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基于灰色系统的黄龙钙华景观演化研究 地图学与地理信息系统专业 研究生范立学指导教师辜寄蓉 黄龙的景观可称为一种高寒山区的地表岩溶堆积地貌景观。这条“黄龙” 完全是由钙华堆积而成的，它是数万年的岩溶地质作用下的产物。但近年来 黄龙钙华出现了干涸、变黑、沙化等现象，严重影响了景观的观赏性。深入 地研究该地区的钙华演变规律和影响因素，对于采取科学的保护措施，控制 人为活动对钙华资源的不利影响，将具有重要作用。 本文用g i s 技术支持建立了黄龙地区的空间数据库，全面分析了黄龙钙 华形成的地质、水文背景特征和钙华演变的影响因素。针对水资源在黄龙钙 华发展变化中的重要作用，和黄龙地区监测系统不健全，时间序列数据缺乏 的特点。本文选用了对时间序列数据要求不高、预测效果较好的灰色系统g m ( 1 ，1 ) 模型，以岩溶水体的p i - i 值为内容预测了钙华未来的发展情况。最后 利用基于地统计学空间分析理论的克里金插值法，对预测结果进行插值获得 了整个景区的钙华预测结果。并按p h 值 6 3 7 0 为强侵蚀，6 3 7 o p h 值 8 1 8 3 3 为弱侵蚀，8 1 8 3 3 p h 僮为堆积，将钙华演化情况划 为三种类型 通过本文的研究可以发现，黄龙钙华景观目前正处于动态平衡与消亡重组 阶段，黄龙钙华在未来将长期处于极其缓慢的侵蚀消亡状态。 关键词：黄龙钙华空间数据库灰色系统克立金插值演化预测 t h et r a v e r t i n ed e v e l o p m e n to f g r a ym o d e l r e s e a r c hi n h u a n g l o n g b a s e do ng i s a b s t r a c t ：t h et r a v e r t i n el a n d s c a p ei n h u a n g l o n gs c e n i cs p o t si s s u r f i c i a ld e p o s i t i o ni na l p i n ea n dv e r yc o l dr e g i o n t h ef o r m a t i o n l a s t e df o rs e v e r a lt e nt h o u s a n d s h o w e v e r ，i nr e c e n ty e a r s ，t h e l a n d s c a p ec o m et ob ed r i e du p , b l a c k e n ，s a n d e d ，w h i c hh a v es e r i o u s l y a f f e c t e dt h es i g h t sa d m i r i n gv a l u e i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot a k et h e p r o t e c t e dm e a s u r e sa n dc o n t r o lh u m a na c t i v i t yt h h tr e s e a r c ht h er u l e s a n da f f e c t e df a c t o r so ft r a v e r t i n e 。 b yt h e3 st e c h n o l o g ys u p p o r t i n g ，t h eh u a n g l o n gs p a c ed a t a b a s ei s s e tu p ，a n dt h eg e o l o g i c a la n dh y d r o l o g yg e n e s i sa r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h ei m p o r t a n c eo fw a t e rr e s o u r