基于GIS的石羊河流域地下水位變化情況分析

王萬(wàn)禎

摘 要 水資源管理研究與各水文要素的空間運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，GIS由于其強(qiáng)大的空間分析功能近年來(lái)被廣泛運(yùn)用于水文信息的空間分析研究中?；贕IS平臺(tái)，利用自動(dòng)化測(cè)報(bào)系統(tǒng)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水文空間信息的實(shí)時(shí)分析，有效解決人工分析不及時(shí)、繁瑣費(fèi)力、展現(xiàn)不直觀等問(wèn)題?；贏rcGIS軟件平臺(tái)，利用石羊河流域水資源調(diào)度管理信息系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)反距離加權(quán)插值法對(duì)石羊河流域地下水埋深進(jìn)行插值分析，繪制石羊河流域地下水埋深等值線圖，實(shí)現(xiàn)了石羊河流域地下水位變化情況的直觀展現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 石羊河；地下水；GIS；埋深等值線

中圖分類號(hào)：P641.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.12.089

大幅壓減地下水開(kāi)采量，遏制地下水持續(xù)下降是石羊河流域治理的重要措施和目標(biāo)。隨著石羊河治理工作的全面落實(shí)完成，石羊河流域生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)得到有效遏制，加強(qiáng)流域地下水控采監(jiān)督及地下水位變化分析，對(duì)鞏固流域治理成效，保障約束性目標(biāo)持續(xù)實(shí)現(xiàn)具有非常重要意義。流域地下水分析涉及空間信息分析，而對(duì)空間信息的管理與分析正是GIS的優(yōu)勢(shì)[1]。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用GIS對(duì)降雨[2-3]、氣象要素[4]、地下水埋深等進(jìn)行了廣泛的研究，如遲寶明等[5]利用等值點(diǎn)的插值、追蹤等處理等手段，開(kāi)發(fā)了基于MapObject的地下水水位等值線圖自動(dòng)生成程序。高志鴻等[6]利用GIS進(jìn)行等值線繪制流程建模，并利用該模型繪制完成了公主嶺市地下水埋深等值線等，用于水資源信息的監(jiān)測(cè)分析。因此，基于GIS平臺(tái)和地下水位實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，利用反距離加權(quán)插值法繪制石羊河流域地下水位等值線，實(shí)現(xiàn)石羊河流域地下水實(shí)時(shí)情況的直觀展現(xiàn)和不同時(shí)段的變化對(duì)比分析，對(duì)提高流域水資源管理具有重要意義。

1 石羊河流域概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，東經(jīng)101°41′～104°16′、北緯36°29′～39°27′，總面積約為4.16萬(wàn)km2。全流域可分為南部祁連山地、中部走廊平原區(qū)、北部低山丘陵區(qū)及荒漠區(qū)四大地貌單元。南部祁連山地，海拔2 000～5 000 m；中部走廊平原區(qū)，包括大靖、武威、永昌三個(gè)盆地，海拔1 400～2 000 m；北盆地包括民勤盆地、金川-昌寧盆地，海拔1 300～1 400 m。石羊河流域自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營(yíng)河、東大河和西大河8條河流及多條小溝小河組成，河流補(bǔ)給來(lái)源為山區(qū)大氣降水和高山冰雪融水，產(chǎn)流面積1.11萬(wàn)km2，多年平均徑流量15.60億m3。石羊河流域分可為大靖河水系、六河水系及西大河水系3個(gè)獨(dú)立的子水系。流域地表水主要來(lái)自降水和冰川融水，地下水資源來(lái)自降水、凝結(jié)水補(bǔ)給量和側(cè)向流入量。

2 石羊河流域地下水位等值線分析與繪制

2.1 等值線生成原理

地下水埋深等值線圖是水利決策服務(wù)中常用的水利要素顯示方式，能直觀地反映地下水埋深的空間分布情況，便于分析和判斷。利用ArcGIS Server發(fā)布Geoprocessing Services，通過(guò)調(diào)用服務(wù)用戶可以根據(jù)提供的要素集自動(dòng)處理并生成要素集的等值線，并自動(dòng)顯示。由點(diǎn)要素集生成等值線基本步驟：對(duì)點(diǎn)要素集進(jìn)行插值（本文選用反距離加權(quán)插值法進(jìn)行空間插值）；由插值后的柵格數(shù)據(jù)集生成等值線，等值線的分布可顯示出數(shù)值在整個(gè)表面的變化情況。數(shù)值的變化量越小，線的間距就越大。數(shù)值上升或下降得越快，線的間距就越小。

2.2 反距離加權(quán)插值法

反距離加權(quán)插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）是基于相似相近的原理，使用預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)已知的樣點(diǎn)值來(lái)預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)樣點(diǎn)以外的位置的值。距離預(yù)測(cè)點(diǎn)最近的樣點(diǎn)要比距離預(yù)測(cè)點(diǎn)稍遠(yuǎn)的樣點(diǎn)值的影響大。因此，反距離加權(quán)法假設(shè)各已知樣點(diǎn)對(duì)預(yù)測(cè)點(diǎn)值的預(yù)測(cè)都有局部性的影響，其影響隨著距離的增加而減小[7]。

反距離加權(quán)法的通用公式如下：

其中，為s0處的預(yù)測(cè)值；N為預(yù)測(cè)計(jì)算過(guò)程中要使用的預(yù)測(cè)點(diǎn)周圍樣點(diǎn)的數(shù)量；λi為預(yù)測(cè)計(jì)算過(guò)程中使用的各樣點(diǎn)的權(quán)重，該值隨著樣點(diǎn)與預(yù)測(cè)點(diǎn)之間距離的增加而減??；Z（si）是在si處獲得的樣本點(diǎn)的值。

