（农业水土工程专业论文）基于gis的水资源评价方法的应用研究(1).pdf

中国农业大学硕十学位论文 捅要 地理信息系统是当今应用较为广泛的- - 1 7 边缘技术。本文利用g i s 技术作为平台结合多种方 法对典型区域水资源数量、质量以及可持续性评价的方法进行了研究。主要研究内容包括：( 1 ) 利用g i s 技术结合网格剖分法对研究区域内的降水特征和地表水资源量的评价研究；( 2 ) 利用g i s 技术的空间分析和叠加功能结合动态均衡法对研究区域内的地f 水资源景及其动态变化趋势的 评价研究；( 3 ) 结合g i s 系统利用多层次分析法对研究区域的水资源承载能力的分析评价。研究 结果表明：本文所采用的评价方法较传统的评价方法具有较高的评价精度，评价结果的表示上更 为直观、内容更为丰富，充分利用了6 i s 系统的空间分析功能。 利用该评价方法对典型区域( 通州区) 的地表水、地下水、以及水资源承载能力进行了分析 评价。主要结论如下：( 1 ) 地表水资源受天气影响较大，地区分布不均匀，且污染严重；全区 1 9 5 6 - 2 0 0 0 年4 5 年平均地表水资源总量为0 7 3 1 1 亿3 ，地表水资源严重不足。( 2 ) 地下水多年 平均( 1 9 8 0 2 0 0 3 年) 总补给量为2 2 1 0 亿m 3 ，相应的多年平均总排泄量为2 3 4 1 亿1 1 3 ，多年平 均情况下，总排泄量比总补给量多0 1 3 1 亿3 。地下水储量一直处于亏损状态，2 4 年累计亏损 3 1 3 6 亿m 3 。( 3 ) 梨周镇的水资源承载力已经濒临极限，进一步开发利用的潜力较小。上述评价 结果可以作为通州区水资源规划的依据，为水资源的综合管理提供了参考依据。 关键词：g i s水资源评价承载力通州区 a b s t r a c t g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) i san e wb o u n d a r ys c i e n c ea n dw i d e l yu s e dt o d a y b y u s i n gg i st e c h n o l o g ya sap l a t f o r m , a no v e r a l la n a l y s i sa n ds t u d yo na s s e s s m e n tm e t h o d so fq u a n t i t y a n dq u a l i t yo fw a t e rr e s m n c ea n di t ss u s t a i n a b l ea b i l i t yw i t hs e v e r a lm e a s u r e sw a sa p p r o a c h e di nt h e p a p e r t h em a i nc o n t e n t si n c l u d i n g ：( 1 ) b yu s eo f t h eg i ss y s t e m , t h ec h a r a c t e r so fp r e c i p i t a t i o na n d q u a n t i t yo f s u r f a c ew a t e ri nt h er e g i o na n dg r i da n a t o m ym e t h o dw a ss t u d i e d ( 2 ) s t u d i e so nq u a n t i t yo f g r o u n d w a t e ra n di t sd y n a m i cv a r i e t i o n a ld i r e c t i o ni nt h er e g i o nw i t hd y n a m i cb a l a n c em e t h o db yu s i n g s p e c ea n a l y s ef u n c t i o na n ds u p e r p o s i t i o nf u n c t i o no fg i st e c h n o l o g y ( 3 ) u t i l i z i n gm u l t i l a y e ra n a l y s e m e t h o dt oa s s e s sc a r r y i n gc a p a c i t yo f w a t e rr e s o l l r c e w i t ht h eg i ss y s t e m t h a tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e v a l u a t i o nm e t h o d sa r cn o to n l ym o r ea c c u r a t et h a nc o n v e n t i o n a lm e t h o d sb u ta l s om o r ei n t u i t i o n i s t i co n v a l t k l t i o no u t c o m e sa n dm o r ep