14第十四章新技術(shù)方法在本文地質(zhì)工作中的應用2

第十四章 新技術(shù)方法在水文地質(zhì)工作中的應用第一節(jié) 遙感技術(shù)在地下水研究中的應用遙感技術(shù)之所以能被應用于地下水研究，是因為該技術(shù)能夠顯示地表特征，同時航空地球物理學還能夠提供地面以下的信息。遙感技術(shù)在地下水研究中的應用主要有以下幾個方面：第一，遙感圖像顯示地表特征。到目前為止，遙感獲取的地下水信息大多是通過定性推理和半定量的方法獲取的，并與水文地質(zhì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，使其具有實際意義。一般來說，遙感中應用的電磁波來源于地表或地表以下較淺土層（少于1m）的輻射或反射，因此，利用遙感不能直接探測深層含水層。但是，遙感技術(shù)為水文地質(zhì)工作者提供了常規(guī)地球物理方法以外的一種有效方法，即可以通過航空和衛(wèi)星像片解譯得到的地表特征來推測含水層的位置。從衛(wèi)星圖像中還可以獲取地面調(diào)查甚至低空航空像片所無法得到的地面信息。在植被或灌木層覆蓋稠密的地區(qū)，雷達能穿透地表覆蓋物，顯示地表特征，因此雷達圖像在揭示地形起伏和地表粗糙度方面很有價值。第二，航空地球物理學（如航空磁測調(diào)查）能提供地面以下的信息，但其分析結(jié)果不唯一，因此，必須對所獲得的數(shù)據(jù)進行合理解釋。非地面的微波傳感器具有一定的穿透能力，但僅能獲取一定條件下的信息，如粗粒物質(zhì)、地質(zhì)條件簡單和水位較淺的地區(qū)的信息。在一些特殊情況下，微波圖像能呈現(xiàn)沙漠中部分被掩埋的古河網(wǎng)，從熱紅外圖像上能直接識別裂隙帶。航空像片初步用于地下水的探測已經(jīng)有多年的歷史，近年來逐漸被衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)取代，特別是陸地衛(wèi)星Landsat系列。衛(wèi)星圖像可以提供區(qū)域的概略特征、大尺度區(qū)域的地表特征，這些信息在航空圖像和地面調(diào)查中往往不易獲取。通過衛(wèi)星圖像可以推斷出地層結(jié)構(gòu)及地層中巖石成分等。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，可根據(jù)衛(wèi)星圖像上的地面采樣點進行插值，再與單獨進行野外調(diào)查的方法相比，就能更準確地確定地表結(jié)構(gòu)，同時更加經(jīng)濟。總體來說，對航空像片或衛(wèi)星圖像的分析應該在實地調(diào)查之前進行，這樣可以排除貧水地層，確定需進一步調(diào)查的區(qū)域。通過遙感數(shù)據(jù)能夠提取的地下水信息量的多少，取決于區(qū)域地質(zhì)、氣候條件和地表覆蓋類型等因素。在干旱和半干旱區(qū)，地表覆蓋物較少，很容易從遙感圖像上解譯地質(zhì)特征；在有植被覆蓋的地方，由于地表覆蓋物和下伏地層之間聯(lián)系緊密，因此航空和衛(wèi)星圖像的解譯結(jié)果需要結(jié)合實地調(diào)查來驗證。斷層、斷裂帶和其他線性構(gòu)造的存在表明可能含有地下水。同樣，沉積地層或特定地層的露頭，表明可能存在隱伏型的含水層。由于遙感方法主要限于地表特征的研究，因此利用遙感技術(shù)研究地下水的第一步主要是對地表特征和地貌形態(tài)進行描述。淺層地下水可以通過土壤含水量、植被類型變化和模式來推定。在一個流域盆地中，地下水的補給區(qū)和排泄區(qū)可以通過土壤、植被和淺層含水層或上層滯水的特征來推測。遙感監(jiān)測地表溫度變化的技術(shù)已經(jīng)用于推斷和確定淺層地下水和泉水。這些溫度的變化主要是由地下水的高熱容量在夏季產(chǎn)生熱沉，在冬季產(chǎn)生熱源所導致的。近地表的土壤、土壤水分和植被溫度快速響應氣象條件，而地下水的溫度變化則以日和季節(jié)為周期而衰減。合成孔徑雷達數(shù)據(jù)（SAR）在地下水監(jiān)測中也有很大的應用潛力，特別是在干旱和極干旱地區(qū)，長波雷達的穿透能力和雷達探測土壤含水量的能力，使得SAR在干旱區(qū)地下水探測中成為一個很有價值的工具。機載側(cè)視雷達（SLAR）已經(jīng)成功地用于編制全球范圍的構(gòu)造特征圖，而在此之前由于永久云層的覆蓋或厚植被的影響，全球范圍的構(gòu)造特征圖一直沒有編制成功。與此同時，構(gòu)造特征圖還可以用陸地衛(wèi)星來輔助解譯。一、衛(wèi)星圖像在地下水研究中的意義衛(wèi)星圖像包含了許多地質(zhì)和水文信息，但這些信息必須通過對圖像進行分析和解譯才能獲得。解譯的參數(shù)包括地貌類型、排水模式、植被特性、土地利用方式、線性和彎曲的構(gòu)造特征以及圖像色調(diào)和紋理等。在干旱區(qū)，植被特性可能反映地下水的深度和水質(zhì)狀況。衛(wèi)星數(shù)據(jù)是全球范圍制圖和地質(zhì)調(diào)查的唯一數(shù)據(jù)源，其他信息源或不存在或不精確。分析衛(wèi)星圖像是區(qū)域研究中最有效的方法，也是快速、經(jīng)濟地獲取地下水信息的方法。區(qū)域范圍大、分辨率低的圖像，比單點的測試并更適合獲取總體含水層信息。對陸地衛(wèi)星或SPOT圖像解譯的意義在于：1）可減少不必要的實地勘探；2）更詳細地確定需研究和實地調(diào)查的區(qū)域；3）獲取新的、更好的地質(zhì)和水文信息；4）具有其他勘探方法所不能實現(xiàn)的大區(qū)域視野。然而，需要強調(diào)的是，遙感僅僅是一種提供信息源的手段，它不能取代地下水調(diào)查常用的傳統(tǒng)技術(shù)方法，如地面的地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查、地面物探等，但由于衛(wèi)星圖像某些獨特的特性，使它在地下水勘察方面具有特殊的價值。二、遙感圖像分析原理衛(wèi)星圖像是地表特征的本質(zhì)反映，由反映景觀的自然、生物結(jié)構(gòu)和人文特征要素組成。這些要素是圖像分析的線索。相似要素的組合能反映相似的水文地質(zhì)狀況。水文地質(zhì)工作者的任務是對具有地質(zhì)和水文意義的各種要素的組合進行判斷、描繪、確定和分類，這必須遵循圖像解譯的原則，充分利用圖像的特征，如色調(diào)、色彩、紋理、圖案、大小、形狀、位置、高程和關(guān)聯(lián)性等。圖像分析的過程是解譯，景觀特性可劃分為以下幾個類型：1）地形在地球表面是一個可識別的自然特征（如基巖山地、火山、沖積扇、冰川特征）。例如，可以認為地下水與地表水的流向一樣，從坡度高的地方流向坡度低的地方，沿著沖積扇向下流動；在大的流域盆地，可以認為粗顆粒物質(zhì)是由排水系統(tǒng)遷移產(chǎn)生，被細顆粒物質(zhì)和透水性較小的物質(zhì)所覆蓋。2）排水特性包括盆地的大小和形狀、排水模式和密度、河谷形狀、河道位置和支流的角度，基巖的裂隙和斷裂也影響排水方式。3）地表植被（包括自然和人為植被）類型和土壤類型。河谷或盆地內(nèi)植被密集說明水分條件適宜，地下水離地表較近。一般地，岸邊植被和濕地植被在假彩色圖像上顯示為鮮紅色，而旱生植被可能顯示為褐色且分布稀疏。4）許多類型景觀的外貌呈直線或輕微的曲線。許多線狀特征在圖像上不連續(xù)，需擴展或連接。5）曲線勻稱，如圓形、橢圓形或精確的形狀。其分析與線形類似。6）排水方式的密度、紋理明顯。紋理細的排水系統(tǒng)說明排泄區(qū)由細顆粒沉積物組成，下滲相對緩慢。下滲最大的地區(qū)主要是河流沿岸。三、圖像的選擇用于地下水分析的遙感圖像的選擇標準與遙感應用不同，圖像的正確選擇可以大大促進地下水的勘察。對于陸地衛(wèi)星 Landsat TM圖像或SPOT圖像，波段和成像時間的選擇很重要。根據(jù)經(jīng)驗，圖像選擇時要遵守以下原則：選擇太陽高度角低的圖像。當太陽高度角相對較低（低于45°）時，地表形態(tài)和一般的地形特征由于地形陰影而得到增強。選擇黑白的紅外圖像。對于陸地衛(wèi)星Landsat圖像，7波段圖像適宜描述景觀特征而不會被植被的色調(diào)所混淆。至少選擇一幅假彩色圖像。假彩色組合在突出植被類型和模式的同時，顯示地表形態(tài)和排水模式，最大地突出了各種植被類型之間的差異。植被密度和亮度是分析地下水位置和邊界的線索。在干旱季節(jié)的圖像上，濕生植被顯示為鮮紅色，而水分條件不適宜的植被則呈現(xiàn)暗紅色或褐色。