確定權(quán)重的計(jì)算公式為：

其中，P為指數(shù)值；dio是預(yù)測(cè)點(diǎn)s0與各已知樣點(diǎn)si之間的距離。樣點(diǎn)在預(yù)測(cè)點(diǎn)值的計(jì)算過(guò)程中所占權(quán)重的大小受參數(shù)p的影響；也就是說(shuō)，隨著采樣點(diǎn)與預(yù)測(cè)值之間距離的增加，標(biāo)準(zhǔn)樣點(diǎn)對(duì)預(yù)測(cè)點(diǎn)影響的權(quán)重按指數(shù)規(guī)律減少。

2.3 石羊河流域地下水埋深等值線繪制

基于ArcGIS軟件平臺(tái)，以70眼地下水位監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為觀測(cè)樣點(diǎn)，生成shapefile圖層后，在ArcToolbox模塊下3D Analyst Tools中采用反距離加權(quán)插值法進(jìn)行柵格空間插值。利用空間分析工具（Spatial Analyst Tools）中的提取分析模塊，選定提取范圍邊界，輸出給定范圍的插值柵格；打開(kāi)柵格表面（Raster Surface）下的等值線模塊，在輸入柵格中輸入掩膜提取后的柵格，設(shè)置等值線間距10 m及等值線起始值10 m，即輸出折線要素形式的等值10 m；利用制圖工具（Cartography Tools）中的制圖綜合選項(xiàng)，選擇平滑線工具，輸入平滑容差1 m，對(duì)整個(gè)等值線圖層進(jìn)行平滑處理，即可輸出較為平滑的等值線。根據(jù)不同顏色標(biāo)注不同埋深的區(qū)域，可直觀的顯示整個(gè)流域的地下水埋深情況，取某一時(shí)間段數(shù)據(jù)，可生成以70眼代表性監(jiān)測(cè)井為樣點(diǎn)的流域地下水相對(duì)地面的埋深情況圖，如圖1～4所示。

圖1～4較為直觀地展現(xiàn)了石羊河流域2015年、2016年12月及2017年第二季度、第四季度地下水位相對(duì)地面的埋深情況（南部祁連山地區(qū)域無(wú)監(jiān)測(cè)井，形成的等值線不作為以下參考分析依據(jù)）。由各圖可知，總體石羊河流域地下水埋深：民勤盆地地下水位埋深在30 m范圍內(nèi)，其中湖區(qū)范圍10 m以內(nèi)（局部在3 m以內(nèi)）；武威、永昌、金川-昌寧盆地大部分區(qū)域地下水埋深在50 m范圍內(nèi)，局部區(qū)域在50～100 m范圍內(nèi)。武威盆地的古浪縣土門鎮(zhèn)湖邊村、永昌盆地的永昌縣六壩鄉(xiāng)下排村和紅山窯鄉(xiāng)紅山窯村、金川-昌寧盆地的金川寧堡下四分村以4處監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為中心輻射周邊地下水埋深達(dá)到100 m以上。

根據(jù)圖1～4不同年度同期、同年度不同時(shí)段GIS等值線圖無(wú)明顯變化和各盆地2015—2017年度代表性監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)埋深數(shù)值大部分小范圍波動(dòng)，個(gè)別規(guī)律性變小，可推斷近3年石羊河流域水位整體趨于穩(wěn)定，局部有所回升。根據(jù)流域相對(duì)灌溉高峰期地下水埋深圖（圖3）和非灌溉高峰期埋深圖（圖4）對(duì)比分析可知，流域地下水在第一、四季度非灌溉高峰期地下水位有所回升，而在第二、三季度灌溉高峰期地下水位有所下降。通過(guò)流域地下水時(shí)空分析表明，石羊河流域地下水下降趨勢(shì)得到有效遏制，整體趨于穩(wěn)定，局部有所回升，而灌溉、生產(chǎn)工農(nóng)業(yè)用水依然是影響流域地下水變化的主要因素之一。

3 結(jié)論與展望

基于ArcGIS軟件平臺(tái)，利用反距離加權(quán)插值法和70眼監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)石羊河流域整體地下水埋深情況的直觀展現(xiàn)，有效的解決了人工分析不及時(shí)、繁瑣費(fèi)力的問(wèn)題。此外，選擇2015—2017年地下水等值線圖分析表明，年度同期對(duì)比同值線附近顏色大部分無(wú)明顯變化，局部顏色變淺，說(shuō)明石羊河流域地下水下降趨勢(shì)得到有效遏制，趨于穩(wěn)定；枯水期流域上游和灌溉生產(chǎn)高峰期流域下游顏色略有加深，說(shuō)明水位略有下降。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳鎖忠，常本春，黃家柱，等.水資源管理信息系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2] 劉武，懷志軍.ArcGIS在繪制降雨徑流等值線過(guò)程中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015，21（7）：118-120.

[3] 高歌，龔樂(lè)冰，趙珊珊，等.日降水量空間插值方法研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18（5）：732-736.

[4] 馬軒龍，李春娥，陳全功.基于GIS的氣象要素空間插值方法研究[J].草業(yè)科學(xué)，2008，25（11）：13-19.

[5] 遲寶明，李治軍，葉勇，等.基于GIS的地下水水位等值線圖自動(dòng)生成算法研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2007，37（2）：261-265.

[6] 高志鴻，劉航.ArcGIS在地下水埋深等值線繪制過(guò)程中的應(yīng)用[J].吉林水利，2017（1）：22-25.

[7] 汪旸.地理信息系統(tǒng)（GIS）在研究江蘇省地方性氟中毒流行中的應(yīng)用[D].南京：東南大學(xué)，2004.

（責(zé)任編輯：趙中正）