶水系统碳酸盐岩区控制降水入渗的主要因子； 地层岩性是房山岩溶水系统区别于其他系统的主要降水入渗影响因子； 5个岩溶水系统碳酸盐岩区的地表覆盖均以乔木林地和灌木林地为主，且面积比例相差不大，因此该碳酸盐岩区地表覆盖、植被类型对降水入渗条件差异的贡献不显著； 该碳酸盐岩区坡度、水系密度差别不大，也不是影响该碳酸盐区降水入渗条件差异的主导因素。

4结论

充分利用遥感数据、野外调查资料以及已有的水文地质相关资料，对影响北京地区降水入渗的各因子进行信息提取； 采用层次分析法和加权评价法，构建基于专家经验知识的评价系统和模型，以研究区30m×30m栅格单元、一级岩溶水系统的基岩山区及其碳酸盐岩区3个尺度分别进行分析研究，评价各尺度下大气降水入渗补给条件的空间差异性，结论如下：

1)针对5个一级岩溶水系统基岩山区的评价结果表明，房山岩溶水系统基岩山区的降水入渗条件最好，其次是门头沟岩溶水系统，再次是延庆、平谷岩溶水系统，怀柔岩溶水系统基岩山区的降水入渗条件最差。

2)针对5个一级岩溶水系统碳酸盐岩区的评价结果表明，怀柔岩溶水系统碳酸盐岩区的降水入渗条件最好，其次是门头沟、房山岩溶水系统，再次是延庆岩溶水系统，平谷岩溶水系统碳酸盐岩区的降水入渗条件最差。

3)研究区内地层岩性(尤其是灰岩地区)与地质构造因子是控制碳酸盐岩区降水入渗的主导因子；

4)研究区内碳酸盐岩区地表覆盖、坡度和水系密度因子差别不大，不是影响该碳酸盐岩区降水入渗条件差异的控制性因素。

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(责任编辑： 陈理)

Research on spatial differentiation of precipitation infiltration rechargeconditionbasedonremotesensingtechnology

CAO Ying1， GUO Zhaocheng2， WANG Qiangqiang1， JIAO Runcheng1

(1. Beijing Institute of Geography, Beiijng 100120, China; 2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China)

Abstract:Theprecipitationinfiltrationrechargeconditionhastheoreticalandpracticalsignificanceinthestudyofgroundwaterresources.Inthisstudy,withtheapplicationofremotesensingtechnologyandthroughconstructingevaluationsystemandmodelbasedonexpertexperienceandknowledge,thespatialdifferentiationofBeijingprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareevaluatedatthreescales,includinggridscale(30m×30m),Karstwatersystembedrockregionanditscarbonaterockregion.Theresultssuggestthatcarbonaterockareasareconducivetotheprecipitationinfiltrationrechargeinthewholestudyarea.TheprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareinworseningorderofFangshan,Mentougou,Yanqing,PingguandHuairouinthefiveKarstwatersystemsbedrockareas.TheprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareinworseningorderofHuairou,Mentougou,Fangshan,YanqingandPingguinthefivecarbonaterockareas,andthelithologyandstructureseemtobethekeyfactorsaffectingtheconditionsofrainfallinfiltrationrecharge.

Keywords:remotesensing；precipitationinfiltration；rechargeconditions；differentiation

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.15

收稿日期：2015-04-23；

修订日期：2015-06-26

基金项目：北京市发改委项目“北京岩溶水资源勘查评价工程”(编号：BJYRS)资助。

中图法分类号：TP79

文献标志码：A

文章编号：1001-070X(2016)03-0091-05

第一作者简介：曹颖(1983-)，女，博士研究生，高级工程师，主要从事地质调查及遥感在地质中的应用研究。Email：cy_998@163.com。

引用格式： 曹颖，郭兆成，王强强，等．基于遥感技术的降水入渗补给条件空间分异性研究[J]．国土资源遥感，2016，28(3)：91-95(CaoY,GuoZC,WangQQ,etal.Researchonspatialdifferentiationofprecipitationinfiltrationrechargeconditionbasedonremotesensingtechnology[J]．RemoteSensingforLandandResources，2016，28(3)：91-95)