選擇兩幅來自不同軌道的黑白圖像。兩幅不同軌道（和日期）的圖像，能呈現(xiàn)研究區(qū)域粗略的立體場景。把軌道偏移或有輕微偏差的圖像沿著軌道航跡進行疊加能體現(xiàn)出立體效果。雖然圖像不能用于制作高精度的高程圖，但可確定坡度和地表形態(tài)，這對于SPOT圖像更為重要，因為獲取SPOT圖像的傳感器不是垂直方向的。目前，航空像片和衛(wèi)星圖像的解譯應用最多。在許多情況下，對遙感像片特殊波段的分析可以解決特定的問題。下面介紹幾種不同的遙感數(shù)據(jù)應用的實例：1淺部含水層沖積階地沉積物和冰積物是地下水賦存的良好場所，這些階地沉積物可以通過它們與土地覆蓋和排水條件的關(guān)系來識別。因此，牛軛湖和老河道的出現(xiàn)是沖積物沉積層的指示標志。 Zigich和 Kolm于 1982年驗證了陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)在美國東南達科他地區(qū)快速、經(jīng)濟地確定冰積前河谷位置的方法。將冬季時相的Landsat波段5和波段7圖像假彩色鑲嵌后，根據(jù)其呈現(xiàn)的形狀、排水模式和色調(diào)模式，可以推斷埋藏谷的存在與否。淺層地下水可以通過地表植被類型、分布模式的變化來推斷。文化特征諸如農(nóng)業(yè)耕作現(xiàn)狀也能推斷含水層的存在。Myers和Moore于1972年在James河流低地的研究中指出，谷物是邊緣區(qū)的主導作物，而牧場和苜蓿是階地和河漫灘主要的土地利用類型。在近年的研究中，Rahn和Moore于1981年用多時相的Landsat圖像編制了近地面冰積含水層圖。其解譯結(jié)果主要是根據(jù)不同作物的反射光譜的相似性來獲得的。因此，一個排水盆地的地下水補給區(qū)和排泄區(qū)可以根據(jù)土壤、植被、淺層或滯水含水層的位置來推斷。通過對熱輻射圖像中近地表地下水溫度差異的分析，可確定沖積沉積物、淺層地下水、泉和排泄區(qū)。利用熱紅外數(shù)據(jù)，選擇適當?shù)募竟?jié)和日期，可以推斷淺層地下水的存在。然而，蒸散發(fā)速率不同的植被覆蓋、地形和其他環(huán)境因素常常會影響圖像的解譯結(jié)果。Heilman和Moore于1982年通過HCMM數(shù)據(jù)的經(jīng)驗估算得出了地表溫度和地下水埋藏深度之間的關(guān)系。通過地表溫度可以推測地下水埋深。對砂壤土模擬研究的結(jié)果顯示：地下水埋深小于90cm的情況下可以探測，而地下水埋深大于90cm的情況則不能探測。這個結(jié)果是在特定的條件下，通過土壤水分和溫度模型模擬得到的。如果沒有這種模型，則很難區(qū)分地下水位是受地形起伏還是受氣象因素的影響。SAR數(shù)據(jù)在干旱和極度干旱區(qū)淺層地下水探測的應用潛力已經(jīng)由SARA和SARB圖像所證實。長波雷達有很強的穿透能力，尤其適用于干旱地區(qū)。SARA數(shù)據(jù)在撒哈拉沙漠應用效果很好。從SARA所得到的圖像上可以看到廣闊的被沙漠所掩埋的河谷和小河道網(wǎng)。這些現(xiàn)象在以前的觀測中從來沒有發(fā)現(xiàn)過，主要是由于排水網(wǎng)絡在可見光傳感器中被阻擋。根據(jù)土壤水分也能判明淺層地下水的存在。2團體地質(zhì)介質(zhì)巖石中的主要含水層或含水帶區(qū)域是沿著斷層和裂隙帶存在的，因為這些地方水力傳導率和潛在的蓄水量較大。斷層和裂隙在地表上的分布，在航空像片和衛(wèi)星圖像上常呈線狀或曲線狀，可以分辨。當然，不是所有的線狀特征都是斷層或裂隙，因此，只能依靠背景信息選擇最可能的線狀特征。目前，有許多研究嘗試減少圖像解譯的人為主觀性。已有人嘗試應用空間濾波方法（如Hough變換）確定線狀特征，但其圖像經(jīng)常出現(xiàn)由錯誤解譯得到的偽信息。 Kaufman等于 1986年應用高空間分辨率的衛(wèi)星圖像（Landsat TM）輔助水文地質(zhì)研究，確定了希臘的伯羅奔尼撤喀斯特巖溶地區(qū)地下水的排水模式。他們將TM圖像1、4、7波段進行組合，根據(jù)所得圖像的紋理和植被密度特征確定巖性單元。由于從喀斯特地區(qū)排出的淡水流向Argos海灣，因此可以確定主要的地下水流路徑。TM熱波段還可以監(jiān)測近海區(qū)水下的泉。Landsat數(shù)據(jù)的解譯已經(jīng)成為全球范圍水文地質(zhì)研究的一個有價值的工具。Gurney等于 1982年用衛(wèi)星數(shù)據(jù)在博茨瓦納的喀拉哈里高原輔助地下水資源評價，野外調(diào)查隊將衛(wèi)星數(shù)據(jù)和有限的航空像片相結(jié)合，從而研究下伏砂石含水層的地質(zhì)特征。Zall和 Russell于 1981年應用陸地衛(wèi)星圖像 Landsat數(shù)字增強和數(shù)字拉伸技術(shù)。數(shù)字增強處理增加了由于巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造和土壤水分等因素引起的稀少色調(diào)的灰度級。數(shù)字拉伸技術(shù)也增強了線性特征、裂隙、斷層和排水河道的特征，這些特征在沒有經(jīng)過處理前是很難判斷的。雷達對地表粗糙率和地形起伏較敏感，因此可以用于監(jiān)測巖性、地表形態(tài)和構(gòu)造運動。雷達有穿過云層和植被覆蓋的能力，這使它成為全球范圍大尺度制圖和地質(zhì)調(diào)查的工具。盡管雷達只能直接探測淺層地下水，但在監(jiān)測人類難以到達地區(qū)的地表形態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造工作中的應用，使它成為監(jiān)測地下水的有力工具。四、遙感技術(shù)在區(qū)域地下水資源評價中的應用遙感技術(shù)在區(qū)域地下水資源評價中的應用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：水文地質(zhì)條件的概化。根據(jù)地表和地下地質(zhì)現(xiàn)象，建立三維水文地質(zhì)框架；估計區(qū)域地下水面；最后，通過地下水流識別系統(tǒng)，建立概念性的地下水模型（特別是在地下水的補給區(qū)和排泄區(qū)）。水均衡。一旦概念性模型建立完畢，就意味著已經(jīng)考慮了所有可以獲取的信息以及地質(zhì)、地下水位和基流數(shù)據(jù)，并討論了邊界上的補給量、蒸散發(fā)損失量和地下水灌溉量等。如果研究區(qū)包含以下兩個特性必通過遙感資料可以推斷出該地區(qū)的空間分布；地下水資源稀缺，并受地表狀況的影響，如土地覆蓋、土地利用。則可以把這個地區(qū)看作是補給區(qū)。1三維水文地質(zhì)條件三維水文地質(zhì)條件通過圖像解譯和實地水文地質(zhì)勘察得到，可由鉆孔柱狀圖和地球物理數(shù)據(jù)等融合而成。目前，許多研究已經(jīng)闡述了如何應用圖像解譯進行水文地質(zhì)制圖和定性評價。第四系沉積物在地質(zhì)圖中不易區(qū)分。由于第四系沉積物在遙感圖像上比較容易區(qū)分（特別是在干旱區(qū)），所以常通過解譯遙感圖像來制圖。對于第四系火山地貌，識別其地表形態(tài)和分割程度的難易與相對年代有密切的關(guān)系。火山的年代與其緊實程度有密切的聯(lián)系，這反過來也影響透水性、基流和總補給。2地下水面一年中某個時期地下水位的重構(gòu)，需要利用地形圖、水井的水頭數(shù)據(jù)和基流信息來區(qū)分因地下水和河流之間的相互作用而引起的河流入流或出流。水頭高程必須精確，常見的問題是沒有實地的勘察資料又要確定其高程大小。這時利用角反射器、雷達干涉技術(shù)可以提高精度。否則，兩次記錄的圖像之間的地表狀況（水分含量、植被等）就不會發(fā)生變化。圖像解譯能確定哪些區(qū)域是地下水位較淺的地區(qū)。這主要是由于地下水在地表或近地表的出現(xiàn)是由地形洼地、靜態(tài)的潛水水位或上升的地下水流系統(tǒng)的出流造成的，它們能對植被、土壤相對含水量、土地利用或排水系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這些信息都能在遙感圖像上識別出來。如果要了解區(qū)域特征，植被可以作為一個指示器，植被類型能從遙感圖像上識別。例如，在歐洲的地中海地區(qū)，河邊柳樹、白楊和夾竹桃是淺層地下水的指示器。