c e ，t h i sp a p e rs e t u pt h ep hv a l u e m o d e lt op r e d i c tt h et r a v e r t i n ed e v e l o p m e n t b y m o n i t o r i n gs y s t e ml a c k e d ，t h em o d e li sb a s e do ng r a ys y s t e mm o d e l g m ( 1 ，1 ) a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e dd a t a ，t h i sp a p e rp r e d i c t e dt h e t r a v e r t i n ed e v e l o p m e n tw i t hk r i g ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d t h et r a v e r t i n e i sd i v i d e di n t oh e a v yc o r r o s i o n ，s l i g h t l yc o r r o s i o n ，d e p o s i ta c c o r d i n g t ot h ep hv a l u e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a v e r t i n el a n d s c a p e si nh u a n g l o n ga r e a s t a ya tt h es t a g eb e t w e e nd y n a m i ce q u i l i b r i l 瑚a n d d i s a p p e a r a n c e 盏 r e c o m b i n a t i o n ，a n dd e c a yt r e n dw i l lg oo n 。 k e y w o r d s ：h u a n g l o n g 姐v e r t i n e ，s p a c ed a t a b a s e , g r a ym o d e lk r i g e i n t e r p o l a t i o n ，d e v e l o p m e n tp r e d i c t i o n 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师塞壹蓥指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如困不符 而引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之，学位论文著作权拥有者须授权所在大学 拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索；2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的 学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、 浏览。 论文作者签名：范立学 年月日 趟老t 萼戈 第一章前言 1 1 研究意义 黄龙风景名胜区位于阿坝藏族羌族自治州东北边缘，因有一座建于明代 的黄龙寺而得名。黄龙景区是一片以喀斯特岩溶地貌景观为主的景区，具有 丰富而且密集的动植物资源和旅游资源。它包括3 0 0 0 多个高山彩池，8 万平方 米钙华滩流和5 个岩溶瀑布以及4 个钟乳石溶洞构成的独特景观。黄龙景观享 誉世界，目前已成为我省和我国乃至世界知名的旅游品牌，具有密集性、稀 缺性、独特性和不可再生性的特点正是由于其特殊性和重要性1 9 8 0 年松潘 县人民政府派人对景区进行调查踏勘和初步规划，向省建委申报建立了黄龙 自然风景区。1 9 8 2 年，黄龙与九寨沟一起被评为中国重点风景名胜区。