基于GIS分析的干旱区域水资源时空异质性研究

叶永清

(浙江天禹信息科技有限公司，杭州 310000)

0 引 言

基于上述背景，很多相关专家和学者都进行了相关研究。如，周帅，王义民，畅建霞等人采用标准化降水指数(SPI)分析流域干旱时空演变规律；佘敦先采用Copula函数构建了干旱历时和干旱强度两变量统计模型，揭示了流域干旱发生风险的空间分布规律。海米提·依米提等人利用统计分析和地统计分析相结合的方法对新疆克里雅绿洲芦苇分布区的表层土壤含水量的空间变异特征进行了分析；马金辉，韩金华，张艳林等人应用地统计空间分析技术分析了近 10a来来民勤盆地地下水埋深的空间异质性。

文章借鉴前人研究经验，结合GIS分析技术，对某一干旱地区进行水资源时空异质性进行研究。GIS，中文称为地理信息系统，是空间分析的有效工具。文章将其应用其中，可以进一步分析干旱地区水资源在空间上的分布、变异和相关特征，揭示经典统计方法难以发现的规律，为以后的研究取样提供依据。

1 基于GIS分析的干旱区域水资源时空异质性研究

我国内陆干旱地区，由于降水量稀少，因此水资源贫乏，严重限制内陆地区的发展。在此背景下，为更好的发展和建设内陆地区，有必要进行干旱区域水资源时空异质性分析。这为水资源利用效率提高，水资源的保护及可持续利用，当地生态环境改善提供了提供有益的参考[2]。

时空异质性是指系统属性(植被类型、植被盖度、生物量、土壤氮含量、土壤水盐含量、土壤有机质等任何变量。)在时间上和空间上所表现出来的复杂性和变异程度[3]。结合文章研究主题，主要对干旱区域的水资源在时间维度和空间维度上的变化规律和特征进行分析和归纳。本研究以实验的方式进行研究。首先选取实验研究区，然后进行采样点布设并采集样本、最后进行模型分析，得出研究区的水资源时空异质性。

1.1 研究区概况

西北地区位于我国内陆，由于远离海洋，再加高地势、高山对气流阻挡，气候干燥，降水量稀少，土地荒漠化严重，因此对西北各干旱地区的土壤治理一直是国家关注的重点项目[4]。为提高土壤荒漠化治理效率和质量，提出有效的治理方案，有必要对该地区的水资源时空异质性进行研究。

Transactions of Atmospheric Sciences Total Contents of Vol.41,2018

新疆和甘肃彼此相连，是西北地区典型的干旱区域代表，因此文章研究就以新疆和甘肃共同组成的干旱区域作为研究区，如图1所示。

图1 研究区

两个省区环境参数对比如表1所示。

表1 新疆和甘肃研究区环境参数对比

1.2 采样点布设与样本采集

为研究研究区水资源在时间上和空间上的分布特征，需要布设采样点，采集土壤样本，根据土壤样本分析其中的含水量，以确定水资源分布特征[5]。采样点布设参数如表2所示。

表2 采样点布设参数

具体土壤样本采样过程如下：

步骤1：选取采样点，见表2。

步骤2：按照网格法布点。首先在研究区地图或照片上放一个方形或长方形网格，取网格中心点作为采样点，见表2。

步骤3：取样。在采样点10英尺半径范围内200m地层深度处随机选取8个土壤样本。

步骤4：将8个土壤样本混合作为一个土壤样本。

步骤5：将土壤样本迅速装入干净的铝盒内，盖紧，防止土壤中水资源蒸发。

步骤6：现场利用0.1g精度的天平称取样本湿重；

步骤7：将装有土壤样本的铝盒内置冰冻蓝冰的保温箱中，并添加一定量的保护剂。最好在30分钟内运送到实验室并完成检测，否则将会对测量结果产生影响。

步骤8：实验室测量样本质量和含水量。

1.3 室内测量

采用称重法对土壤样本中的水资源进行测定。首先利用天平称取土壤样本，包括铝盒在内的总体重量，记作土样的湿重，这需要在取样现场完成，然后样本到达实验室后，利用烘箱内在105℃下将土壤样本烘6-8h，直到恒重，然后再次利用天平称取包括铝盒在内的土壤样本的干重，最后在下述公式计算出土壤样本中的含水量。

(1)

式中：SMWC为土壤含水量；W1为烘干前铝盒及土壤样本质量；W2为铝盒质量；W为烘干后铝盒及土壤样本质量。

1.4 时空异质性分析方法

1)时间异质性分析：

时间异质性是指分析随着时间的变化土壤各层含水量的变化情况。对于时间异质性采用经典统计描述性统计分析(标准差、变异系数等)分析变量特征，计算公式如下：

(2)