l e n t yo nc o n t e n t s t b es p a c ea n a l y s i sf u n c t i o no f g i s 嗍u s e de n o u g h e i t h e r a no v e r a l la n a l y s i st ot h es u r f a c ew a t e r , t h eg r o u n d w a t e ra n dt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fw a t e r r c g o u r o eo f t h er e p r e s e n t a t i v er e g i o n ( t o n g z h o ud i s t r i c t ) w a sd o n eb yt h em e t h o d s a n ds o m ei m p o r t a n t c o n c l u s i o n sa r e f o l l o w i n g ：( 1 ) t h es u r f a c ew a t e ri sa f f e c t e dg r e a t l yb yt h ew e a t h e r , i t sd i s t r i b u t i o ni s v a r yw i t hp l a c ea n ds o m eo f t h e mi sp o l l u t e ds e r i o u s l y ；d u r i n g4 5y e a r sf r o m1 9 5 6t o2 0 0 0 ，t h ea v e r a g e g r o s so f w a t e rr e s o u r c en e a rt h eg r o u n di nt h ew h o l ed i s t r i c ti s7 3 1 lm i l l i o nm w h i c hi n d i c a t e st h a t t h e r ei sah e a v ys h o r t a g eo ft h es u r f a c ew a t e r ( 2 ) f r o m1 9 8 0t o2 0 0 3 ，t h ea v e r a g eg r o s ss u p p l yo f g r o u n d w a t e ri s2 2 1m i l l i o nm 3 ，w h i l et h ea v e r a g eg r o s sd r a i n a g ei s2 3 4 1m i l l i o n 矗，1 3 1m i l l i o nm m o r et h a nt h ef o r m e r w i mad y n a m i ca n a l y s i so fg r o u n d w a t e r , g r o u n dr e s e r v e si nt o n g z h o ud i s t r i c t h a sb e e ns h o r t a g ea l lt h et i m es i n c e1 9 8 0 ，a n dt h et o t a la m o u n to fw a t e rs h o r t a g ed u r i n g2 4y e a r si su p t o3 1 3 6m i l l i o nm j ( 3 ) t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo f w a t e rr e s o u r c eo f l i y o a nt o w nh a sb e e nc l o s et ot h e l i m i t a t i o n t h ea b o v ea s s e s s m e n tr e s u l t sc a l lb eu s e da sag i s to ft h ew a t e rr e s o u r c el a y o u ta n d m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：g i s ，a s s e s s m e n tw a t e rr e s o u r c e ，c a r r y i n gc a p a c i t y , t o n g z h o ud i s t r i c t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：时问：j “卜年? 月刀同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 如j 昭 时间：少于年夕月习日 时间：d 盯年；月纠同 中国农业大学硕十学位论文第章绪论 1 1 研究目的、意义 第一章绪论 世界经济迅速发展，资源安全( 资源供给与资源需求相互均衡的状态) 问题日趋严重，给人 类的发展敲响了警钟。而水资源短缺已经成为世界上许多国家普遍面| 临的问题。