在河間地的硬巖地帶，沒有地下水濕生植物，說明地下水狀況較差。地形特征也能作為地下水的指示，例如，小沼澤、濕地、湖泊和滲流區(qū)；高密度排水和河流的轉(zhuǎn)化區(qū)域；季節(jié)性的砂質(zhì)河床由寬到窄的變化區(qū)域；蜿蜒曲折的常年流水的小溪流等。在區(qū)域水文地質(zhì)研究中，封閉或半封閉狀態(tài)下的承壓水的信息時常缺乏或僅僅在抽水的含水層中才有。潛水區(qū)或承壓水區(qū)能通過水文地質(zhì)推理獲得。但也需要實地觀測，遙感圖像僅僅能間接地提供這方面的信息。值得注意的是地下水面的重建是人工操作的過程，需要有足夠多的監(jiān)測數(shù)據(jù)點，在這種情況下，采用內(nèi)插的方法才有意義。有兩點需要注意：經(jīng)常耕作的區(qū)域，地下水位較淺，一般為13m，但在遙感圖像上卻沒有明確的顯示；在山區(qū)，判斷淺層地下水是否是上層滯水、季節(jié)性的或是否是地下水體的黏著面，可以通過遙感圖像解譯，結(jié)合實地勘察的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)解決。3地下水流系統(tǒng)地下水流系統(tǒng)理論的提出應歸功于Toth（1962年），因為他提供了水文地質(zhì)遙感圖像深入解譯的背景。據(jù)估計，一個盆地5%30的地表區(qū)域由地下水流出區(qū)組成。在水文地質(zhì)數(shù)據(jù)缺乏的地區(qū)，橫斷面特征顯著的簡單二維水流模型能輔助水文地質(zhì)遙感圖像的解譯。通過不同的假設，模型的結(jié)果常能幫助我們從不同的視角對遙感圖像進行處理。更深一步講，模擬指導實地研究。例如，在印度尼西亞的火山山坡，地下水出流的分布可以通過灌溉的稻田來反映，因其稻田常用出流的地下水來灌溉，干旱季節(jié)的河流可用于觀測基流。這些數(shù)據(jù)資料（如與水平和垂直透水性有關(guān)的火山地質(zhì)狀況和地下水位）可以作為所建立模型的幾何輸入值。此時建立模型需不斷調(diào)整參數(shù)，直到模擬的出流率與實地觀測值一致。比利時學者Batelaan于1993年曾利用遙感來做過相應的研究，其模擬的出流區(qū)和植被響應之間的一致性較好。如果上升的地下水和周圍干旱區(qū)域的溫度存在差別，通過高空間分辨率的衛(wèi)星（如 TM的 6波段）或航空熱波段可研究地下水的流出區(qū)。在寒冷季節(jié)，地下水出露地區(qū)比周圍地區(qū)的溫度要高，而夏季正好相反。但是熱波段遙感圖像難以解譯這種現(xiàn)象，通常要與多波段圖像進行對比。其中植被可能會對研究結(jié)果有一定的影響，在溫度較低的情況下（實際上是低反射率），植被高蒸騰的地區(qū)不能被認為是地下水的出流區(qū)。在熱輻射圖像上，如果地下水上升區(qū)的海面濃度低而周圍海面濃度高，這時熱輻射對比明顯，那么海濱地帶地下水的滲漏或上升就可以通過遙感圖像監(jiān)測。如果含水層中的地下水處于受壓狀態(tài)，與海水面相距較遠，并且有較好的區(qū)域水流路徑，如斷層裂隙和喀斯特空隙等，那么就會發(fā)生這種現(xiàn)象。4永均衡分析在上述討論的基礎(chǔ)上，可進一步進行地下水易污性評價。如果數(shù)據(jù)資料充足，就可應用地下水數(shù)值模型。遙感解譯可用于評價地下水上層邊界狀況，特別是在地下水灌溉和補給規(guī)劃中的評價。5地下水灌溉規(guī)劃在許多地方，缺乏地下水灌溉規(guī)劃，所以需要開發(fā)一個地下水模型，故要求同時有穩(wěn)定態(tài)和瞬時態(tài)的信息。操作步驟是：第一步確定灌溉面積；第二步計算作物蒸散發(fā)量。如果時相選擇適當，灌溉面積的大小可以通過多光譜衛(wèi)星遙感圖像確定。正在灌溉的作物和非灌溉的植被覆蓋區(qū)在圖像上有明顯的差別。如果在直方圖中分割高植被覆蓋度（NDVI）值和低NDVI值，花崗巖地區(qū)使用地下水灌溉的作物在圖像上就顯示為白色。如果情況更復雜，就需要運用多光譜遙感圖像的監(jiān)督分類來確定地下水的灌溉區(qū)。河流灌溉和地下水灌溉區(qū)不易區(qū)分，通常需要實地勘察。根據(jù)Doorenbos和 Pruitt于 1977年提出的方法，計算作物蒸散發(fā)量，通常需要首先確定作物的生長階段，并為每一種作物在每個生長階段確定一個生長系數(shù)。6地下水補給當采用土壤水分平衡方法計算地下水補給量時，遙感信息的提取主要用于空間信息的估算。 （14.1）水平衡方程可寫為式中：R補給量；P降水量；Ic植被阻截；Qd直接徑流；ESW水體和濕潤土壤的蒸發(fā)量；a系數(shù)，指土壤水分小于田間持水量時的土壤蒸發(fā)量，土壤濕潤的狀況下，a=1；Tr蒸散發(fā)量。雖然這個方程形式簡單，但確定植被阻截率和實際的蒸散發(fā)率卻是水文學中著名的難題。遙感能確定水體、植被類型和密度、裸露的土壤、基巖表面和直接徑流的相對信息。除了通常的水平衡外，還有其他特殊的特征（如模型運行的條件、河床損失等）都影響補給。確定地下水補給的方法如下：（l）定性法在水文地質(zhì)實踐中，通常把含水層看作是均勻分布的、經(jīng)驗估計的補給量。雖然，定性方法估計補給量可以使我們認識到補給的空間差異，不同土壤覆蓋層單元的區(qū)域地貌特征可通過對遙感圖像特別是立體航空像片的可視化解譯來獲得，但地表覆蓋層的質(zhì)地和深度需要實地調(diào)查。通過對每一個自然地理單元具有的地貌、土壤特性或植被特性的研究編制單元和屬性圖，但需要有一個轉(zhuǎn)換函數(shù)把氣象和地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地下水補給數(shù)據(jù)，這也正是最難的地方。其中一種轉(zhuǎn)換方法為研究類似地區(qū)的文獻數(shù)據(jù)或進行適當?shù)囊巴饪辈?，同時還需要加入特定的地形特征，如微排水方式等。總的來說，當制圖單元僅僅限制在3類或4類時，偏差最小，單元信息選擇除了“高”補給、“低”補給，剩下的就是“中間”結(jié)合，直到能獲取更多的信息。砂礫沉積層、裂隙程度高的巖石露頭、地表有喀斯特的石灰?guī)r單元等，都能從遙感圖像上確定。在干旱條件下，這些單元地下水的補給實質(zhì)上是年降水的一部分。沒有或很少有補給的區(qū)域是地下水的出流區(qū)、淺層土壤或巖層露頭的溢出區(qū)。其他能夠用地形進行區(qū)別補給的主要是具有傳輸損失的河床。透水性能好的地層，如裂隙度高的巖石和砂礫質(zhì)的沖積物，能從航空航天圖像上識別并制圖。如果能進行同位素測定，將其結(jié)果與制圖結(jié)果聯(lián)系起來是很有價值的。這些區(qū)域新老水體同時存在，老水體只存在于不透水層中。因此，在水流系統(tǒng)中必須考慮同位素的測定結(jié)果。把已有的地質(zhì)圖、空間降水圖和少量河流觀測點相結(jié)合，考慮圖像解譯的植被分布特征和自然地理解釋，定性研究地下水補給的空間分布特征。(2）半經(jīng)驗法既然植被可以通過遙感圖像快速地識別和制圖，并且精度也很高，可通過研究植被來研究補給。理論上對植被增加補給存在正反兩方面的爭辯。正面的觀點認為由于植被覆蓋在土壤表層形成了有利的微氣象條件，土壤蒸發(fā)率低而增加了下滲率，增加了土壤有機質(zhì)含量，地表不會出現(xiàn)結(jié)皮。另外，腐爛的植物根系還為地下水滲漏提供了良好的通道。反面的觀點則對蒸散發(fā)速率提出質(zhì)疑，認為下滲的水可能全部用于蒸散發(fā)，深層根系會吸收來自潛水面的水分。Rosenzweig于1972年得出結(jié)論：石灰?guī)r地區(qū)（年降雨量為 672mm），密集的灌木叢的蒸散發(fā)消耗了所有的降水，而一年生的草地蒸散發(fā)量僅280mm，因此余下的主要用于地下水補給；Finch于 1990年通過對博茨瓦納的一個區(qū)域進行研究認為，在 NDVI植被指數(shù)圖上的密集植被，至少臨時的土壤水分和部分降水有可能到達地下水面。降雨強度和歷時會影響研究結(jié)果。土壤的透水性也會影響對地下水的補給。通過對澳大利亞砂質(zhì)環(huán)境的研究顯示，只要降雨量不是很少（如小于200mm），草地、闊葉樹和松樹三種植被就會增加地下水補給，在非砂質(zhì)環(huán)境很少有可對比的數(shù)據(jù)； Bosch和 Hewlett于1982年對大量成對的實驗流域類似的蒸散發(fā)的研究結(jié)果進行了論述，盡管這些結(jié)果主要是有關(guān)非砂質(zhì)流域的，且徑流和基流沒有明顯差別，但除草地和灌叢的蒸散發(fā)量較低有利于地下水補給外，其他因素均相同。