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基于GIS的地下水及其环境问题分析
作者：刘华琳 徐晓民 焦瑞 来源：《硅谷》2013年第14期
摘 要 达茂旗位于内蒙古自治区包头市北部，属于严重缺水的牧业旗之一，具有北方干旱半干旱牧区的基本特点。但是目前地下水遭到了不合理的开采，地下水环境遭到了严重的破坏。对此，众多科学家一直在对地下水进行不断的探索研究。同时，随着信息技术的发展，基于GIS的水文地质空间信息系统（HSIS）便是专门应用于对地下水及其环境研究的产品。本文就基于GIS的地下水及其环境问题进行简单地探索分析，为研究草原干旱地区地下水环境的现状评价提供参考。
关键词 GIS；地下水；环境问题；地理信息系统
中图分类号：P1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0144-02 1 HSIS系统概述
HSIS系统是基于GIS而开发的专门研究地下水和环境问题的信息系统，其中文名称水文地质空间信息系统（hydrogeological spatial informationsystem，简称HSIS）。它能够对地下水和环境进行模拟、预测、分析和评价，可以很准确的探测地下水和环境问题。从软件角度讲，它包含了数据管理、应用模型管理、空间分析、数据转换、空间数据查询与检索、系统管理等6大模块。HSIS是由GIS发展而来，因此它拥有GIS的基本功能，并在GIS的基础对其进行扩充和完善，具有更完善的功能。通过上述六大模块，它能够对地下水和环境进行动态监控、相关数据分析以及环境检测和评价等等。正是由于它可以实现在同一平台上对地下水及其环境问题的信息管理、模拟、分析、预测和评价的一体化。如今，HSIS系统被广泛应用于地下水和环境问题分析。
2 基于GIS的地下水及其环境问题分析 2.1 基于GIS的地下水及其环境问题的分析途径
1）首先是要采集地下水与环境状况数据信息，将采集到的这些信息存储在HSIS系统中。HSIS系统可以很方便的对采集到的信息进行管理、加工和传递以及结果输出。在HSIS系统中，有一块专门管理水文地质空间信息的模块，它是数据库中一个子系统。在HSIS中该子系统以树状形式显示空间数据信息。其一级菜单为水温地质专题，二级菜单包括地质水文研究程度、地下水动态特征、埋藏特征、类型分布等等。该数据库的建立是利用SQL2000软件。该系统实现对空间信息方便、高效的查询、更新、维护等等。注意在对地下水和环境空间信息提取的时候要尽可能的扩大范围，因为不同的地区其地理结构、土壤结构等等都存在差别，要避免所取的信息具有片面性。
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2）在采取了水文地质空间信息之后要对其进行综合分析。在GIS系统中有一种专门分析水文地质空间信息的应用-空间叠加分析。它的原理是提取各种地下水和环境图进行叠加，叠加之后再对反应的数据进行计算，以此可以比较系统的对水文地质实体的多要素综合分析。比如说可以对地貌图、地下水等水位线图以及植被、土壤等图件叠加，通过对这些图叠加反应过程分析可以很容易的认识地下水形成和赋存规律。还比如说对潜水埋深分区图和土壤盐渍化图进行叠加分析运算，就能够发现土壤盐渍化发生的位置与潜水水位的距离，根据其距离可以帮助相关管理人员制定合理的治理盐渍化措施。
3）在对水文地质空间信息的综合分析之后，便可以对各项具体信息进行详细的分析，以及在对各项数据信息分析之后对水文地质要素间进行统计分析。HSIS的统计分析根据分析对象的不同而分为多种类型，比如常规统计分析、相关分析、聚类分析、灰色分析和频谱分析等，这些分析方式通过对地下水系统中各因素之间的关系进行分析研究并及时的将分析预测结果报告出来，有效的报告地下水及其环境问题。同时还可以利用计算公式对诸如河床输水量与其单长渗漏率之间的关系等类型的计算，还能够对各区域的水样水化学分析，以帮助研究人员分析地下水水化学的形成与水平分带规律。在传统的分析计算中，这些方面的计算是依靠研究人员纯手工的分析计算，不仅工作量大，而且容易在计算过程中出现错误。采用HSIS系统可以很方便、快捷的完成其查询、分析和计算，并且准确率很高，其工作效率得到了大大提高。 4）计算地下水资源量和模拟地下水数值。利用HSIS系统可以很方便、准确的计算出地下水资源量，包括其开采量、剩余量等等。在计算的过程中，首先要进行区域划分，确定每个区域的边界条件，然后将各项相关数据录入HSIS系统，系统可以自动进行图层和相关数据之间的空间运算。通过计算机结果我们可以得到计算域上各种补、排量与重复量等相关数据。研究人员还可以通过这些数据对划分区域内的地下水和环境问题进行分析，同时还可以对各种量进行统计分析与潜力分析。这些计算都不受到其他条件干扰，为了提高计算的准确率，可以在系统中反复计算和验证。
2.2 基于GIS的地下水及其环境问题的分析效果
通过对达茂旗内蒙古牧区的植被总盖度与地下水埋深的相关数据的计算统计分析，可以知道各种影响地下水和环境的因素。最主要的有三个方面：土壤的成分、植被生长状况和水环境状况，在这三个方面中又包含了众多小的指标。HSIS对此设计了众多指标评判标准，可以很准确的分析出地下水和环境的现状以及受影响的程度，为达茂旗内蒙古草原改善牧区内生态环境提供依据。
2.2.1 环境问题的分析效果
干旱会直接导致农作物歉收、绝收。沙尘天气对人们生活的不良影响更是不胜枚举。如果开采地下水对干旱草原的生态系统影响不仅限于草原退化，导致地下水循环系统失衡，大面积的草原不能从地下获得水分供给，草原和沼泽面积缩减、干枯，空气质量和湿度受到严重影响，进而影响整个地区的降水。如果这种情况持续下去，将直接导致草原退化、土壤沙化，最
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终使广袤的草原逐渐变成沙漠，生活在这一区域的人们将面临长期的干旱和沙尘天气的威胁。可以大量种植适合的植被，并且通过人工降雨的方式进行灌溉，长久的努力将使草原荒漠化的情况得以改善。
2.2.2 基于GIS 的技术方法
制成达茂旗内蒙古牧区的浅层地下水开采耗能的空间分布图， 对其分析得到开采耗能的空间分布特征：自20世纪60 年代以来，浅层地下水水位下降导致牧区植被浅层地下水耗能大幅度增加，开采浅层地下水耗能以及耗能差值都呈递增趋势，地下水耗能差值最大值从4760 kW ·h/km2增加到8568 kW·h/km2。因此，控制达茂旗内蒙古牧区的城市超采浅层地下水，是减少研究区农业生产地下水开采耗能及其生产成本的最主要措施。 3 结束语
如今，我们的环境正在遭受着严重的破坏，对地下水资源和环境的保护迫在眉睫。对地下水和环境的探测技术的利用就成了关键。基于GIS的水文地质空间信息系统HSIS的应用，极大的帮助了研究人员对地下水和环境的研究分析，它通过建立一些数据管理平台，能够很方便、灵活的对各项数据实现存储、统计、计算和分析，并能够模拟低下水和环境，计算出不同时段节点地下水位以及每时刻计算域内各源汇量及边界流入流出量。该系统具有广阔的应用前景。 项目基金
中国水科院科研专项项目（MK2012J03，MK2013J09，MK2013J04，MK2013J11） 参考文献
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作者简介
刘华琳（1983-），男，内蒙古多伦人，助理工程师，硕士研究生学位，2010年毕业于内蒙古大学，研究方向水文水 资源。