GIS技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

遲鵬飛

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局408隊(duì)，湖南 郴州 423000）

1 水文地質(zhì)信息及其特征

作為一門以地下水為研究對(duì)象的學(xué)科，水文地質(zhì)學(xué)主要以氣象水文、地質(zhì)生態(tài)、地質(zhì)地貌以及土壤植被為研究對(duì)象，其研究基礎(chǔ)工作為信息獲取、存儲(chǔ)以及分析。故而水文地質(zhì)信息以地下水及其環(huán)境固有的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、分布規(guī)律以及相互聯(lián)系為反映，具體表現(xiàn)出以下特征。

（1）空間特征?；诘叵滤捌溆绊懸蛩氐姆治觯捎谄湓诜植夹问缴暇哂幸欢ǖ目臻g特征，故而對(duì)于地下水賦存與運(yùn)移狀態(tài)的描述，其數(shù)據(jù)表現(xiàn)為典型的空間型，緊密關(guān)聯(lián)于地理坐標(biāo)，以此為地下水勘查、評(píng)價(jià)和管理工作提供參數(shù)性依據(jù)。

（2）動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)性（又稱流動(dòng)性）和可恢復(fù)性作為地下水資源與普通礦產(chǎn)資源的本質(zhì)性區(qū)別，其在流動(dòng)特征上具有一定的規(guī)律性，主要通過排泄、徑流與補(bǔ)給等運(yùn)動(dòng)方式循環(huán)交替。需要注意的是，為確保管理策略的客觀性與先進(jìn)性，依據(jù)地下水的變化特征，應(yīng)實(shí)時(shí)補(bǔ)充和更行反映其狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息[1]。

（3）多源信息特性。總體而言，水文地質(zhì)、自然地理、基礎(chǔ)地質(zhì)、地質(zhì)生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)為影響地下水賦存和運(yùn)移的主要因素；數(shù)據(jù)信息不僅尺度與載體不同，而且以文字、圖像、圖形、報(bào)表以及DEM等多元化形似表現(xiàn)。受信息來源差異的影響，數(shù)據(jù)描述有可能產(chǎn)生不一致現(xiàn)象，故須建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 GIS技術(shù)及其功能

（1）GIS技術(shù)簡(jiǎn)介。作為一種特定的空間信息系統(tǒng)，GIS技術(shù)以計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)為支撐，對(duì)包括大氣層在內(nèi)的整個(gè)或部分與地球表層空間有關(guān)的地理分布數(shù)據(jù)信息實(shí)施采集與輸入、編輯與更新、儲(chǔ)存與管理、查詢與分析、顯示與輸出的技術(shù)系統(tǒng)。由于GIS系統(tǒng)集成了多學(xué)科理論和技術(shù)，因此其定義角度表現(xiàn)不同：①GIS作為一門融合多種專業(yè)的交叉學(xué)科，其主要功能是對(duì)空間信息進(jìn)行描述、分析、儲(chǔ)存以及輸出；②GIS作為一種計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，其主要以地理模型分析法為運(yùn)用，依托于地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)通過多種動(dòng)態(tài)地理信息與空間地理信息的適時(shí)提供來服務(wù)于地理研究與地理決策。值得一提的是，GIS雖以計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)為外觀，但其內(nèi)涵為地理空間信息模型，主要由計(jì)算機(jī)程序與地理數(shù)據(jù)組合而成[2]。

（2）GIS應(yīng)用功能?；贕IS技術(shù)的應(yīng)用，水文地質(zhì)領(lǐng)域?qū)Φ乇硭Y源實(shí)現(xiàn)了科學(xué)分析與匯總統(tǒng)計(jì)，其具體功能為：①通過衛(wèi)星遙感系統(tǒng)運(yùn)用，在實(shí)現(xiàn)水文信息收集、分析、匯總以及分類的同時(shí)將其傳遞給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；②對(duì)于所獲數(shù)據(jù)信息，可利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)施分析與計(jì)算，進(jìn)而對(duì)水文資源的預(yù)測(cè)可因其發(fā)展情況的全面掌握而使效果更加；③依據(jù)GIS所獲取的大量水文地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)，使地下水資源規(guī)劃更加科學(xué)與精準(zhǔn)。