随着世界性水资 源问题的日益突出，许多国家和地区十分重视区域水资源评价方法的研究和探索。 1 1 1 水资源现状 据水文地理学家的估算，地球上的水资源总量约为1 3 8 1 旷亿m 3 ，其中9 7 5 是海水( 1 3 4 5 1 0 6 亿m 3 ) 。淡水只占2 5 ，其中绝大部分为冰雪、冰川和地下水，适宜人类享用的仅为o o l 。2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增k ，工业发展迅速。一方面，人类对水资源的需求以 惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。据预测，到2 0 2 5 年，水危机将蔓延到4 8 个国家，3 5 亿人为水所困。水资源危机带来的生态系统恶化和生物多样 性破坏，也将严重威胁人类生存”j 。 我国幅员辽阔，人口众多，水资源总量虽然居世界第6 位，但人均拥有水资源虽只有世界人 均占有量的1 4 ，按耕地平均拥有的水资源量也相当紧张，在世界摊第1 1 0 位( 按1 4 9 个国家统 计，统一采用联合国1 9 9 0 年人口统计结果) ，已经被联合国列为1 3 个贫水国家之一“。 地下水资源在我国水资源中占有举足轻重的地位，由于其分布广、水质好、不易被污染、调 蓄能力强、供水保证程度高，正被越来越广泛地开发利用。尤其在我国北方干早半干旱地区的许 多地区和城市，地卜水成为重要的甚至唯一的水源。据计算我国可更新地下淡水资源总量为8 7 0 0 亿m 3 ，山我国水资源总量的3 1 ，其中地下淡水开采资源为2 9 0 0 亿m 。平原区( 含盆地) 地下水 储存量约2 3 万亿甜，l o m 含水层中的地下水储存量相当于8 4 0 m m 水层厚度，略大于全国平均降水 量6 4 8 ，这个比例与世界地下水储存量的平均值相近似。但随着人口的增加和工业的飞速发展 对我国城市地下水带来一系列问题，主要表现为： ( 1 ) 水资源供需矛盾加剧，威胁社会可持续发展 ( 2 ) 不合理的水资源开采布局 ( 3 ) 持续过量开采，降水漏斗不断扩大 ( 4 ) 地下水资源浪费严重 ( 5 ) 地下水污染较为严重 ( 6 ) 过量开采引发严重的环境地质问题。 作为我国的首都，北京市水资源紧缺情况极为严重。北京市人均水资源占有量不足3 0 0 m 3 ， 仅为全国平均值的1 8 ，世界平均值的1 3 0 ，远远低于国际公认的人均1 7 1 0 w 的缺水f 限， 缺水相当严重。北京地表水开发程度己很高，且呈逐年减少趋势；地下水由于不合理开采，超采 严重，造成全市地下水量的严重亏损，北京市水资源的供需矛盾日趋尖锐。水资源紧缺已成为制 约首都经济和社会发展的主要因素之一1 。 中国农业大学硕士学位论文 第一革绪论 综上所述，我国水资源人均占有量偏低，时空分布变异性大，人口、生产力、资源的匹配状 况不理想、生态环境相对脆弱：对有限的区域地下水资源开发利用中还存在着种种问题。由于这 种特殊情况，我国社会经济的可持续发展在很大程度上取决于水资源的可持续开发利用，而保证 水资源的可持续开发利用的关键就是如何保护水资源的再生能力。研究表明，只要对水资源的开 发利用不超过其承载能力和环境容量，水资源就可以持续利用，因此水资源承载能力的研究十分 重要并具有重大的现实意义“。 1 1 2 研究意义 水资源既是重要的自然资源，又是基奉的环境要素，在保障社会经济可持续发展中具有不可 替代的作用。实现水资源的可持续利用，发挥水资源的经济、社会、生态等效益是当前和今后长 期的重要任务。开展水资源综合评价，查清水资源现状，是水资源可持续开发与管理的依据，也 是与水资源有关的工程规划、设计及运行管理的前提。水资源综合评价就是确定水资源的数量、 质量、分布范围和可靠性以及人类活动的影响，对水资源开发利用状况及开发潜力做出评估，对 供需之间可能出现的矛盾和合理开发利用水资源提供一个科学的依据。因此，分析水资源评价现 状及面临的主要问题，根据社会经济可持续发展的要求，构筑面向2 1 世纪的水资源综合评价体 系迫在眉睫。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水资源评价 水资源可用丁生活、生产、航运、发电和游憩等，并作为生态环境的要素。因此，进行各类 用途的水资源评价方法各不相同。用于航运、发电和游憩等的水资源评价属于水资源效益评价 其方法主要有：旅行成奉法、特征价格法、假设条件评估法、线性规划法以及生产函数法等。用 于工农业生产和生活的水资源评价统称为水资源综合评价，其评价的内容主要包括水资源数量评 价、水资源质量评价、水资源承载能力评价以及水资源预测等，评价方法又根据评价的内容而异 【9 】。 水资源数量评价又分为地表水评价和地下水评价。目前，对地下水资源评价的传统方法主要 有水量平衡法、地下水水文分析法、流量统计法、比拟法、平均布井法、开采试验法、相关分析 法等。水均衡法是根据水循环的平衡关系建立起来的水量均衡方程式的方法。地下水水文分析法 是仿照水文学原理，通过对地表水测流资料的分析来计算地下水系统在一定时间内的流量，一般 采用流量过程线分割法来计算地下水资源。比拟法是利用条件相似的老水源地的实际开采资料来 比拟估算新永源地的允许开采量。一般常用降深比拟法或综合可采模数法进行计算i l 。