Issar等于1985年對以色列的海岸沙丘區(qū)進行研究，通過計算地下水補給量的公式估算蒸散發(fā)。公式為R=C（Ptr），其中經(jīng)驗系數(shù)C與蒸發(fā)及降雨特性有關(guān)（在其研究中為0.4），P是年平均降雨量，tr是蒸散發(fā)量。（3）半定量法 (14.2)自然地理和地貌特征（由遙感圖像解譯獲得）結(jié)合土地覆蓋和植被類型（由多波段圖像或增強的微波圖像的監(jiān)督分類獲得），可得到地表覆蓋層單元特征，通過半定量的方法進行研究（需計算上層水平衡）。如果計算時段較長，需要計算月有效降水（Pe，等于降水減去直接徑流）和月潛在蒸散發(fā)量（ETO）。這種方法是一個簡單的簿記程序。當水分虧缺累積量為APWL時，干旱時期（PeETO）的土壤水分（Sm）由式（14.2）決定：水分保持能力（WHC）可根據(jù)土壤質(zhì)地（假定單個地形單元是一致的）和植被類型（由光譜分類提取）來確定。該方法中，干旱季節(jié)實際蒸散發(fā)量等于土壤水分加上降水量的減少量。當PeETO時，認為實際的蒸散發(fā)量等于潛在的蒸散發(fā)量。過剩的土壤水的削減過程能用公式表示，可通過一個線性方程計算，其參數(shù)依賴于水文地質(zhì)狀況。該方法可以在GIS環(huán)境下實現(xiàn)，用于模擬基流，而且可以進一步擴展采用植被覆蓋度（NDVI）值，NDVI值和作物系數(shù)相關(guān)。在實際應用中，對WHC值和淺層地下水位波動的削減因子進行率定。在贊比亞，Houston于1982年成功地應用了類似的方法估算地下水補給量。計算中，蒸散發(fā)以潛在的蒸散發(fā)速率計算，當土壤水分虧缺小于根系常數(shù)時，根系常數(shù)根據(jù)區(qū)域主導的植被類型來估算（疏林，200mm；低矮植物，75mm；植被稀少裸土，50mm）。要估算直接徑流量，需確定有效降雨量（Pe）。Rodier干1975年計算出薩赫勒小流域地區(qū)不同降水頻率的徑流系數(shù)，并通過航空像片描述流域狀況（透水和不透水）。其他地區(qū)類似數(shù)據(jù)可從區(qū)域觀測站獲得。地下水出流區(qū)由于上升流的存在，可與補給區(qū)進行區(qū)分。有植被覆蓋的地下水排泄區(qū)水流損失估算的簡單方法是假定此損失等于ETO。這種假定的前提是地下水的毛管水上升到植被根區(qū)，此時，植被“不缺水”。如果干旱期較長，對于淺層根系作物或探土需根據(jù)地下水位埋藏深度和地表覆蓋物的質(zhì)地估算毛管水的上升值，以代替ETO損失值。這些都可以通過熱波段圖像進行驗證。這種方法很適宜通過地理信息系統(tǒng)（GIS）來實現(xiàn)，并用于確定地下水埋藏深度、質(zhì)地和土地覆蓋類型。在補給區(qū)，蒸發(fā)損失不能大于補給量。（4）定量法估算空間變異的補給的定量方法到目前為止仍不是很精確。誤差的主要來源是不飽和區(qū)水力參數(shù)和植物根系參數(shù)的水平和垂直變異性以及確定潛在蒸散發(fā)的困難性，因為來自于蒸發(fā)池的觀測數(shù)據(jù)很少能與計算的數(shù)據(jù)（如利用PenmanMontheith模型計算所得數(shù)據(jù)）相一致。（5）地下水模型的率定在水文研究實踐中，空間的補給量是通過地下水模型的率定來估算的。利用觀測數(shù)據(jù)率定地下水模型的水頭模擬值后，用水流的分布與圖像解譯的相對補給值進行對比是非常有用的。產(chǎn)生的誤差可能是由水力模型參數(shù)、側(cè)向邊界條件（特別是特定水頭、水流的錯誤估計）以及圖像的錯誤解譯而3！起的。在率定結(jié)果不唯一的情況下，可能存在多種補給的空間分布形式。（6）一維IF他和水流模型這種模型在降雨和潛在蒸散發(fā)給定的情況下，通過土壤質(zhì)地和植物根區(qū)吸收地下水的函數(shù)，模擬水分的垂直運動過程。從理論上講，這類模型能把植被的分類信息轉(zhuǎn)換為補給量信息。然而，植物根區(qū)的函數(shù)信息主要用干作物而非天然植被。只對測定的點數(shù)據(jù)進行內(nèi)插不能很好地描述區(qū)域的空間變異。能否利用遙感獲取更多的地表和地下水特性是一個比較關(guān)鍵的問題。Reeves（1992）將伽馬射線光譜法已經(jīng)應用到地面土壤制圖中；微波傳感器也能促進數(shù)據(jù)的區(qū)域化，而這些數(shù)據(jù)仍然依賴大量的實地勘察來獲取。（7）能量平衡針對以上困難，Schultz于1988年提出了基于遙感輸入的水文模型方法，該方法能較好地應用于補給量的計算?？臻g分布的補給量可以根據(jù)土壤水平衡方程計算，蒸發(fā)損失能根據(jù)能量平衡方程計算。這種方法減少了需要實地勘察的參數(shù)數(shù)目，但仍存在問題。五、巖石地表特征全球大部分地表都是由堅硬巖石或石灰?guī)r組成，其孔隙度與裂隙、斷層（線狀特征）、風化帶或喀斯特地區(qū)的充滿水的洞穴相比，透水性能限制在二級。大多數(shù)文獻對圖像上的線性特征進行了研究。然而，圖像在硬巖地區(qū)最有效的應用是區(qū)域水文地質(zhì)的地帶性分區(qū)。地帶性分區(qū)充分利用了地質(zhì)一巖相、構(gòu)造和裂隙特性一地貌、土壤和植被之間的關(guān)系。每一個具有特定的補給、儲存和地下水流特征的水文地質(zhì)帶都稱為“hydrotoPe”。圖像上的線性特征是在裂隙地帶形成的線性結(jié)構(gòu)要素，可在遙感圖像上識別。解譯的線性特征是不同構(gòu)造特性的裂隙（有或沒有二次動土填充）。裂隙帶在剝蝕作用下形成的低地形廊道那狹長的線性巖石露頭區(qū)，也被認為是線性特征。六、地下水易行性評價遙感除用于管理地下水資源的區(qū)域水文地質(zhì)情勢外，最有效的應用是估算補給量、規(guī)劃地下水灌溉和識別只有少量水文地理數(shù)據(jù)的區(qū)域水流系統(tǒng)。地表條件、土壤、風化帶、地貌和植被決定地下水補給，并影響人工補給的適宜性評價和土壤水分保護措施。地下水的易污性與地表狀況直接相關(guān)。Aller等于1987年應用指數(shù)和類似的方法，對地下水埋深、凈補給、含水介質(zhì)、土壤介質(zhì)、地形、滲流區(qū)介質(zhì)和含水層水力傳導率的影響等進行分級，生成了DRASTIC模型，它應用權(quán)重和打分組合產(chǎn)生數(shù)值模擬結(jié)果。在全球大部分地方，上述數(shù)據(jù)都可通過遙感圖像解譯（自然地理和地貌特征）獲得。指數(shù)打分模型的不足之處是沒有考慮側(cè)向流或水流系統(tǒng)，可以用一個簡單的二維脆弱性模擬模型來改進。另外，遙感圖像提供的實時土地利用分類信息的更新對確定農(nóng)業(yè)和點污染源（可從高分辨率圖上獲取圖像，如航空像片）是很重要的。七、遙感技術(shù)應用展是除監(jiān)測淺層地下水和排泄區(qū)以外，任何技術(shù)進步或新傳感器的發(fā)展都不可能從空間平臺直接監(jiān)測地下水位。我們期望技術(shù)能夠不斷完善和多光譜遙感數(shù)據(jù)（可見光、紅外、熱輻射和雷達）能夠得到充分利用，以使每個光譜信息都能最大限度地得到利用。如果光譜信息都得到利用，融合后產(chǎn)生更真實、詳盡的圖像是可以實現(xiàn)的。地下水的航空勘探近年來已發(fā)展到由礦業(yè)發(fā)展起來的電磁勘探傳感器技術(shù)。這種技術(shù)已用于編制深度大于200m的含水層分布圖。未來，隨著遙感領(lǐng)域的不斷發(fā)展，特別是寬波段傳感器的改進和計算機解譯技術(shù)的發(fā)展，地下水勘探技術(shù)將會有更大的進步。到目前為止，遙感在地下水研究中的實踐應用主要依賴定性方法，該方法需要水文地質(zhì)經(jīng)驗。立體航空像片、多波段圖像和主動微波圖像的信息提取已經(jīng)證明了它們在編制和更新水文地質(zhì)圖中的價值。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，我們已能結(jié)合航空航天技術(shù)和地面數(shù)據(jù)，獲取地面以下的信息；衛(wèi)星圖像豐富的地面信息促進了地下水模型的不斷完善；遙感信息的充分利用使模型方法得以改善。如果不能充分利用風化的上層裂隙區(qū)空間變異的透水性信息，那么研究堅硬巖石的補給是很困難的，因此，可將遙感數(shù)據(jù)空間補給的分布狀況作為模型的輸入值，然后對模型進行率定。