3 GIS技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）在地下水資源管理中的應(yīng)用。GIS技術(shù)在地下水資源管理方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)在地下水資源規(guī)劃、開采以及聯(lián)合調(diào)度方面，以此打造出決策管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下水資源的科學(xué)管理。與此同時(shí)，基于GIS技術(shù)的應(yīng)用，還可實(shí)時(shí)建立地下水資源管理模型，以此提升管理工作與決策工作成效，進(jìn)而通過水資源的合理利用而達(dá)到節(jié)約用水的效果。地下水資源管理過程中，GIS技術(shù)的具體應(yīng)用主要表現(xiàn)在利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用模型的建立來實(shí)施管理兩個(gè)方面。

（2）在繪制地下水位等位線圖中的應(yīng)用。對(duì)于地下水位等位線圖的繪制，利用GIS中的GRD模型或TIN模型可有效實(shí)施。其中，GRD模型是以相關(guān)數(shù)學(xué)模型為借助對(duì)雜亂分布的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化插值處理，以此獲取間距規(guī)則的數(shù)據(jù)點(diǎn)；而TIN模型則是按照一定要求將原始數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為三角形剖分，其后對(duì)其構(gòu)建鄰接拓?fù)潢P(guān)系，從而依據(jù)剖分特點(diǎn)實(shí)施等位線圖的繪制；另外，通過GIS中DEM模型的運(yùn)用，還可任意提取水文地質(zhì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)參數(shù)，并經(jīng)離散數(shù)據(jù)格網(wǎng)化處理后，系統(tǒng)便會(huì)將對(duì)應(yīng)范圍的地下水位等位線圖自動(dòng)生成，從而有效模擬地下水域流場(chǎng)情況，同還可具有針對(duì)性的從中選取注記參數(shù)、等值線層值與標(biāo)示線型等信息，以此更好地滿足實(shí)際需求；除此之外，通過GIS技術(shù)的運(yùn)用，還可繪制具有離散特征的地下水溫度場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)。

（3）在地下水水質(zhì)與污染物分析和評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。對(duì)于地下水水質(zhì)與污染物的分析與評(píng)價(jià)，GIS技術(shù)的應(yīng)用功能主要表現(xiàn)為：①對(duì)于區(qū)域性水質(zhì)分布特征的評(píng)價(jià)，通過GIS圖形管理技術(shù)與時(shí)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合所建立的地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型可有效實(shí)現(xiàn)；②通過DRASTIC模型與GIS技術(shù)的結(jié)合，可對(duì)地下水重金屬污染情況實(shí)時(shí)分析的同時(shí)評(píng)價(jià)其綜合風(fēng)險(xiǎn)；③針對(duì)淺層地下水防污情況，利用GIS技術(shù)所具有的空間分析、信息輸出以及制圖功能，可有效實(shí)現(xiàn)分區(qū)評(píng)價(jià)。

（4）在地下水資源水文調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用。分析實(shí)際情況可知，水文鉆探、水文物探和水文地質(zhì)測(cè)繪為水文地質(zhì)當(dāng)前調(diào)查的主要內(nèi)容，該過程基于GIS技術(shù)應(yīng)用可通過數(shù)據(jù)平臺(tái)與數(shù)據(jù)模型的建立來為其提供更加豐富的數(shù)據(jù)信息，以此促使調(diào)查效率得到提升，特別是將GIS與全球定位技術(shù)（GPS）和遙感技術(shù)（RS）結(jié)合后，還使地下水勘查與評(píng)價(jià)精度在極大程度上實(shí)現(xiàn)了提升。

（5）在地下水資源保護(hù)中的應(yīng)用。目前，我國(guó)對(duì)于地下水資源保護(hù)的研究，主要涉及水源保護(hù)區(qū)劃分、地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、非點(diǎn)源污染調(diào)查與評(píng)價(jià)以及地下水脆弱性評(píng)價(jià)等四個(gè)方面。其中在地下水脆弱性評(píng)價(jià)方面，其對(duì)地下水資源保護(hù)操作具有極為重大的意義，該過程通過DRASTIC模型與GIS技術(shù)的結(jié)合，以此打造出承壓水評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，使地下水脆弱性系統(tǒng)分析的成效因地下水保護(hù)評(píng)價(jià)更加科學(xué)而得到明顯提升，應(yīng)用效果表現(xiàn)良好。

