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地理信息系統技術在巖溶環境學領域的應用

發布時間:2015-07-07 11:45

地理信息系統技術在巖溶環境學領域的應用

 0 引言
  進入21世紀以來,gis技術及3s技術做為新興技術,被廣泛的應用于和地理位置相關的各領域。最近20幾年地理信息系統和數據管理系統被廣泛的用于發展巖溶地物數據庫的空間分析和資源管理領域[1~5],許多邦家已經建立全邦范圍的巖溶地物數據庫以增強數據獲取和資源管理能力[6,7]。而這一工作在邦內相對較少,邦內進行的較多研究是在小區域范圍內的gis建立,以及為特定研究提供服務支持,如研究云南小江流域的地下水質量和土地利用變化[8],或是特定區域的脆弱性評價研究[9~11]。之所以大區域范圍的gis建立存在的困難也是基于我邦巖溶區的特點,在形成的背景條件上由于面積遼闊,大陸部分碳酸鹽巖古老堅硬,新生代大幅度抬升,季風氣候水熱配套及未受末次冰期冰蓋刨蝕,因此碳酸鹽巖的分布有較大的環境跨度,各種巖溶形態有較好的保存 [12],巖溶類型區域差別較大,所以為了建立全邦性的大范圍的巖溶地物數據庫,前期局部和小區域的研究既是因地制宜的方案,也為全邦范圍的巖溶地物數據庫建立打下基礎。而巖溶區gis的建立相較之傳統gis的建立也有其特殊性,如巖溶區特有的管道系統導致物質和能量的不均一快速運移,使在運用一些常用空間分析方法時應多加注意適用范圍。我邦巖溶區面積廣大,且蘊含多種礦產資源,同時又分布在兩個人口密集帶,巖溶區也面臨人口資源與脆弱環境符合地帶的貧困問題。尤為是在西南地區,且多處于山區地帶,數據收集工作與經濟支持較小,也為巖溶區地理信息系統的建立帶來不少困難。WWW.zhouyixx.com本文旨在綜述現今gis技術在巖溶學中的應用,并對未來我邦巖溶gis建立進行嘗試性探討。
  1 脆弱性評價
  巖溶區由于其地質特點,豐富的地下水資源往往作為該區域重要的生活生產用水,因此對于巖溶區地下水資源的保護尤為重要。而巖溶地區由于其地下復雜的管網和裂隙,造成了污染物通過管道流快速擴散及埋藏于地下難治理。為了跟好的預防巖溶地區地下水資源的污染,對巖溶水資源進行脆弱性評價成為先進巖溶學研究的一個熱門領域。環球各地學者根據研究區域的不同選擇適當的脆弱性評價模型對區域進行研究,研究的較為廣泛的是區域的固有脆弱性評價(intrinsic vulnerability),即由地質,水文和水文地質學特性造成的地下水脆弱性,因此與具體污染物及污染情況無關,且具有共通性,研究得到的模型具備廣泛適用性,現今已有的脆弱性評價模型有epik,drastic,god,avi,isis,sintacs,reks,愛爾蘭模型,德邦模型,奧地利模型等,其中尤以epik,drastic,以及后來含有較少參數的pi模型應用較為廣泛,既能較好的模擬研究區域的地理過程,且多次被證明具有較好的普遍適用性。