建立在物理基礎(chǔ)上計算實際蒸散發(fā)與土壤水分以及監(jiān)測補給量的方法，在以后將更受歡迎。用熱波段和氣象衛(wèi)星（如 NOAA AVHRR）的植被指數(shù)來計算蒸散發(fā)量的方法近年來已經(jīng)得到很大的發(fā)展，如 Bastiaanssen于 1998年的研究。在南非，已經(jīng)有人將被動微波衛(wèi)星圖像用于確定地表土壤水分。這些數(shù)據(jù)主要用于結(jié)合土壤水流來估算地下水補給量。主動微波遙感圖像理論包含土壤水分信息，但植被覆蓋對后向散射的影響則必須通過先驗知識來剔除，這也進一步加深了其應用的復雜性。最近10年，水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)、數(shù)字數(shù)據(jù)綜合技術(shù)以及水文模型的集成得到了快速發(fā)展。因此，遙感信息現(xiàn)已能嵌入到計算模型中。在未來的發(fā)展過程中，這一定會促進地下水補給和排泄兩個重要研究方向的發(fā)展。第二節(jié) GIS技術(shù)在地下水研究中的應用在地下水研究中應用GIS技術(shù)，是由于地下水研究需要組織、定量和解釋大量的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。早期的地下水模擬研究需要把地圖、圖表等信息轉(zhuǎn)換成計算機可讀的數(shù)據(jù)格式。這些工作費時、冗長，并且容易出現(xiàn)誤差。水文信息，如降水、參數(shù)信息（如水力傳導度）、參數(shù)格式（如井的位置和流量值）以及輔助信息（如邊界條件），都需要海量數(shù)據(jù)的組織和管理。事實上，所有這些信息都是空間分布的，在某些情況下，還是時間分布的。其中許多數(shù)據(jù)在計算機中以地圖形式存在，如柵格形式、矢量格式或數(shù)據(jù)表形式的圖像。由于計算機圖形技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在這些信息可以有效地通過GIS系統(tǒng)來存取。這使地下水模擬工具成為一個集成化的、基于Windows的、界面友好的、面向圖形的、功能綜合的數(shù)據(jù)輸入、分析和預處理系統(tǒng)。相關(guān)方面的軟件有GIM（argus one geograPhic information modeling）、PTC（Princeton transport code）和 MODFLOW、MT3D等。利用 GIS方法，可以利用原始的空間信息來進行工作，例如，由地圖提供的信息。這些信息一般是用通用的、大多數(shù)人都能理解的術(shù)語，而不是用地下水模擬的特殊的術(shù)語來分類和描述?？梢暬挠嬎銠C圖形方法使數(shù)據(jù)的組織和分析更加直觀。一、地下水地理信息系統(tǒng)概述（一）概念地下水地理信息系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)在地下水資源環(huán)境領(lǐng)域應用的產(chǎn)物，是基于地下水資源環(huán)境領(lǐng)域應用的地理信息系統(tǒng)。在地理信息系統(tǒng)的分類體系中，地下水地理信息系統(tǒng)屬于行業(yè)性的地理信息系統(tǒng)。地下水地理信息系統(tǒng)是采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地下水資源環(huán)境地理信息的計算機系統(tǒng)，是分析和處理地下水資源環(huán)境地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。它正廣泛地應用于地下水資源開發(fā)利用、保護及管理，地下水水質(zhì)污染及水環(huán)境評價，地下水模擬及可視化，水源地保護，地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度及地下水空間決策支持系統(tǒng)等領(lǐng)域，成為地下水資源環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。（二）結(jié)構(gòu)及組成地下水地理信息系統(tǒng)的組成可分為4個子系統(tǒng)，即計算機硬件和軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、應用人員和組織結(jié)構(gòu)。1）計算機硬件和軟件系統(tǒng)。這是開發(fā)和應用地下水地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其中，硬件主要包括計算機、打印機、繪圖儀、數(shù)字化儀等；軟件主要指操作系統(tǒng)等。2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。功能是完成對數(shù)據(jù)的存儲，包括空間（圖形）數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。這是地理信息系統(tǒng)的核心。通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以完成對地理數(shù)據(jù)的輸入、處理、管理、分析和輸出。4）應用人員和組織機構(gòu)。地理信息系統(tǒng)專業(yè)人員是地理信息系統(tǒng)應用成功的關(guān)鍵，而強有力的組織是系統(tǒng)正常高效運行的保障。另外，從地下水地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程來看，地下水地理信息系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲和檢索子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理和分析子系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)輸出子系統(tǒng)4個部分組成的。1）數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)。收集和預處理各種不同來源的地下水地理空間和屬性數(shù)據(jù)。這個子系統(tǒng)還承擔著轉(zhuǎn)換各種不同類型的空間數(shù)據(jù)的任務。2）數(shù)據(jù)存儲和檢索子系統(tǒng)。以一定的格式組織地下水空間數(shù)據(jù)，以便于數(shù)據(jù)查詢、更新和編輯。3）數(shù)據(jù)處理和分析子系統(tǒng)。負責對系統(tǒng)中存儲的地下水數(shù)據(jù)進行各種分析計算，如地下水數(shù)據(jù)的集成和分析、參數(shù)估算、空間拓撲疊加和模擬功能等。4）數(shù)據(jù)輸出子系統(tǒng)。以表格、圖形或地圖的形式將數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容或系統(tǒng)分析模擬的結(jié)果通過屏幕或其他設備輸出。（三功能地下水地理信息系統(tǒng)的基本功能有：1）地下水資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)的輸入和編輯，即可將地下水資源環(huán)境的空間數(shù)據(jù)有效地輸入到地理信息系統(tǒng)（GIS）中。大多數(shù)的地下水資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)是由紙質(zhì)地圖通過掃描和矢量化輸入到地理信息系統(tǒng)當中的。采集地下水資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)的另外兩個途徑是遙感和全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)。GPS可以快速、準確地對地球表面任何位置進行定位，在飛行器跟蹤、緊急事件處理、環(huán)境和資源監(jiān)測、管理等方面有著很大的潛力。2）地下水資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)的存儲與管理。