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2003 年第 2 期
GIS 在地下水研究中的应用进展
魏加华 ,王光谦 ,李慈君 ,邵景力
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( 11 清华大学水利水电工程系 ,北京 100084 ; 21 中国地质大学水资源与环境学院 ,北京 100083)
摘要 : 地理信息系统在水资源研究中的应用是水资源管理研究的一个热点 。论文就基于 GIS 的地下水模拟评价 、 地下水 环境评价 、 水源地保护 、 流域地表 、 地下水联合调度 、 决策支持及专家系统等方面 ,介绍了国内外关于地理信息系统在地 下水研究方面的应用现状 ,对今后 GIS 在地下水的应用研究进行展望 。 关键词 : 地理信息系统 ( GIS) ,地下水 ,水资源管理 ,流域 中图分类号 : P64118 ;P628 + 4 文献标识码 : A 文章编号 : 100023665 (2003) 0220094205
11212 在环境影响评价方面 Ferdi 等
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矿活动对地表水 、 地下水和周围空气质量的影响 。中 国环境科学院的郑丙辉等应用 GIS 定量分析昆明市松 华坝水库的流域面源污染 。北京大学梁军等应用 3S [17 ] 技术建立了滇池流域水体环境动态监测监控系统 。
11213 在垃圾填埋场的选取和评价方面 垃圾填埋
收稿日期 : 2002210222 ; 修订日期 : 2002211220 基金项目 : 国家重大基础研究规划项目 973 项目 ( G19990436) 作者简介 : 魏加华 (19712) ,男 ,讲师 ,博士后 ,主要从事水资源 、 水环境及地理信息系统在水资源中的应用等方面 研究 。E2mail :weijiahua @mail. tsinghua. edu. cn
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meier F. 在其博士论文中 ,给出了一个建立三维水文地
外 ,一些 GIS 软件商还定期召开用户交流会 , 如 ESRI 每年都召开全球及区域性的 GIS 用户交流会 , 其中水 [2 ] 资源单独作为一个主题 。本文就 GIS 在地下水资源 管理中的研究应用现状进行评述 , 并对今后发展趋势

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利用 GIS 评 价、 管理和预测玻利维亚地区采矿活动对环境的影响 , 在 ArcView 环境中开发了 3 个环境模型 , 用于评价采
el GIS 。EL2Kadi 等 利用 GIS 的图形和数据处理能力 ,
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将 GIS 作为地下水模型的外壳 ,在 Oahu 和 Hawaii 建立 了二 维 数 值 模 型 。Tang2Changyuan 等 建 立 了 基 于 ArcView 的地下水流模型 。瑞士 Neuchatel 大学 Kim2
GIS 在水文学及水资源中的应用专题国际会议 。此
作了展望 。
1 GIS 在地下水资源管理中的应用现状
111 基于 GIS 的地下水资源评价
地下水问题具有明显的时空维 , 地下水模拟比较 强调地下水在介质中的运动情况 。GIS 应用于地下水 模拟 ,可用来获取 、 操作 、 显示与这些模型有关的空间 数据和所得的成果 ,使模型进一步细化 ,从而深入认识 地下水在含水层中的赋存 、 运动情况 , 为合理开采 、 保 护地下水服务 。
质模型的简要方法 , 所建立的模型准备用于 Valais 地 [5 ,6 ] 下水的管理与保护工作 。Kenneth , K E. 还在 GIS 环境下 ,建立了地下水勘探开发 、 模拟 、 评价与管理系 统。 国内 ,武强等 研究开发了以 Map Info 为平台的塔 里木盆地地下水资源管理地理信息系统 ; 邢毅等 建 立了南方某城市的 GIS 城市地下水管理模型 ; 宫辉力 等建立的 GIS 技术支持下的城市水资源管理模型等 ; 陈佩佩等开发了徐州市岩溶地下水资源信息系统 。这 些研究在国内率先将 GIS 应用于地下水模拟 、 评价和
处理方式是处理城市垃圾最常用方法 ,但如何快速 、 安 全地选择固体垃圾填埋场是问题的关键 。由于固体垃 圾管理许多方面都依赖于空间数据 ,如垃圾分布 、 运输 站的优化 、 运输线路选择 、 垃圾填埋场地的选择与监测 等 。应用 GIS 空间分析和数据管理功能 , 能节省选择 场地的时间和费用 , 还可对实时监测数据进行分析 。 如 ,美国华盛顿东南部的 Hanford 废弃物填埋场位于地 下水径流带 ,是非点源污染的潜在污染源 ,为评价其对 [18 ] 地下水的影响程度 ,M J . Fayer 等人 用 GIS 确定填埋 场影响范围 ,并针对不同的土壤类型加以分析 ,最终得 到进入地下水污染物质的量 , 从而为垃圾渗滤液的管 理提供依据 。隶属于 UNEP ( 联合国环境规划署 ) 的日 本 Osaka 国际环境技术中心 ,主要从事固体废物管理 , [19 ] Yagoub M. M. 和 Taher 等 利用 ArcView 和 Avenue 开 发了垃圾倾倒场地评价系统 。在马来西亚 , 固体废物 管理公司也使用 GIS 进行场地评价和选择 。如 AFSB 公司 ,负责马来西亚 70 %以上的固体废物的收集 、 运 输和处理 ,为了减少时间和劳力 ,用 GIS 来辅助选择场 地。