(3)

式中：Pj整个研究区第j天的变异系数。

2)空间异质性分析：

GIS，中文为地理信息系统，是一种专门针对空间分析的有效工具，在很多领域中都得到了广泛应用。文章利用GIS技术分析干旱区域水资源空间异质性，但是采样点数据是有限散点数据，在这种情况下，要得到整个研究区的水资源空间异质性分布，必须要进行空间插值。具体过程如下：首先利用GIS软件和地统计学中的变异系数，对研究区各层土壤含水量进行空间变异特征分析；利用克里金插值法对研究区不同层次土壤含水量进行空间插值，绘制出研究区各层土壤含水量空间变化异质图，分析水资源空间分布状况。

1.5 时间异质性结果分析

1)年际时间异质性：

选择2000-2017 年作为年际时间异质性分析的时间段。分析结果如图2所示。

图2 年际时间异质性

由图2可知，①研究区土壤水分在 2000-2017 年总体呈现上升趋势；②随着土层深度增加，土壤含水量也随着增加。

根据土壤含水量数值，计算标准差和变异系数，并结合GIS分析，得到2000-2017年土壤含水量年际标准差和变异系数，如表3所示。

表3 2000-2017年土壤含水量年际标准差和变异系数

表3结果表明，研究区土壤水分年际尺度变异为弱和中等程度空间变异，且表层0-10 cm弱变异面积百分比小于深层土壤，说明土层越深土壤含水量的时间变异性越稳定。

2)年内时间异质性：

计算2000-2017 年17年年内平均土壤含水量，并绘制成时间分布图，如下图3所示。

图3 年内时间异质性

由图3可知：①2000-2017 年17年内年内平均土壤含水量整体呈现“倒V”型，1-6月分析土壤含水量逐渐升高，并在6月份达到最大值，因此随着温度变暖，地面融雪融冰水分补给，以及夏季的来临，降水量逐渐增多，进行了降水量补给。6月之后，土壤含水量开始逐渐降低，并在11月和12月趋于平缓。②1-7月40m较为浅层土壤含水量高于深层100cm土层含水量，但在8月之后深层土壤含水量超过40cm以上土层含水量，这是因为在夏季逐渐过去之后，降水量降低，而浅层土壤中水资源会随着地面蒸发及植被蒸腾耗水土壤含水量逐渐降低。此外，更重要的是夏季降水主要入渗补给10-40cm土层，随后继续补给深层40cm以下土层，使得在8月之后深层土壤含水量超过40cm以上土层含水量。

2000-2017年土壤含水量年内标准差和变异系数如表4所示。

表4 2000-2017年土壤含水量年内标准差和变异系数

由表4可知：①受降雨季节变化的影响，波动大，所以标准差较大，因此土壤含水量的变化较大，故变异系数较大，而冬季几乎无水资源补给，所以标准差和变异系数都较小，冬季西北干旱区土壤水分进入稳定期，所以研究区土壤水分表现出明显的季节变化特征；②随着土层深度的加深，土壤含水量的波动越小，所以标准差和变异系数都越小，表明土层越深土壤含水量变异越小，越不会受到季节变化的影响。

1.6 空间异质性结果分析

空间异质性结果如图4所示。

(a)2000年

从选取的2000年、2005年、2010年、2017年四个年份土壤含水量分布图可以看出：①纵观四个年份，土壤含水量<3%的区域面积逐渐缩小，说明研究区水资源在逐渐增多；②研究区土壤含水量自水平方向自东向西，以甘肃新疆交界处为分界线，先减小后增大，纵观四个年份，研究区土壤含水量呈现斑块分布，在甘肃西北部、甘肃新疆交界处、新疆东部哈密地区、吐鲁番盆地、北疆准格尔盆地东南地区、南疆塔里木盆地东南地区最低，在祁连山北部黑河上游、新疆西部伊犁地区、塔里木河中上游以及阿勒泰山北部最高。

2 结 语

综上所述，中国内陆地区与东部地区相比，降水量稀少，因此发达程度远远不及东部地区。在此背景下，为发展西部地区经济，解决当地土地荒漠化、提高水资源利用率具有重要的现实意义。为达到上述目的，为其方案提出提供可靠的参考依据，文章以西北新疆和甘肃地区为例，基于GIS分析对区域内的水资源时空异质性进行研究，并得出了研究成果，但在研究中仍发现一些问题有待进一步深入研究，其中关键的是缺乏对各种因素与土壤水分时空异质性之间相互影响关系的分析，因此在此未来研究重点将放在环境因子对土壤水分变异的影响分析上。