地下水資源環(huán)境的空間數(shù)據(jù)分為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩大類，如何在計算機中有效地存儲和管理這兩類數(shù)據(jù)是地下水地理信息系統(tǒng)的基本問題。柵格模型、矢量模型或柵格矢量混合模型是常用的空間數(shù)據(jù)組織方法。GIS的數(shù)據(jù)存儲有其獨特之處，大多數(shù)的GIS采用了數(shù)據(jù)分層技術(shù)，即根據(jù)空間數(shù)據(jù)的特征，將其分成若干層。3）地下水資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)的操作和分析。GIS中的數(shù)據(jù)操作模塊提供了對圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改等基本操作功能。GIS的空間分析功能，是GIS最本質(zhì)的特征，也是GIS得以廣泛應用的重要原因之一。通過GIS提供的空間分析功能，可以為水資源環(huán)境部門提供重要的決策參考依據(jù)。4）地下水資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)的顯示與輸出。將地下水資源環(huán)境研究的結(jié)果通過計算機屏幕顯示或通過繪圖儀輸出。目前，三維可視化及輸出也得到了快速的發(fā)展。本節(jié)介紹GIS在建立地下水空間數(shù)據(jù)庫及決策支持系統(tǒng)方面的應用。二、地下水地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫（一）概述完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ database management system，DBMS）及其開發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)3個組成部分。其中，數(shù)據(jù)庫是存放數(shù)據(jù)的倉庫，是長期儲存在計算機內(nèi)的、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和儲存，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共享；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)庫管理軟件，它主要提供數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)庫的運行管理以及數(shù)據(jù)庫的建立和維護等多種功能；而數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)則是指為了滿足特定的用戶數(shù)據(jù)處理需求而建立起來的，它是具有數(shù)據(jù)庫訪問功能的應用軟件，它向用戶提供一個訪問和操作特定數(shù)據(jù)庫的用戶界面。地下水空間數(shù)據(jù)庫也是由上述3個部分所組成。其中，地下水空間數(shù)據(jù)庫指的是地下水地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質(zhì)上存儲的與地下水資源及地下水環(huán)境有關(guān)的地下水地理空間數(shù)據(jù)的總和，一般是以一系列特定結(jié)構(gòu)文件的形式組織在存儲介質(zhì)之上的。地下水空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)則是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲的地下水地理空間數(shù)據(jù)進行語義和邏輯上的定義，提供必需的地下水空間數(shù)據(jù)查詢檢索和存取功能，以及能夠?qū)Φ叵滤臻g數(shù)據(jù)進行有效的維護和更新的一套軟件系統(tǒng)。地下水空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是建立在常規(guī)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上的。如ESRI公司的 SDE（spatial database engine），是在常規(guī)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上添加的一層空間數(shù)據(jù)庫引擎，以獲得在常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能之外的空間數(shù)據(jù)存儲和管理的能力。地下水空間數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)是指由地理信息系統(tǒng)的空間分析模型和應用模型所組成的軟件，通過它用戶不僅可以全面地管理地下水空間數(shù)據(jù)，還可以運用地下水空間數(shù)據(jù)進行地下水的有關(guān)分析和決策。（二）地下水地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)模型模型是現(xiàn)實世界特征的模擬和抽象。數(shù)據(jù)模型（data model）也是一種模型，它是現(xiàn)實世界空間數(shù)據(jù)特征的抽象。在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)和信息。地下水地理信息系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)模型是有關(guān)地下水的水文地質(zhì)實體空間數(shù)據(jù)特征的抽象。水文地質(zhì)實體空間數(shù)據(jù)模型應滿足三方面要求：一是能比較真實地模擬現(xiàn)實世界；二是容易被理解；三是便于在計算機上實現(xiàn)。不同的空間數(shù)據(jù)模型提供了不同的模型化數(shù)據(jù)、信息和工具。根據(jù)模型應用的目的不同，可將模型劃分為兩類：第一類模型是概念模型，是按用戶的觀點來對空間數(shù)據(jù)和信息建模，主要用于空間數(shù)據(jù)庫設計；另一類模型是空間數(shù)據(jù)模型，主要包括網(wǎng)狀模型、層次模型、關(guān)系模型等，它是按計算機系統(tǒng)的觀點對空間數(shù)據(jù)建模，主要用于DBMS的實現(xiàn)?？臻g數(shù)據(jù)模型是空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。各種DBMS軟件都是基于某種數(shù)據(jù)模型的。（三）空間數(shù)據(jù)模型的組成要素空間數(shù)據(jù)模型通常由空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成。1空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的空間對象類型的集合，是刻畫一個空間數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面，是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。2空間數(shù)據(jù)操作空間數(shù)據(jù)操作是對空間數(shù)據(jù)庫中各種空間對象允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及有關(guān)的操作規(guī)則?？臻g數(shù)據(jù)庫主要有檢索和更新（包括插入、刪除、修改）兩大類操作。空間數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則（如優(yōu)先級）以及實現(xiàn)操作的語言?？臻g數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)特性的動態(tài)描述。