近年来， 随着计算机技术的迅速发展和计算机的普及，数值法被应用到地下水资源评价中来，并成为j 。泛 使用的一种有效方法。数值方法主要有：有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c e m e t h o d ) 、有限单元法( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ) 、边界元法( b o u n d a r y e l e m e n t m e t h o d ) 和特征线法( m e t h o d o f c h a r a c t e r i s t i e s ) 。 数值法能够描述形状不规则的区域以及含水层的非均质、各向异性和复杂的边界条件，能够处理 河流入渗、大气降水入渗等补给、各种抽水、摊水、溶质交换和蒸气降水入渗等补给、各种抽水、 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 排水、溶质交换和蒸发在时空分布上的变化，能够解决其它计算方法不易处理的复杂问题。采用 数值方法进行地卜i 水资源计算，所依据的资料、对计算区水文地质条件的概化、数值模型的建立 以及地下水模拟、预报等，必须满足相应的技术要求，其成果才能达到相应的可信程度，提供利 用”。因此，采用数值法应具有完善的水文地质资料；正确确定边界条件和取值以及准确的模型 识别和校正。这些因素都给评价带来了局限性，而且对于大区域的地下水资源评价显得力不从心。 以上常规方法的研究只注重了对区域水资源及其利用的数量进行评价，对它们的空间分布缺 乏有效的表达手段。然而在水资源短缺地区，水资源空问分布的不均衡是一种普遍的情况，从而 导致了水资源分布和利用产生空间分异，这种差异直接影响对区域水资源利用有效性的分析结 果。因此，在相当程度上对水资源的空间分布分析的重要性大于对其数量的研究。为了准确地认 识和评价区域水资源可利用性和有效性，需要用新方法对区域水资源及其利用的空间分异进行评 价。 g i s 具有强大的空间数据管理和分析功能，在空间信息处理上有独到的优势，是研究区域水 资源及其利用的空间差异的有力工具。基于g i s 的水资源规划管理被认为是一种灵活的规划工 具，能够克服传统的大尺度战略规划的缺点。借助此类基于g i s 的管理系统可以自动生成流域自 然地理和社会要素底图，以及以这些底图为基础的流域水资源供需图、灌溉规划图、水污染分布 图、洪水来源以及洪水影响图等，还可以完成流域内水资源蓄量、分布、水资源与人门分布关系 的分析、水资源与区域社会关系的分析、预测信息等地理分布上的查询和管理，其中包括单一对 象相关信息的查询，以及剖面显示、补给和开采模拟等。南非水利林业部开发的国家水资源管理 系统，利用g 1 s 模拟发展前景方案，以便更好地把握国家水资源管理政策的方向，我国于2 0 世 纪9 0 年代建成的国家基础地理信息系统在全国水资源规划管理中同样有着举足轻重的作用，比 如该系统在南水北调工程进行可行性分析、调水方案比较研究、调水路线设计、施工管理和监测、 效益分析等方面提供信息支持，为加强工程前期工作的完成和工程的实施做出了贡献。 1 2 2 水资源承载能力评价 ( 1 ) 水资源承载能力的概念 承载力( c a r r y i n gc a p a c i t y ) 的概念来源丁生态学的研究。研究认为，可以根据某地区的食 物资源来确定区内的人口承载力”“。2 0 世纪8 0 年代初，联合国教科文组织提出了资源承载力的 概念，并已被广泛采用，其定义为：一个国家或地区的资源承载力是指在可预见的时期内，利用 本地资源及其它自然资源和智力、技术等条件，在保护符合其社会文化准则的物质生活水平下所 持续供养的人口数量i j q 。资源承载力主要是探讨人口与资源的关系，其研究较早且比较充分的是 土地承载力1 1 4 - 1 5 】。经过几十年的发展，已涉及到许多资源领域【“。 区域水资源承载力( r e g i o n a l w a t e r c a r r y i n g c a p a c i t y ) 的理论研究，国际上单项研究的成果 较少，大多将其纳入可持续发展理论中，如j o a r d o r ( 1 9 9 8 ) 从供水角度对城市水资源承载力进行 了相关研究，并将其纳入城市发展规划中u j ：r i j i b e r m a n j 等在研究城市水资源评价和管理体系 中将承载力作为城市水资源安全保障的衡量标准1 2 l j ：h a r r i s 着重研究了农业生产区域水资源农业 承载力，将此作为区域发展潜力的一项衡量标准 2 2 。2 “。 在国内这方面研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代末施雅风明确提出了水资源承载力的概念，但 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 迄今为止仍然没有形成一个系统、科学的理论体系，既便是关于区域水资源承载力的定义，国内 外也没有统一的认识，许多学者如1 9 9 8 崔凤军，1 9 9 9 年冯尚友和陈传友，2 0 0 0 年傅湘都分别提 出了自己的观点【2 4 j 。