1 9 9 2 年，黄龙顺利通过联合国教科文组织专家的严格审核，随后被列入世界自然 遗产名录。2 0 0 1 年和2 0 0 2 年，黄龙又先后荣获世界生物圈保护区、，首批国家 从从级景区、绿色环球2 l 等多项荣誉，在旅游界处于十分重要的地位。 但正如世间万物都有其不可避免的盛衰规律一样，近年来景区局部地段 水量明显减少、瀑布出现萎缩、景观钙华严重退化，如不采取适当的干预措 施该地区有可能出现美景不再的情况。深入地研究该区的钙华演变规律和影 响因素，对于采取科学的保护措施，控制人为活动对黄龙水资源及钙华资源 的不利影响，使具有丰富地质遗迹及生物多样性的自然生态系统得到有效的 保护，将发挥决策支持的重要作用。同时，唯有正确的保护措施才能让黄龙 岩溶国家地质公园内的地质遗迹景观持续利用，使“人间瑶池”的黄龙长存 于世，达到保护、开发和利用的和谐统一，增加社会、经济、环境效益的多 重目的。本文在综合借鉴前人众多研究成果和方法的基础上，利用现代遥感 技术和6 i s 技术的成果与优势，同时选用获得良好应用效果的灰色系统，对黄 龙钙华的演变进行研究。其研究成果对今后的研究和钙华保护具有一定的参 考价值。 1 2 黄龙钙华演化与地理信息模型研究现状 i 2 i 黄龙钙华演化成因研究现状 黄龙岩溶国家地质公园内系统的科学调查和研究始于2 0 世h ? , 7 0 年代，先 后有省地矿局所属的区调队、水文队、化探队、物探队，省环境地质监测总 站，中国人民解放军0 0 9 3 9 部队，中国科学院所属的山地所，阿坝州地震局， 省地震局地质队，省林业厅，县林业局、国土局等单位，在区内开展不同程 度不同学科的调查。 近年来随着全球气候变暖等的影响，天山及青藏高原许多冰川、高原湖 泊出现了倒退、萎缩甚至消失的倩形。在九寨沟一黄龙地区随着旅游业飞速发 展。游客数量逐年递增，对九寨沟一黄龙地区整个生态环境系统产生了极其全 面和深刻的影响，出现了钙华景观退化变黑、沙化严重等问题。为了深入揭示 九寨沟一黄龙景观资源变化原理，查明这一现象的引发机制，实现旅游资源的 可持续利用，四川省科委在1 9 9 8 年批准地矿局区调队等单位进行了“九寨沟、 黄龙世界自然遗产区地质及水循环系统研究”获得了一大批重要的科研成果。 作为对“九寨沟、黄龙世界自然遗产区地质及水循环系统研究”的继续 2 0 0 4 年四川省发展和改革委员会集相关部门和专家意见，设立了九寨一黄龙 核心景区水资源及生态地质环境可持续发展综合应用研究总课题。其下设 子课题o h 寨一黄龙核心景区景观形成的地质环境和水循环系统模式测定、监 测系统建立及景观保育技术应用研究，由霞j l l 省地质矿产劫查开发局承担并 组织实施。现已对钙华的成因和演变有了初步认识，建立了黄龙主沟钙华演 变音4 面，获得以下阶段往成果： ( 1 ) 除大气降水的波动变化，以及年初的降雪、积雪与5 月份的融雪对 景观水起着控制作用外，九寨沟上游长海鸽巨大库容，并通过地下岩溶承系 统补给日则沟，使日则沟的一些重要海予如箭竹海、镜海、犀牛海能保持不 同季节、不同年份的水位稳定，并使大部分海子、瀑布景观和水位、水量等 动态稳定i 黄龙上游五彩池水量与水质的多年或季节性稳定主要与上游l 6 号泉的流量、承质的相对稳定补给有关，而1 6 号泉群的形成则与受断层控 制的岩溶地下水流域有关。 ( 2 ) 在对各子系统分析的基础上确定了高瀑布子系统、诺日朗子系统所 存在的水量减少问题主要在于纵向地下漏失量加大，初步估计地下漏失量达 4 l 矗3 s 以上。这种因邻近海子闯钙化壤积层存在并形成的级向地表水、地下水 径流漏失与溢出的转化，是九寨沟海子景观水系统变化又一值得注意的重要 因素。 ( 3 ) 保持九寨、黄龙水量与水质平衡的另一重要因素是景区生态水层保 持良好、景区丰厚的植被层与腐殖层，对景区地表水与地下水调节起着十分 重要的作用 ( 4 ) 发现了局部黄龙水环境与钙华变质问题除降水原因外，地表漫流方 式的交换与地下承改道是使部分景观变黑、坍塌的另一重要原因。这一原因 是钙华迭积、黄龙景观演化过程的一种表现。 ( 5 ) 使用物探与地球化学分析方法对确定钙华体的分布，地下水通道或 运移特征具有非常重要的意义，能够取得一定效果。 ( 6 ) 景区局部地质与水文她质条件的改变，人类活动的影响尚需评估。 而国际上对钙华溶蚀沉积、发展演变规律的研究则远在1 6 世纪以前就开 始了。钙华是喀斯特地区河水、湖水或泉水等水体中在一定的物理、化学及 生物条件下沉淀析出的碳酸钙沉积，又称石灰华。这种碳酸钙沉积主要包括 具有生物构造的多孔状较疏松的生物型灰华( t u f a ) 和致密、多具良好结晶并 成层的结晶型灰华( t r a v e r t i n e ) 两类。前者以生物参与为特征，后者以无机 化学成因为主。 早期的研究认为钙华体主要是由物理及水化学作用产生，生物在钙华沉 积中所起的作用早在1 6 世纪就有人注意到了，但一直仅为少数人所接受，迄 今为止在学术界仍存在分歧。张英骏、莫仲达0 9 8 2 ) 提出钙华形成的“气泡 效应”观点，认为高速水流中低压气泡的产生是导致石灰华沉积的主要因素： 祝安对贵阳雅河钙华沉积进行研究认为急流瀑布河段的水流掺气、产生大量 气泡是导致钙华沉积的主要原因，他把这种钙华沉积机制叫做“掺气效应”， 并透过实验得出在掺气处石灰华沉积速度最快的数据：朱德浩( 1 9 8 0 ) 对九寨 3 一 沟的钙华进行研究，认为其成医主要是生物岩溶作用，生物的光合作用使水 中c o 逸出，导致水中的c a c o , 变得过饱和而沉积，此外，地形上的裂点和硬 岩层突起处由于首先形成小跌水而适宜子某些藻类、苔藓生长，因此钙华的 沉积也往往首先出现在这些地方；6 0 l u b i c ( 1 9 7 3 ) 认为藻类的生长确定了沉积 的总体形态，沉积发生在藻类和藓类生长最好的激流和瀑水处：8 0 年代。 s c h o l l 等( 1 9 8 4 ) 研究了美国加州m o n o 湖的泉华，发现其中有许多蓝藻丝状体 和球形体，它组成了泉华结构与构造的支架，认为其形成与蓝藻有关；c h a f e t z 等( 1 9 8 4 ) 认为细菌群体是启动方解石沉积的主要因子：我国学者田友萍等通 过对四川九寨沟、贵州黄果树、马岭河峡谷以及香纸沟的地表钙华的考察和 研究，首次在地表钙华体中发现现代淡水叠层石及其藻席，认为研究区叠层 石中微生物群落的优势种主要属于蓝藻门中的裂须藻属、席藻属和鞘丝藻属。 广西岩溶地质研究所袁道先、刘再华等人对黄龙沟内的钙华沉积速率进 行了现场试验研究。研究方法为沿黄龙沟选取了9 个观测试验点，放置统一 制作的重量已知的大理石岩片( 3 c m 3 c m o 3 c m ) ，3 4 d 后取出称重，从石 片重量的增加计算方解石的沉积速率。为获得水动力条件对沉积速率的影响 信息，于每一观铡点放置两块大理岩石片，一片位于流速较快的边石坝上， 一片放于流速较慢的钙华水池内。 试验结果表明，流速较快的边石坝处韵方解石沉积速率是其附近水池内 的2 5 倍，这清楚地显示了水动力条件对沉积速率的控制。进一步根据d b l 理论模型分析发现，水动力条件对方解石沉积速率的控制在于其对固液界面 阃扩散边界层( d b l ) 厚度的影响，流速愈快，d b l 厚度愈薄。且d b l 厚度最终 制约着沉积表面的化学组成浓度，即厚度愈小，表面h + 浓度愈低( 或p h 愈高) 、 方解石饱和指数愈高。进而方解石沉积愈快。 另据张英骏教授提出的“气泡效应”，流速增加将导致水流内部压力减小， 高速的水流内部会出现低压气泡，进一步发展会发生“气爆”，产生很高的压 力强度，有利于m 释放而造成c a c o ，的沉淀，由于特殊的水动力驱动，在流 水相当欠饱和的情况下，急流、瀑布也会使之形成瞬时的过饱和状态，引起 钙华沉积。