3空間數(shù)據(jù)的約束條件空間數(shù)據(jù)的約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定的空間數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合空間數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證空間數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。空間數(shù)據(jù)模型應該反映和規(guī)定本數(shù)據(jù)模型必須遵守的、基本的、通用的完整性約束條件。此外，空間數(shù)據(jù)模型還應該提供定義完整性約束條件的機制，以反映具體應用所涉及的數(shù)據(jù)必須遵守的特定的語義約束條件。（四）地下水空間數(shù)據(jù)模型設計地下水空間數(shù)據(jù)庫的設計，實質(zhì)上就是將有關(guān)水文地質(zhì)的空間實體以一定的組織形式在地下水地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達的過程，也就是地下水水文地質(zhì)空間實體數(shù)據(jù)的模型化問題。1地下水空間數(shù)據(jù)庫的設計過程地下水空間數(shù)據(jù)庫的設計是一個由現(xiàn)實世界到概念世界，再到計算機信息世界的轉(zhuǎn)化過程。如圖141所示。地下水地理信息系統(tǒng)概念模型的建立是通過對錯綜復雜的水文地質(zhì)實體的認識與抽象，最終形成地下水地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和應用系統(tǒng)所需的概念化模型，地下水地理信息系統(tǒng)的邏輯模型是把地下水地理信息系統(tǒng)的概念化模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為計算機數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所能夠支持的數(shù)據(jù)模型；地下水地理信息系統(tǒng)的存儲模型是指概念模型反映到計算機物理存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)組織形式。地下水地理信息系統(tǒng)的概念模型，是人們從信息系統(tǒng)的角度出發(fā)和思考，對客觀世界中的各種水文地質(zhì)實體、它們彼此間的聯(lián)系及其時空變化過程的認識和抽象的產(chǎn)物。具體而言，主要包括對水文地質(zhì)現(xiàn)象和地下水流時空變化過程等客體的特征描述、關(guān)系分析和過程模擬等內(nèi)容。這些內(nèi)容在地下水地理信息系統(tǒng)的軟件工具、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和應用系統(tǒng)研究中往往被抽象、概括為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義、數(shù)據(jù)模型的建立及地下水應用模型的構(gòu)建等主要理論與技術(shù)問題。它們共同構(gòu)成地下水地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的主要內(nèi)容。地下水地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對水文地質(zhì)空間客體所具有的特性的一些最基本的描述。水文地質(zhì)實體具有三維空間的特性，其空間特性表現(xiàn)為4個最基本的客體類型，即點、線、面和體。這些實體類型的關(guān)系是十分復雜的。一方面，四類空間客體之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，在構(gòu)成上屬于不同的層次；另一方面，隨著觀察這些實體的坐標系統(tǒng)的維數(shù)、視角及比例尺的變化，實體之間的關(guān)系和內(nèi)容可能按照一定的規(guī)律相互轉(zhuǎn)化?？梢姡臻g點、線、面和體等實體及它們之間結(jié)構(gòu)上的關(guān)系是地下水地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。同時，水文地質(zhì)現(xiàn)象和水文地質(zhì)過程中的各種空間實體并非孤立存在，而是具有各種復雜的聯(lián)系。這些聯(lián)系可從水文地質(zhì)空間實體的空間、時間和屬性3個方面加以考察。l）水文地質(zhì)實體的空間聯(lián)系大體上可以分解為空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間關(guān)系、空間統(tǒng)計、空間趨勢、空間對比和空間運動等聯(lián)系形式。其中，空間位置描述的是水文地質(zhì)空間客體的個體定位信息；空間分布是描述水文地質(zhì)空間客體的群體定位信息，且通常能夠從空間概率、空間結(jié)構(gòu)、空間聚類、離散度和空間延展等方面予以描述；空間形態(tài)反映水文地質(zhì)空間客體的形狀和結(jié)構(gòu)；空間關(guān)系是基于位置和形態(tài)的水文地質(zhì)實體關(guān)系；空間相關(guān)是水文地質(zhì)空間客體基于屬性數(shù)據(jù)上的關(guān)系；空間統(tǒng)計描述水文地質(zhì)空間客體的數(shù)量、質(zhì)量信息，又稱為空間計量；空間趨勢反映水文地質(zhì)空間客體空間分布的總體變化規(guī)律；空間對比可以體現(xiàn)在數(shù)量、質(zhì)量和形態(tài)3個方面；空間運動則反映水文地質(zhì)空間客體隨時間的遷移或變化。以上種種水文地質(zhì)空間信息基本上反映了空間分析所能揭示的信息內(nèi)涵，彼此既有區(qū)別又有聯(lián)系。2）水文地質(zhì)實體之間的時間聯(lián)系一般可以通過實體的變化過程來反映。有些實體數(shù)據(jù)的變化周期很長，如區(qū)域地質(zhì)地貌隨時間的演化。而有些空間數(shù)據(jù)則變化很快，需要及時更新。水文地質(zhì)實體時間信息的表達和處理構(gòu)成了地下水空間時態(tài)地理信息系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)庫的基本內(nèi)容。3）水文地質(zhì)客體間的屬性聯(lián)系主要表現(xiàn)為屬性多級分類體系中的從屬關(guān)系、聚類關(guān)系和相關(guān)關(guān)系。從屬關(guān)系主要反映各水文地質(zhì)實體之間的上下級或包含關(guān)系；聚類關(guān)系是反映水文地質(zhì)實體之間的相似程度及并行關(guān)系；相關(guān)關(guān)系則反映不同類水文地質(zhì)實體之間的某種直接或間接的并發(fā)或共生關(guān)系。屬性聯(lián)系可以通過地下水地理信息系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)庫的設計加以實現(xiàn)。2地下水空間數(shù)據(jù)庫的塑據(jù)模型設計模型是現(xiàn)實世界特征的模擬和抽象。數(shù)據(jù)模型也是一種模型，它是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象。在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)和信息。對于水文地質(zhì)空間實體及其聯(lián)系的數(shù)學描述，可以用地下水數(shù)據(jù)模型概念進行概括。建立地下水空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的目的，是揭示水文地質(zhì)空間實體的本質(zhì)特性，并對其進行抽象化，使之轉(zhuǎn)化為計算機能夠接受和處理的數(shù)據(jù)形式。在地下水地理信息系統(tǒng)研究中，地下水地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)模型就是對水文地質(zhì)空間實體進行描述和表達的數(shù)學手段，使之能反映水文地質(zhì)實體的某些結(jié)構(gòu)特征和行為功能。