113 水源地保护 1987 年 ,美国 EPA 建立了全国范围的水源保护规 划 ( Wellhead Protection Program , WHP) , 项目主要包括
收集并整理来自各联邦 、 州和代理站与水源保护规划 相关的数据 , 并录入 GIS 数据库 , 并通过模型进行评 价 。1993 年 ,Rifai H S. 等 利用 GIS 研究如何确定水 源地保护带的划定 , 从 GIS 数据库中自动地提取所需 信息 ,生成水源保护区 ,并在休斯顿市水源地进行试点 研究 。成立于 1972 年的 Santa Ana 流域管理局建立了 SAGIS 系统 ,最近升级到 SAGIS2 ,供流域管理局和其他 一些地下水管理者使用 。Santa Ana 流域管理局负责 管理 10 ,000 多口水井 , 有些井已经取过上百次样 , 进 行过上千次详细分析 , 数据量十分庞大 ,Bruce Rindahl 等人利用 ArcView 与地下水流模型耦合的基本方法和 技术 ,实现对所有井的管理和水资源保护 。 澳大利亚 Kapferberg 市 , 为保护饮用水源 , 减少水 源井附近工业和垃圾回填对地下水的污染 ,Werner E. [21 ] S. 等 建立了基于 GIS 和地下水数值模型的地下水 动态监测和管理系统 , 将监测数据实时送入主控计算

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管理 ,为地下水资源管理工作提供新的技术手段 。 随着组件 GIS 的发展 , 基于组件的地下水地理信 息系统研究开发也不断增多 , 基于组件的二次开发最 大优点是用户可以根据需要 , 将模型与 GIS 空间管理 有机的集成 ,而不再是松散连接 , 可以开发出脱离 GIS [9 ] 平台的独立运行系统 。如魏加华 开发了北京密云 — 怀柔 — 顺义地区地下水地理信息系统 , 实现了 GIS 功 能与地下水系统分析模型的完全集成和三维可视化 。 从目前研究水平和应用现状看 , 与 GIS 集成的模 型以集中参数模型和解析式模型居多 , 由于分布参数 模型涉及时空维数据 , 很多系统只是实现了模型与 GIS 的数据交换 。 112 基于 GIS 的地下水污染及环境影响评价 11211 在地下水污染评价方面 ESRI 为了对加州地 下水污染进行调查 ,建立了地下水地理信息系统 ,来管 理有害物质对地下水的污染 。Lee , S , Park , E G. 等 [10 ] 人 建立了基于 GIS 的地下水模拟模型 , 通过 GIS 实 现水文地质数据库与模型数据的交换 , 并将水流模型 计算出的水位转化为地下水污染评价系统 DRASTIC (Aller et al . , 1987 , Lee et al . , 1998 ,U S. EPA 1987) 所 需的输入文件格式 , 进行地下水污染评价 。在约旦 Dhuleil ,Halabat 和 Samra 地区 , 过渡使用化肥致使地下 水某些组分严重超标 。为研究地下水中盐分的来源 , [11 ] William Bajjali 博士 建立了数据库 , 收集所有可供利 用的化学和同位素资料 , 利用 ArcView 空间分析功能 研究地下水污染和水质特征 , 分析了盐分增加的可能 [12 ] 原因 。S J . Boyle 等 建立的 IDOR2D 系统 ,将水污染 [13 ] 模型与 GIS 集成 。Soo Zee 在 Mok2hyun 流域建立了 基于 GIS 的水质管理系统 WQMS , 利用水污染模型计 算污染排泄 、 水质预测 。Lassere F , 在 IDRISI 环境 下 ,建立了地下水中氮运移模型 。 [15 ] Tim 等 建立了用于快速评价地下水对杀虫剂污 染的敏感性的 GIS 交互式模型系统 。林肯大学用 ER2 DAS 软件模拟地下水对地表污染源的敏感程度 , 研究 人员把地下水埋深 、 补给情况 、 含水层介质 、 渗透性 、 土 壤类型 、 地形等信息输入系统 , 应用 DRASTIC 模型判 断不同地区 、 在不同条件下地下水受污染程度 。此外 还有很多学者将 GIS 用于评价农业造成的污染 ( 如 Baker and Panciera ,1990 ; Evans and Myers , 1990 ; Brun2 ner et al . , 1990 ; Holliday and Wolfe , 1991) 。
地理信息系统 ( Geographic Information System ,简称 GIS) 是以计算机为基础的综合处理和空间数据分析的 系统 ,是集计算机科学 、 管理科学 、 信息科学 、 空间科 [1 ] 学、 地学 、 环境科学等为一体的新兴边缘研究领域 。 自 20 世纪 70 年代 , 美国田纳西流域管理局利用 GIS 技术处理和分析各种流域数据 , 为流域管理和规划提 供决策服务 , GIS 开始应用于水文学及水资源管理 。 80 年代后 ,随着计算机技术的飞速发展 , GIS 在水文学 及水资源管理领域的发展非常迅速 , 美国测绘研究会 (ACSM) 及美国摄影测量与遥感学会 ( ASPRS) 1986 年 年会 ,在 GIS 专题交流中已有一些 GIS 应用于水文学 及水资源管理中较有实用价值的系统与理论研究成 果 。90 年代以来 , GIS 应用一直是水资源学科中的一 个热点课题 。1993 年 ,在美国亚拉巴马州莫比尔市举 行了 “地理信息系统和水资源专题讨论会” , 在地下水 研究方面涉及地下水模型 、 水质和水资源利用等方面 , 国际水文科学协会 ( IAHS) 1993 年在维也纳召开了 “地 理信息系统在水文学与水资源管理中的应用” 专题会 议 ,1995 年在美国克罗拉多大学召开水资源系统的模 拟与管理专题学术会议 , 1996 年又在维也纳召开了