许有鹏在1 9 9 3 年提出：水资源承载力一般是指在一定的技术经济水平和社 会生产条件下，水资源中最大供给工农业生产、人民生活和生态环境保护等用水的能力，也即水 资源最大开发容量【2 ”。1 9 9 7 年刘昌明在“水与可持续发展”一文中指出，区域水资源的承载力 是可能提供给社会与经济的潜在水量中对工、农业城市等部门起发展支撑作用的那部分水量口q 。 1 9 9 8 年阮本青、沈晋对水资源承载力定义为，在未来不同的时间尺度上，一定生产条件下，在保 证正常的社会文化准则的物质生活水平下，定区域( 自身水资源量) 用直接或间接方式表现的 资源所能持续供养的人口数量1 实际上，区域水资源承载力是一个具有自然一社会双重属性的概念，既反映了水资源系统满足 社会经济系统的能力，也与社会经济系统开发自然水资源系统的深度有关。因此，水资源承载力 的概念主要应包含两层意思：一是社会承载力，涉及人口和经济的承载能力，可以根据影响因素 通过数理方法来确定；二是自然承载力，它与自然本身的资源、环境和生物过程有关，如水资源 本身恢复、更新所依赖的环境，水环境的承载能力等唧j 。 ( 2 ) 水资源承载力的研究方法 常见用于资源承载力以及水资源承载力评价的方法很多，例如：背景分析法、多因素综合评 价方法、多目标规划方法、多目标决策分析方法、生态环境模拟方法、系统分析方法、系统动力 学方法与系统动力学仿真模型等等。背景分析法就是在一定历史时段内自然的和社会的背景相似 的研究区域的实际情况作对比，推算对比区域可能的承载力口”。最直观和简单的水资源承载能力 的背景分析例子如河西走廊石羊河流域与以色列全国的比较。背景分析法只采用一个或几个承载 因子分析，因子之间相互独立，简单易行，但分析多局限于静态的历史背景，割裂了资源、社会、 环境之间的相互作用的联系，对水资源承载能力这一复杂的自然一社会经济系统来说显得过于单 薄。 模糊综合评判方法就是用模糊数学对受多种因素制约的事物和现象做出一个总体评价的方 法p 0 1 。由于模糊综合评判的实质是对主观产生“离散”过程进行综合的处理，其方法本身存在明 显的缺陷，体现在剔小取大的运算法则使大量有用信息遗失，模型的信息利用率低，当评价因素 越多，遗失的有用信息就越多，信息利用率也越低，误判的可能性就越大。将模糊综合评价运用 于区域水资源承载力的评价中，无论是在评判因素的选取上，还是因素对承载力的影响程度上都 存在一定的局限性。 随着科学技术的飞跃发展，近年来又有了很多新的方法，如系统动力学( s d ) 法及其系统 动力学仿真模型【3 1 1 。它是一种定性与定量相结合、系统、分析、综合与推理集成的方法。2 0 0 0 年陈冰利用系统动力学方法，对柴达木盆地的水资源承载力系统动力学仿真模型 ( s d i m w r s c c b ) 。通过该模型，对柴达木盆地2 0 2 0 年和2 0 5 0 年的水资源承载力以及承载人口 进行了预测和分析，取得了较好的结果”“。 尽管当前对于水资源承载能力的计算方法很多，但均存在不同程度的不足，由于水资源系统 本身的复杂性、随机性和模糊性以及影响水资源承载能力因素的多方面性、多层次性等，因此， 4 要准确地评价水资源的承载力，还有待于更加深入的研究f 3 3 j 。 1 2 3g i s 在水资源评价方面的应用研究 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 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、空间科学、地学、环境科学等为一 体的新兴边缘研究领域1 3 4 3 “。 ( 1 ) 国外发展现状 自2 0 世纪7 0 年代，美国田纳西流域管理局利用g i s 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，g i s 开始应用于水文学及水资源管理。8 0 年代后，随着计算机技术的 b 速发展，g i s 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( a c s m ) 及美国摄 影测量与遥感学会( a s p r s ) 1 9 8 6 年年会，在g i s 专题交流中已有一些g i s 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。9 0 年代以来，g i s 应用一直是水资源学科中 的一个热点课题。1 9 9 3 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( i a h s ) 1 9 9 3 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，1 9 9 5 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，1 9 9 6 年又在维也纳召开了g i s 在水文学及水资源中的应用专题国际会议。此外，一些g i s 软件商还定期召开用户交流会，如 e s r i 每年都召开全球及区域性的g i s 用户交流会，其中水资源单独作为一个主题p “j 。 