按地下水地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型組織的空間數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能夠?qū)λ牡刭|(zhì)空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理，幫助用戶查詢、檢索、增刪和修改數(shù)據(jù)，保障水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)的獨立性、完整性和安全性，以利于改善對水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)資源的使用和管理。水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)模型的好壞是決定地下水地理信息系統(tǒng)功能強弱與優(yōu)劣的主要因素之一。數(shù)據(jù)組織的好壞直接影響到地下水地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)查詢、檢索方式、速度和效率。從這一意義上看，地下水地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫的設計最終可以歸結(jié)為水文地質(zhì)實體空間數(shù)據(jù)模型的設計。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都是基于某種數(shù)據(jù)模型的。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中通常采用的數(shù)據(jù)模型主要有層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、語義模型以及面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型等。這些數(shù)據(jù)模型都可以用于地下水地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫的設計。三、地下水空間分析決策子系統(tǒng)（一）空間分析決策框架設計地下水信息分析決策是基于地下水空間數(shù)據(jù)庫，借助專家知識庫，采用相互獨立的三層結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)的?？臻g分析決策框架如圖142所示。三層結(jié)構(gòu)即外部表達層、內(nèi)核分析層和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層。外部表達層，直接面向用戶和決策者，提供分析結(jié)果與決策方案；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層是該體系的底層數(shù)據(jù)庫，包括同性和空間、影像庫；內(nèi)核分析層是整個結(jié)構(gòu)的核心，由地下水資源分析、地下水環(huán)境分析和地下水開發(fā)利用分析三部分組成。在內(nèi)核層集成了模型庫、方法庫和專家知識庫、輔助決策分析。三者統(tǒng)一集成在決策支持系統(tǒng)中，緊密協(xié)調(diào)工作。通過子系統(tǒng)參數(shù)設置動態(tài)更新來分析和決策底層囹形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。1空間分析決策工作流程空間分析決策工作流程主要分 3個步驟：空間年息檢索、空間信息分析和的助決策。子系統(tǒng)中空間信息檢索采用兩種方式：圖形數(shù)據(jù)查詢檢索和屬性數(shù)據(jù)查詢檢索。圖形數(shù)據(jù)查詢采用點、線、炮形和多邊形任意查詢導種方式，即用戶利用上述任意一種方式選擇圖形，再由圖形屬性關(guān)聯(lián)字段ID從屬性數(shù)據(jù)庫中檢索出對應的屬性數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)查詢分行政區(qū)查詢和觀測孔查詢，用戶直接輸人查詢關(guān)鍵字，子系統(tǒng)造過SQL語句直接在數(shù)據(jù)庫中檢索出相應的信息，同時通過關(guān)稅率設ID將所選記錄在圖形上高亮顯示。根據(jù)查詢得到的信息，利用模型庫中的模型對信息（地下水水資源、水環(huán)境、水開發(fā)利用信息）進行計算和分析。計算分析對可從方法庫中調(diào)用不同的方法，以達到多方案求解員一問題。針對計算分析的結(jié)果從專家知識庫中提取相關(guān)知識，利用知識推理機得出輔助決策意見?？臻g分析決策流程圖如圖14.2所示。2模型摩GIS模型庫系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)上看白三部分組成：基礎(chǔ)模型庫、應用模型庫和模型庫管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)中模型庫主要針對應用模型庫，同時將模到庫管理功能整合在空間分析決策子系統(tǒng)中。為了便于對模型各行管理，首先要求摸到具有比較統(tǒng)一的表示形式。子系統(tǒng)把模型分解為模型體和模型描述兩部分。模型體是模型級程序部分，在模型庫中以子程序、至數(shù)、動態(tài)庫方式存在；模型接過則可看成模型屬性，在模型庫中以模型字典方式存在，模型字典庫以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的組織形式儲存。模型字典所包括的模型描述信息主要有：l）模型名、模型號、作者、入庫時間；2）模型功能、模型便用條件、適用范貿(mào)；3）模型含義、使用方法5毛）模型參數(shù)說明（參數(shù)名稱、類型、數(shù)目、格式、含義等）；5）模型程序特征（數(shù)據(jù)格式、執(zhí)行碼文件名一扇譯系統(tǒng)等）；6）模型使用次數(shù)累計；7）相關(guān)模型及方法。模型管理主要有添加模型、刪除模型、增加模型方法、刪除模型方法等。子系統(tǒng)中的模型主要有兩種類型：空間分析模型和數(shù)學模型?？臻g分析模型包括：空間位置信息分析（水源地位置、污染源地點、泉水位置等）、空間關(guān)系分析（兩個水源地距離、水源地與污染源的方位等）、空間對比分析（觀測孔地下水年儲變量對比分析、不同巖性對地下水下滲影響對比分析、水源地開采前后地下水位對比分析等）、空間動態(tài)變化分析（地下水水質(zhì)動態(tài)變化分析、地面下沉趨勢分析、地下水位動態(tài)分析等）；教學模型包括：地下水資源量計算模型、地下水資源評價模型、供水水質(zhì)評價模型和地下水動態(tài)預測模型。3方法庫方法庫存儲備種方法，以提供模型調(diào)用。同一模型可采用不同的方法進行求解，產(chǎn)生精度不一的結(jié)果，根據(jù)結(jié)果的優(yōu)劣可比較不同的方法；同一種方法可應用于不同的模型。方法庫包括方法體和方法體管理兩部分。方法體其實就是模型的求解算法；方法體管理完成對方法的增加、刪除、編輯等。如地下水動態(tài)預測模型的方法主要有簡易預測法（水文地質(zhì)類比法、簡易類推法）、相關(guān)分析法（要素相關(guān)、前后相關(guān)、上下游相關(guān)）、時間系列分析法（趨勢成分、周期成分）、水均衡法。水質(zhì)評價的方法有污染指數(shù)法、模糊評價法、灰色評價法、各因子評價法。地下水允許開采量的計算包括相關(guān)外推法、水均衡法、解析法和數(shù)值法。4知識庫知識庫包括基本理論、法規(guī)、行業(yè)規(guī)范、專家知識等。法規(guī)、行業(yè)規(guī)范主要是對地下水質(zhì)量、狀況等的評判標準的規(guī)定。基本理論主要包含地下水知識領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)化知識；專家知識主要是指針對非結(jié)構(gòu)化問題的處理和判斷，必須借助專家的知識和經(jīng)驗。如地下水水質(zhì)評價采用國家地下水質(zhì)量標準）GBT1484893；地下水污染現(xiàn)狀評價，主要采用全國地下水資源評價工作大綱與技術(shù)要求中推薦的方法；系統(tǒng)中對地下水天然防護條件的劃分必須考慮包氣帶地層厚度及巖土類型，對各類污染物的自然降解和凈化能力，以及地下水遭受污染的難易程度來進行