  利用模型和gis工具對巖溶區進行脆弱性評價的研究有很多,其主要的研究目的不僅僅局限于得到一個區域的固有脆弱性評價,也為污染物的特殊脆弱性評價和確定地下水資源保護區作為基礎,并且討論模型使用的范圍和局限性。如利用epik和gis工具確定地下水保護區的研究[13],利用drastic模型和gis工具對hajeb-jelma的含水層進行的脆弱性與風險評價[14],利用sintacs模型對jordan valley的沖積平原含水層脆弱性的評價[15]。而簡單模型的應用往往也不能很好的模擬一個研究區域的地理過程,因此在基礎數據較為齊全且有多個模型可供選擇使用時,研究者們往往將多個模型結合起來使用,已得到更精確的模擬結果,如利用epik方法中提到的k因子(即karst network)并將其概念擴展為巖溶水飽和區,以進行筆挺方向上地下水運移路徑的脆弱性評價,并結合cop方法進行固有脆弱性評價進行從資源到源頭的系統的脆弱性評價。[16]還有一些學者,為了得出更準確的結果,在進行固有脆弱性評價的結果上,加入地區主要污染物的地下水含量進行校正,以使研究結果更有針對性,如erhan sener對turkey的isparta地區在利用drastic進行固有脆弱性評價的基礎上,用地下水的氮元素含量進行校正并利用土地利用類型圖對結果進行了驗證,得到了理想的研究成果。[17]同樣在利用污染物在地下水中的濃度值校準drastic方法得到的脆弱性評價圖的基礎上,ahmad jamrah等加入了由1995至2004年的數據得到的drastic脆弱性評價圖序,并得到時間維度上的脆弱性變化,并且由于時間跨度較短,可以藉此區分由地質背景引起的固有脆弱性評價的因子有哪些,因為他們的變化隨時間變動較小,同時由于研究區域濱海,也驗證了drastic對于濱海巖溶區也適用[18]。
  將巖溶學,gis,rs,脆弱性評價模型和同位素研究結果的地域分布情況結合以獲得準確的脆弱性評價結果,將gis技術與傳統研究方法結合也取得了一定進展,由此可以看出脆弱性評價由于其學科交叉的特性,其研究思維是十分活躍的。
  對于不同巖溶組合巖溶地貌的脆弱性評價也有廣泛的發展,如對伊朗的izeh坡立谷利用修改的drastic模型進行的脆弱性評價并用地下水中氮元素含量進行校正。[19]同時也有對于不同方法的探尋與適用性的研究文獻,如評價利用數字矢量地質四邊形(dvqs)結合高程數據來進行水文地質學界說的敏感區和由可能灌入大量地下水引起的敏感區確定。同時證明該方法較之drastic和diversity方法更適合于kentucky[20]。
  在這些研究中gis工具往往作為最終結果的展示,以及空間疊加分析,也正是因為gis中圖層概念的引入,才使得利用多圖層來得到脆弱性評價最終結果的思路得以產生。而脆弱性評價對于巖溶區水資源的保護及巖溶區資源開發利用規劃的指導意義是無須置疑的,但同時,進行詳盡可靠的脆弱性評價離不開大量的基礎數據收集,如果沒有足夠詳盡的數據,其結果的可靠性和可信度將受到影響,也不能很好的對巖溶區經濟建設發展規劃起到指導作用,因此采用的較少參數的折中辦法更多的是起到號召和警示的作用,以期爭取更多的社會關注和資金投入,從而推動進一步的深入研究。
  2 gis在石漠化治理上的應用
  石漠化作為巖溶區環境惡化的一個重要外現,極大的影響了巖溶區的經濟發展與生活條件。因此巖溶環境治理的很多研究都圍繞著石漠化在開展,而gis由于其對大區域范圍的系統分析具有優勢,因此在石漠化治理和預防上也有較多應用。