4 GIS技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢(shì)

（1）有效集成地下水?dāng)?shù)值模型與GIS和RS。由于地下水?dāng)?shù)值模型的離散網(wǎng)格與GIS、RS柵格數(shù)據(jù)相似度較高，因此可進(jìn)行有效集成，并且GIS與RS擁有較為豐富的格柵信息，特別是RS還可提供實(shí)時(shí)信息，在土壤濕度（包氣帶地下水）與植被需水預(yù)測(cè)研究方面應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出，將地下水?dāng)?shù)值模型與GIS、RS集成可充分利用GIS空間數(shù)據(jù)處理與管理功能和RS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能，從而將現(xiàn)有的各類計(jì)算模型逐步轉(zhuǎn)化為以柵格為空間計(jì)算單元的分布式模型，以此實(shí)現(xiàn)地下水?dāng)?shù)值模型與GIS、RS的深度集成，使其更好地服務(wù)于水文地質(zhì)研究工作。

（2）基于GIS的地下水系統(tǒng)真三維或四維可視化研究。主要包括水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)態(tài)和模型運(yùn)行結(jié)果的真三維或四維顯示，該功能的實(shí)現(xiàn)不僅需要以三維、四維空間分析及顯示為功能的專業(yè)GIS軟件的支撐，同時(shí)還需確保擁有與之配套的真三維水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型。

（3）加強(qiáng)GIS與分布式水文模型的集成。在地下水與地表水聯(lián)合調(diào)度與管理方面，分布式水文模型發(fā)揮作用突出，就目前情況而言，我國(guó)分布式水文模型與GIS集成度相對(duì)較差，故此在加強(qiáng)二者集成的基礎(chǔ)上與地下水模型緊密結(jié)合，為GIS在地下水與地表水聯(lián)合調(diào)度方面的重點(diǎn)研究方向。

（4）應(yīng)用WEBGIS（地下水模型緊密結(jié)合）技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，WEBGIS技術(shù)日益受到地下水研究人員的重點(diǎn)關(guān)注，該技術(shù)通過建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了地下水?dāng)?shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享功能，使相關(guān)部門和研究人員能夠方便快捷地獲取區(qū)域甚至全國(guó)范圍內(nèi)的地下水信息數(shù)據(jù)，有利于在更大范圍地下水資源評(píng)價(jià)工作的開展。

（5）一體化“3S”（GIS、GPS與RS）技術(shù)?！?S”一體化技術(shù)的研究已成為數(shù)字水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展的主導(dǎo)方向，該技術(shù)的應(yīng)用使信息獲取更加快速和有效。RS技術(shù)（遙感信息）可為水文地質(zhì)工作者提供大量高分辨率、多波段及多時(shí)相的空間信息，綜合表現(xiàn)出豐實(shí)、實(shí)時(shí)以及宏觀等特征；GPS技術(shù)（全球定位系統(tǒng)）則可為水文地質(zhì)工作者快速、準(zhǔn)確的提供所需的定位信息。我國(guó)目前在地下水管理方面并未真正意義上實(shí)現(xiàn)3S一體化應(yīng)用，而是多以單項(xiàng)技術(shù)獨(dú)立應(yīng)用或是采用GPS+GIS、RS+GIS結(jié)合的模式，難以全面發(fā)揮3S技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[3]。

（6）基于GIS的地下水模型與MATLAB等開發(fā)環(huán)境的結(jié)合。MATLAB因其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和簡(jiǎn)單易懂的程序語(yǔ)言，能夠有效地編寫出地下水模型算法，并與GIS有機(jī)結(jié)合，可使地下水模擬更加直觀和高效。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GIS技術(shù)在水文地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用極大程度上推動(dòng)了該領(lǐng)域的革命信息，并且取得了顯著的應(yīng)用成果。其不僅使地下水資源評(píng)價(jià)與管理工作更具信息化和系統(tǒng)化，同時(shí)也使水質(zhì)評(píng)價(jià)及污染物分析更加可視化，有效實(shí)現(xiàn)了水文地質(zhì)調(diào)查工作的高效性與精確性。