她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。g i s 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。j o n a t h a n 等人在s a ng r a b r i e l 盆地流域地下水研究中，利用a r ei n f o 的a m l 语言实现与地下 水流模型c f e s t 的集成，g i s 作为模型的前处理，模型运算结果经g i s 进行分析。在佛罗里达 南部水资源管理中，采用三维有限差分模型m o d f l o w 作为地f 水模拟系统，在a r ei n f o 环境下， 利用a m l 和f o r t r a n 7 7 开发了m o d e lg i s 。e l - k a d i 等利用g i s 的图形和数据处理能力，将g i s 作为地下水模型的外壳，在o a h u 和h a w a i i 建c r t - - 维数值模型p w 。t a n g c h a n g y u a n 等建立了基 于a r c v i e w 的地下水流模型1 4 0 1 。瑞士n e u c h a t e l 大学k i w a n e i e r i f 在其博十论文中，给出了一个建 立三维水文地质模型的简要方法，所建立的模型准备用于v a l a i s 地下水的管理与保护工作。 k e n n e t h , k e 还在g i s 环境下，建立了地f 水勘探开发、模拟、评价与管理系统1 4 “。在1 9 9 2 年， w e n d l a n d 建立了基于g i s 支持的模型，这种模型被用来区分不同地区地下水中所溶解的硝酸盐 含量的不同。在1 9 9 3 年，w a n d l a n d 等将这个模型作为保护地下水资源可持续发展的工具，但是 这个模型受区域条件的限制不具有推广性1 4 。 ( 2 ) 国内发展现状 我国对g i s 系统的应用和发展较晚。武强等人研究开发了以m a pi n f o 为平台的塔里木盆地 地下水资源管理地理信息系统州；邢毅建立了南方某城市的g i s 城市地r 水管理模型”；宫辉力 5 中国农业大学硕士学位论文第一草绪论 等人建立了g i s 技术支持下的城市水资源管理模型；陈佩佩等人又开发了徐州市岩溶地下水资源 信息系统。刘明柱，陈鸿汉等分析研究了g i s 系统在区域承载力评价中的应用，建立了相应的模 型，并应用此模型对安徽省天长市地下水资源承载力进行了评价 4 6 j 。该模型首次将g i s 的空间数 据的分析和存储功能应用于水资源承载力评价中，并取得了很好的效果，但是它对模型的评价因 子知识进行了简单的叠加，缺乏准确性。王疆霞等人又提出了将g i s 应用与水文学和水资源管理 方面的建议1 4 7 】；杨旭等人又开发了基于组件式g i s 的地下水动态管理系统h 8 ”i 。这些研究在国内 率先将g i s 应用于她下水模拟、评价和管理，为地下水资源管理t 作提供了新的技术手段，拓宽 了研究思路。 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 根据以上分析，结合本课题的研究方向，本文确定在以下儿个方面进行细致深入的探索研究 ( 1 ) 利用g i s 系统建立典型区域的水资源信息库： ( 2 ) 基于g i s 系统的降雨量分布和计算方法的应用研究； ( 3 ) 基于g i s 系统的水资源量评价方法的应用研究； ( 4 ) 基于g i s 系统的地下水采补和地下水动态变化趋势的研究； 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 数字化方法 数字化方法是将位图图形转换成矢量图形的过程。数字化方法主要有手扶跟踪数字化和光学 扫描仪的栅格扫描数字化两种类型。本文采用手扶跟踪形式且数字化t 作主要包括以下六个图 层：等高线图层、水系图层、地物图层、地名图层、区界图层和交通图层等。根据有关g i s 的图 层、数据库以及数字化的图层，利用g i s 技术数字滑轨划区的边界图、岩性参数分区图、行政区划 图等( 其中的图层应包括规划区内的水系、水域、道路、桥梁、居民、种植结构) 。利用g i s 系统 中的s p l i n e 模块和a r c s c e n e 丁具对全球定位系统( g p s ) 所测得的地理信息数据( * e 0 0 文件) 进 行处理和分析，绘制了通州区地形、水系三维示意图( d e m ) ，如附图l 所示。 ( 2 ) 网格化方法 为了分析大气、地表水和地下水在区域面上的特征值，减少计算的工作量，利用g i s 技术将 通州区进行网格化，每个网格的大小应根据规划区的面积进行确定。本文把网格划分为5 0 0 5 0 0 m ，代表0 2 5 k m 2 的区域，覆盖研究区的网格共计3 6 2 8 个，研究水资源在每个网格内的时空变 化，然后再将每个网格进行迭加。由于研究区边界并不是规则的，所以按照面积为0 2 5 k i n 2 的单元 网格进行分区，不能正好将规划区分成3 6 2 8 个单元格，而且所分的网格在边界处并不是边长为 5 0 0 m 的正方形而是不规则的多边形，为了减少计算误差，要对所划分的单元格进行修正。