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 如對水土流失的研究,巖溶區水土流失是造成石漠化的原因之一,利用修訂的土壤流失方程(rusle)與gis結合,并根據土地利用數據,對貓跳河流域進行了水土流失分析。[21]還有些學者設計了石漠化動態監測和可視化信息管理系統,結合了3s技術對地外植被變化和土地利用類型變化進行了監測,[22]以及對石漠化區域的擴大進行監測的研究。[23]還有些學者進行了石漠化程度的分級與外達,利用徑向基礎函數網絡評估石漠化產生的風險,利用遙感圖像解譯出造成石漠化的影響因子并利用gis的空間分析功能將研究區從低到高分為了23個石漠化等級,為石漠化治理提供了依據。[24]gis技術對巖溶區石漠化研究提供了管理,顯示,監測,及空間分析預測的技論文聯盟術支持。相比傳統的研究方法,具備了宏觀性,即時性,系統性和預見性。通過gis和rs的結合,方便研究石漠化的動態發展并通過系統分級根據不同級別制定不同分案,因地制宜的治理巖溶區石漠化問題。

  3 gis在巖溶學其他領域的應用
  gis作為工具,也被廣泛的應用于與巖溶學研究相關的其他領域。在利用孢粉研究古氣候方面,在東哥倫比亞,利用孢粉數據和邏輯回歸方法得出氣象變量來分辯熱帶稀樹草原和森林的邊界,然后利用gis的插值技術將這些數據進行地外植被類型制圖,得到地外類型與氣象變量之間的關系,并與傳統方法對比有較高的準確度,可以應用于對未來的預測和對研究過去的氣候現象,其適用性與孢粉采樣點的數量,分布情況和孢粉年齡分布情況相關。[25]固然與巖溶學研究沒有直接相關,但利用孢粉研究還原古氣候也在巖溶學研究中多有利用,所以可以借鑒此種方法獲得更好的效果。在研究地質災害方面,在俄羅斯的dzerzhinsk巖溶區,對巖溶含水層的潛水層變化數據、土壤強度數據利用gis系統將數據整合并制圖得到潛蝕引起的地面塌陷的分布預測結果。[26]在西班牙的ebro盆地的zaragoza地區,巖溶過程在發育于第三紀蒸發巖上的河流階地上的潛伏層巖溶區進行的尤其劇烈,自第四紀以來,這一過程導致了坍塌和塌陷天坑的形成,因此利用地貌數據,灌溉和地下水潛水面數據采用邏輯回歸和地理信息系統得出天坑預測圖,從而減少地質災害造成的經濟影響和安全危機。[27]城市中的落水洞會引起地面塌陷,公路損毀和房屋倒塌,因此在福羅里達州的中西部,結合了臨床傳染病學的概念,遙感技術和gis技術來分析可能產生落水洞的地點,并對規劃與管理給予一定的支持。[28]這些應用通過gis技術中的分層概念,將多種地理信息通過融合,并通過直觀的外達方式傳遞給決策者,從而使理論到實踐更為便捷。為了研究地下水水質因子的時空變化,在土耳其izmir的mount nif巖溶區,取自57個采樣點的數據被用于制圖,得到了各個水質因子的空間展布與時間變化情況,并為進一步進行差值分析做好基礎,同時利用統計學驗證地下水水質變化與季節變化是否具有統計學上的相關性。[29]
  空間數據庫的建立,對于系統管理地理信息和進行空間分析以及相關研究提供基礎支持,而針對巖溶區的特殊性巖溶地物信息數據庫的建立因其特殊性也被廣泛研究,同時對于空間數據的顯示以及數據的共享也因此受到了廣泛關注,如利用網絡進行數據共享基于webgis技術而建立的網絡巖溶圖冊系統[30],以及在明尼蘇達州利用microsoft access和arcview建立了巖溶地物關系數據庫和數據空管理系統[31]并在后續研究中利用建立的數據庫添加了空間分析功能[32],為了更好的研究巖溶區地貌,利用三維技術外達巖溶區的特征地物,建立了能夠同時進行二維和三維顯示的地理信息系統[33],結合了地質學,地下水水文學,地理信息系統,數據庫管理系統,可視化技術和數據挖掘技術建立的巖溶區虛擬實際的三維建模,為政府制定水資源發展及保護提供了技術支持[34],這些工作為今后利用計算機輔助巖溶區,和更好的利用gis的空間分析功能提供了基礎,也在巖溶地物的計算機和圖形化外達方面取得了一定的進展。
  gis技術在巖溶領域的應用還有許多,如利用遙感圖像和gis技術對高山巖溶的檢測與特性的總結,[35]利用遙感圖像評估地下水補給區的潛在補給能力,[36]利用基于gis的gip(灰階編程)模型確定如何分布監測站。[37] 這些應用領域將gis與rs進行了結合,對于大范圍的區域研究提高了效率。
  4 gis技術未來在巖溶研究中的應用
  基于gis技術目前發展的方向,對于地物和地理現象的外達越來越接近于實際,而gis也作為計算機技術與地理學科之間的橋梁,正因此將計算機的前沿技術引入當今的地學研究領域,從而將繁重復雜的數據管理和海量數據分析過程交給計算機處理,使研究人員將注意力更集中于研究實質上。以往制約gis,rs和gps技術在巖溶學領域中的廣泛應用的主要屏障是由于巖溶區涉及較多地外與地下的地理過程關系,由于傳統的二維gis技術不能很好的外達這種關系,所以只在研究補給區和污染方面有一定的應用,而根據現今的發展情況來看,三維gis技術愈發走向成熟,利用三維建模,可以很好的外達地外與地下的關系,從而將gis技術廣泛的應用于巖溶領域的研究。數據挖掘技術,或許能夠通過多數據融合來解決地外與地下分水嶺不同的困難,從而更為準確的確定地下河的補給區。而且,gis技術的應用同時對數據的獲取提出了更高的要求,當今地理數據的采集和整理在邦內不是十分完善,也不能做到很好的共享,因此存在很多重復性工作,同時由于中邦巖溶區多分布于西部較貧窮地區或是山區,數據采集存在很大程度的困難,因此gis與巖溶研究的集合在中邦還存在很多困難,gis是一種基于數據的技術,因此若要使gis技術在巖溶領域有更多的應用,還需要很多進行很多工作。
  

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