此外，岩溶流水飞溅成的小水珠或水雾，有助予增大岩溶水与空 气的接触界面，使水中的c o 逸出获得更为充分的机会，从而达过饱和利于 c a c o 的沉积 表1 1 黄龙风景区及领区已开展研究情况 工作单位 工作内容工作时闻 省地矿局区调队l = 2 0 万漳腊区域地质调套报告1 9 7 8 省地震局地震地质队松潘平武地区地震地质调查报告 1 9 7 8 解放军0 0 9 3 9 部队 l ：5 0 万红原幅区域水文地质普查报告 1 9 7 9 成都水文地质工程队黄龙一九寨沟地质环境地质监测报告 1 9 8 8 1 9 9 6 成都水文地质工程队黄龙九寨沟旅游地质景观及矿泉水资源调查1 9 8 7 省地矿局化探队l ：2 0 万漳腊幅地球化学图说明书 1 9 8 9 省地矿局物探队四川省动航磁异常综合研究报告 1 9 9 l 省环境保护监测所黄龙一九寨景区环境质量及开发前景研究报告1 9 8 7 九寨沟、黄龙风景名胜区自然景观形成与旅游开 中科院成都山地所1 9 9 2 发优化模式研究 中科院成都山地所世界自然遗产九寨沟生态环境与保护 1 9 9 6 省地质矿产局四川省黄龙一九寨沟地质自然保护区划报告 1 9 8 7 省旅游地学研究会等 九寨沟一黄龙旅游线路总体规划 1 9 9 3 黄龙幅生态地质图说明书 1 9 9 8 2 0 0 0 四川省地矿局区调队 九寨沟幅、则查哇幅、红星岩幅、黄龙幅生态地 1 9 9 6 2 l 生态环境旅游资源调 质图说明书 查所 1 9 粥2 l 九寨沟、黄龙世界自然遗产区地质及水循环系 统研究报告 松潘牟尼沟水环境特征及钙华的成因与演化 2 0 0 0 2 0 0 2 研究报告 1 2 2 黄龙钙华演化阶段类型的研究 对于黄龙钙华演化的阶段类型划分，目前尚无统一标准不同的学者曾 经从不同的角度提出了各自的划分标准 四j i l 省地矿局的范晓工程师根据钙华的演化阶段分为幼年期、青壮年期、 老年期，其钙华的沉积特点可表现为成长型、平衡型、衰退型。成长型钙华 体形成年代较晚，整体以堆积作用为主。平衡型形成年代稍久，整体上堆积 与溶蚀作用大致相当。衰退型的钙华体则形成较远，整体上以溶蚀作用为主。 此外也有按成因将其分为原生建造型和再生建造型两种。所谓原生建造 型是指由钙华物源地适当条件下直接沉积析出形成的钙华堆积体。这一类钙 华体的主要景观有钙华瀑布和钙华梯池、边石坝以及原生洞穴和保存完整的 古钙华台地、钙华滩等钙华景观体。而再生建造型的钙华是指由先期形成的 钙华体经后来的地质作用改造后形成的钙华堆积体。主要钙华景观体有塌陷 湖泊、溶蚀溶洞以及钙华砂堆积体等。 根据前文所述，到目前为止已有不同的学者从不同角度对钙华演化的阶 段类型进行了研究，并各自进行了不同的划分。由于当前黄龙钙华面临的主 要问题是钙华萎缩、坍塌，而其直接原因就在于钙华体没有岩溶水体的钙华 沉积。因此本文认为，钙华演化阶段类型的划分应当能够反应钙华体的沉积 与侵蚀状态。当钙华体处于沉积状态时，其在未来一定时期内景观必然会继 续发育，而不会衰退。若钙华体处于被侵蚀状态时，其必然面临着退化的危 险，也应当是采取措施进行保护的重点。 通过研究分析，我们发现岩溶水的p h 值具有综合反映钙华沉积各因素的 天然优势，因而可根据p h 值的高低划分钙华演化阶段类型。因此本文根据黄 龙各监测点钙华目前侵蚀与堆积的情况，并结合前人的研究成果和反复试验 将其划分为强侵蚀、弱侵蚀、堆积三种类型由予不同年份监溅数据的误差， 以及监澳4 数据，监测方法的不同，以及灰色系统中自化函数的特点，确立了 其訇j 分标准。具体为：p h 值小于6 3 或7 0 的，岩溶水呈弱酸性主要以侵蚀 作用为主为强侵蚀型。由于岩溶水会随着季节和水量的变化而交替出现弱酸 性与弱碱性，相应地侵蚀与堆积两种情况会交替出现其侵蚀程度相对较弱， 因而可分为弱侵蚀型。其标准也根据监测季节相应为p h 值在6 3 或7 0 至8 1 或8 3 3 之间p h 值大于8 1 或8 3 3 的，岩溶水呈弱碱性以堆积作用为主可作 为堆积型。 1 2 3 地理信息模型研究的现状 地理信息系统应用领域十分广泛，目前g i s 的应用领域包括资源管理、 区域规划、国土监测、辅助决策等。随着g i s 技术发展及应用领域的扩大，g i s 一 的简单分析功能已远远不能满足需要。地学工作者及其他g i s 使用者常需要 功能更为复杂、强大的应用分析模型( 包括数学模型、环境模拟模型等) 。 虽然g i s 为解决各种问题提供了有效的基本工具，但对于某一专门应用目 的，必须构建专门的应用模型，例如土地利用适宜性模型、公园选址模型等。 