按照少 删多补的原则，即如果在规划区内所占比例大于1 3 ，则将其添补成边长为5 0 0 m 的正方形；如果 在规划区内所占的比例小于1 3 ，则将其删掉。 ( 3 ) 动态均衡法 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 根据分区单位时段内地下水位上升或下降所代表的含水层的水体积来计算地下水的补给量 和排泄量。将年内各时段补给量和排泄量累计得到全年的补给量和排泄量。其基本均衡方程式将 在第六章进行详细介绍。本文将每个月分为2 个时段，利用g i s 的空间分析功能得出每个网格内 各个时段的地下水水位值，然后按模型进行补给量和排泄量的分析和计算。 1 3 3 具体的技术路线 具体研究路线如下： ( 1 ) 收集研究区域有关水文气象及社会经济资料，对有关地图( 雨量站和地f 水动态观测 井分布图) 扫描矢量化和数字化，建立地图空间数据库和属性数据库。通过高程控制点生成区域 d e m 地形模型，并进行地形分析。 ( 2 ) 对时间序列资料，如降水、地下水动态、开采量等进行统计、回归分析、插补延长，为 水资源评价提供基本水资源信息库。 ( 3 ) 根据水文地质状况和流域界限在g 1 s 环境下生成岩性参数分区、流域分区以及行政区 划专题图。在此基础上利用g i s 对通州区进行网格剖分，井利用等值线生成t 具根据雨量和地下 水位控制点资料插值生成历年降水和地下水位等值线圈，计算每个网格上的特征值。 ( 4 ) 通过( 3 1 s 的空问叠加分析功能，根据降雨径流关系和动态均衡法分别评价地表水资源 和地下水资源。并根据历年地f 水动态，研究地下水系统的补径排条件，确定地下水超采区和开 采潜力区的范围和变化趋势。 ( 5 ) 为了确保论文的完整性，采用单因素分析法对地表水和地下水水质进行评价，利用g i s 的可视化功能将评价结果表现在图形上。 ( 6 ) 通过对水资源的开发利用情况的调查，供需水分析和预测，以乡镇为单位，结合g i s 分析备乡镇的评价指标值，利用多目标多层次分析法对水资源的承载能力进行分析评分。 7 中国农业大学硕士学位论文第二章研究区概况 2 自然地理 2 1 ，地理位置 第二章研究区概况 通州区位于北京市东南部，京杭大运河北端。区域地理坐标北纬3 9 。3 6 ，_ _ 4 0 。0 2 ，东经 1 1 6 。3 2 - - 11 6 。5 6 ，东西宽3 6 5k m ，南北长4 8k m ，面积9 0 7 k m 2 。 西临朝阳区、大兴区，北与顺义区接壤，东隔潮自河与河北省三河市、大厂回族自治县、香 河县相连，南和天津市武清县、河北省廊坊市交界。紧邻北京中央商务区( c b d ) ，西距国贸中 心1 3 k m ，北距首都机场1 6 k m ，东距塘沽港1 0 0k m ，素有“一京二卫三通州”之称。 2 1 2 地形地貌 通州区属于洪冲积平原，位于永定河与潮白河冲积平原的交汇处。地形由西北向东南缓慢倾 斜。该地长期受到永定河和潮白河的洪冲积交替影响，致使地形形态各不相同：在张家湾至南刘 各庄以北地区地形起伏较大，地面标高在2 0 m 以上，平均坡度0 5 0 ，河流两侧零星分布有沙丘 和残留台地：东部潮白河及北运河之间，由于长期受到河流泛滥作用的影响，造成地形北东一南 西向的波伏起伏：近河两岸地势较高，两河之间地势较低，两者高差1 o _ 一1 5 m ；本区的南部处 在永定河和潮白河洪冲积平原的边缘地带，形成了凹地，地面标高8 2 一1 5 m ，坡降o 4 0 。 由于新构造运动的影响，使构造体一侧断块上升而另一侧下降，形成了有名的北京凹陷和华 北断陷平原。在凹陷里接受了巨厚的第四季沉积，形成了永定河及潮白河洪冲积扇。通州区位于 该洪冲积扇的前缘部位，与华北大平原相连。其地貌形态可分为河床、河漫滩、阶地、决口扇、 古河道及风成沙丘等。 2 1 3 水文地质 通州地区第四系地层r 泛分布，厚度较大，含水层较好。目前工农业地下水开采段均在3 0 0m 以上的第四系含水层中，底部基岩揭露较少。本区第四系发育地层较全，从下更新统至全新统均 有沉积；在古地形较高的部位，如通州北部和西部地区，缺失更新统地层。区内第四系沉积物以 洪冲积相为主，并有问歇的河湖相沉积及冰川和冰水沉积。岩性以灰色、黄色粘土，粘质粉土砂 质粉十为主，并夹有粉细砂、中粗砂、砾石等，其厚度约占第四系地层总厚度的三分之一。第四 系埋深最浅处在白庙一带，为1 9 1m ，最深处在东方化工厂至甘棠一线，大于5 0 0m 。 2 1 4 河流水系 通州区的河流属海河流域，境内有潮白河和北运河两大水系通过。 潮白河水系：潮自河是海河水系四大河流之一，上源为两大支流，东为潮河，西为白河。两 8 中国农业大学硕士学位论文第二章研究区概况 河于密云西南的河槽村相汇后称潮白河。潮 白河由北向南流经密云、怀柔、顺义区后， 在宋庄的港北村进入通州区境内，后从东堡 折向东南南西集的大沙务流入河北省。潮白 河在通州区为界河( 过境河流) ，通州区境 内河道长4 1 7 k m ，集水面积7 0 o k r a 2 。 北运河水系：北运河同样是海河水系四 大河流之一，北运河北起通州区北关闸，流 经武窑、沙古堆，于西集的牛牧屯南下出境， 流经河北省至天津市大红桥注入海河。北运 河在通州区北关闸以上称为温榆河，境内另 有北运河支流通惠河、凉水河、凤港减河等。 通州区境内北运河主河道长4 2 k i n ，主河道 集水面积1 6 4 5 k m 2 。通州区地形及河流水系 情况蚍图2 1 。 2 2 水文气象 2 2 1 气候 图2 - 1 通州区地形、水系、水利工程示意图 通州区处于海河流域，潮白河和北运河大水系。通州区属暖温带大陆季风性气候，春天干旱 少雨、多风、蒸发强度大；夏季炎热多雨；秋季天高气爽，风和日丽：冬季因受蒙古高压槽影响， 干燥寒冷，盛行偏北风。 通州区多年平均气温( 以通县气象站1 9 5 6 - 2 0 0 0 年观测资料代表) 为摄氏1 1 6 5 c ，最高月 平均气温发生在7 月份，为摄氏2 5 9 6 c ；最低月平均气温发生在1 月份，为摄氏_ 4 7 1 ，平均 温差3 0 6 7 ( 2 。区内多年平均年光照2 7 3 0 h ，无霜期1 8 5 d ，平均相对湿度5 6 8 ，虽大冻土深度 0 5 6m ，年平均风速2 6m s 。 2 2 2 降水 根据通县气象站1 9 5 6 , - - 2 0 0 0 年4 5 年降水量资料统计，通州城区多年平均降水量5 9 1 3m m ， 降水呈现年际变化大，年内集中的特点，汛期为6 - 9 月，占全年降水量的8 3 1 3 。4 5 年系列中最 大年( 1 9 5 9 年) 降水茸为1 1 1 4 2r n l l l ，晟小年( 1 9 9 9 年) 降水量为2 2 7 0n u l l ，最大年与最小年 降水量之比为4 9 1 倍。 9 2 2 3 蒸发 通州区多年平均蒸发量 ( 以通县气象站1 9 5 6 2 0 0 0 年观测资料代表) 为l1 6 4 4 m m ( 由1 3 2 0 换算成e 6 0 l 的 蒸发虽值，折算系数取 0 6 2 ) ，年内蒸发量以4 、5 、 6 三个月最大，占全年的 4 1 9 ，冬季1 2 、1 、2 月摄 小，仅占全年的1 0 3 。人 多数年份，7 、8 月份降水多 于蒸发，其它月份蒸发大于 降水。通县气象站多年平均 图2 2 通州区多年平均降水一蒸发一气温变化对比固 降水一蒸发气温年内变化对 比见图2 - 2 。 2 3 社会经济 通州区下辖1 1 个乡镇，4 8 3 个行政村，总 人口5 9 7 4 万人，其中农业人口4 0 6 6 万人，农 村劳动力1 8 3 7 万人，非农业人口1 9 0 8 万人， 如剧2 3 。 通州区2 0 0 0 年国内生产总值5 7 1 2 8 2 万元， 其中篇一产业1 0 6 7 3 6 万元，第二产业1 9 3 3 9 4 万 元，第三产业2 7 1 1 5 2 万元。社会总产值 1 2 1 6 3 1 5 4 万元。2 0 0 0 年城镇居民人均收入7 1 3 5 元，农民人均收入4 9 0 3 元。 全区总耕地面积4 9 万公顷，占总土地面积 的5 6 2 3 ，其中粮田2 5 万公顷，菜田1 9 万公 顷，果园o 3 5 万公顷，其他经济作物0 ，1 3 万公 顷。有鱼池水面0 0 2 万公顷。 图2 3 通州区多镇分区图 2 4 水利工程现状 通州区内主要河流上建有大中型拦河闸1 2 座，橡胶坝3 座；主干沟渠1 8 0 余条，中小河流 及主干沟渠上建有小型水闸9 8 座，橡胶坝5 座。在区内主干河道及主要支流上共建灌溉引水口 中国农业大学硕士学位论文 第二章研究区概况 1 7 处，扬水站8 5 0 多处，设计引提水能力1 6 0 4 m 3 s 。进入2 0 世纪八十年代以来，由于上游官厅、 密云两大水库供农业用水量减少，再加上上游取水量增加，河流污染等，地表水可用摄大大减少， 改用地下水灌溉，因此大部分引水工程已经闲置不用，现在只有8 处还在运行，设计引水能力约 4 5 m 3 s ，见图2 - 4 所示。全i 趸共有农用机井8 3 2 0 眼，井深为8 0 1 2 0 m ，单井出水量4 0 6 0 m 3 h ， 静水位埋深高水位期为2 叭一8 8 7 m ，低水位期为2 9 4 , - - 1 0 6 7 m 。 图2 - 4 通州医水：n - r 程现状分布图 中国农业大学硕+ 学位论文 第三章遥州区水资源空间信息库的建立 第三章通州区水资源空间信息库的建立 3 1 基本资料概况 本文所涉及的基本资料包括水文气象、地下水动态等要素的历史观测资料以及地形地貌、水 文地质、数字地图等基础地理信息资料。与区域降水量、径流量、蒸发量资料有关的站网概况如 f ： 3 1 1 雨量站 本文所使用的雨量站均为国家级雨 量观测站，其中区内雨量站共5 站，区 外雨晕站共4 站。其中通县气象站为国 家级气象站，自1 9 5 6 年开始观测降水 量，观测系列k ，观测项目齐全。 3 1 2 水文站 本文所使用的水文站有潮白河下游 的苏庄水文站和北运河上的通县水文 站。其中苏庄水文站是潮白河下游控制 站，位丁顺义区南部，自1 9 2 4 年起观测 潮白河径流量，同时观测降水、蒸发等 数据。通县水文站为北运河控制站，位 于通州城区北关闸，1 9 5 6 年设站，观测 径流量、降水量等资料。该站曾在1 9 7 4 年由上游温榆河范庄移至现址。 3 1 3 蒸发站 图3 - 1 雨量站、水文站分布图 本文使用的蒸发资料取自通县气象站