模型是指用一定的方式对现实世界的事物、现象和系统的简化描述，特别 是对客观事物的特征、状态或属性及其变化规律的抽象和模拟。地学专业模 型是将地球信息的状态、结构及属性进行抽象，并进行深入分析模拟，以模 型的方式表达出来。按照不同目的，地学专业模型可分为不同的类型： 裹1 2 地学专韭应用模型的分类 应用模型具体内容 需求预测 动态仿真，回归辅助模型 预测模型 灰色预测g m ( 1 ，1 ) 模型 聚类分析系统聚类模型，动态聚类模型，模糊聚类模型 分类模型 判别分析两类判别分析，多类判别分析、逐步判别分析 最优化决线性规划模型单纯型方法，对偶单纯型方法 策模型 多目标线性规划模型 分层评价法、分层单纯型法 规划模型 最优规划模型线性规划模型、动态规划模型、选址模型 评价模型 综合效益评价主成分分析，多因素综合评价模型、层次分析 目前，s d s s 空f 田模型与g i s 集成方式主要有以下两种形式。 松散集成模式；参与集成的g i s 软件和s d s s 模型软件基本独立运行，利 用文件交换机制来实现数据交换。模型所需的数据从g i s 数据库中获取，空 间查询和显示由g i s 完成。松散集成的优点是开发费用低，风险小，易实现， 保持了空间分析模型的专业特色，有利于分析理解模拟结果。但这种集成的 系统效率低，增加了非专业人员掌握和应用的难度。本次研究中的空间数据 库就使用了a r c g i s 软件，而钙华演变的灰色系统模型则使用m a t l a b 软件实 现，达到了快速高效的目的。 紧密集成模式：以一个系统为主，加入另一个系统的功能，两者具有共 同的用户界面，通过共享文件和存贮空间实现无缝连接。紧密集成有两种方 式：一种是将专业模型嵌入g i s 中，一另一种是对模型进行功能扩充，使其具 有g i s 的基本功能。目前多数g i s 厂商都提供二次开发的组件，可利用高级 语言开发分析模型模块并完成二者的集成。采用现有g i s 软件与分析软件包 来构造s d s s ，不仅可以充分利用现有软件资源，而且具有系统稳定等优点。 由于地理对象和应用目的的多样性，针对特定问题和区域的地理信息系统 都需要特定的方法和模型，因此开发一个通用的模型系统是不可能的。因此， g i s 应用模型系统已是当前g i s 领域十分活跃的研究领域。目前，g i s 应用模 型仍面临着，开发，管理，集成等问题。鉴于g i s 应用模型具有动态性、多 元性、复杂性、综合性和重复使用率低等特点，模型库系统的设计与开发还 是一个具有相当难度的工作。当前对应用模型的研究更多集中在具体个案方 面如：土地适宜性评估、森林蓄积量等，而将g i s 和灰色系统结合应用于钙 华的研究，则鲜有报道。如何将其用于黄龙钙华的研究，在g i s 的支持下开 发出适合黄龙钙华演变的模型，是一件十分有意义的工作。目前仅有辜寄蓉、 范晓等对九寨沟地质灾害的研究报道。 1 3 现有研究成果评价与意义 该地区已有研究成果多停留在描述和定性分析阶段。由于过去的工作是 分部门进行的，部门间缺乏衔接；同时过去的工作多侧重于基础地质工作， 对景观的调查也侧重于景观的形态及变化的描述，以及问题的提出；定量监 铡不系统，厨期短。初步的研究工作孛，暴露出她表水、地下水动态监测资 料存在较多河题，主要包括：对黄龙地下水、地表水监铡点是1 9 8 6 年建立起 来的，鉴于当对的认识水平及经济、技术条件，监测点布置不尽合理、监测 手段很简陋、监测时间短、间断太多、相关资料短缺，不能系统、有效的反 跌出沟中承循环系统的动态变化规律。以及与相关影响因素的关系，很不适 应现代科学技术的需要。 九寨黄龙景观区未作系统的大比例尺( 1 ：2 0 0 0 - - i ：5 0 0 0 ) 的测量和调绘。 目前研究九寨黄龙核心景区的地理底图，最大比例尺仅为i ：5 万，投有 1 ：2 0 0 0 一l ：5 0 0 0 或l ：1 0 0 0 0 的地形图，且各研究单位使用的景观参数尚不统 一，制约着九寨一黄龙核心景区的研究精度，影响景区水循环系统研究的深 入。但这些研究却为该地区的大比例尺( 1 ：2 0 0 0 - - 1 ：5 0 0 0 ) 的测量和调绘积 累了经验，奠定了技术基础。 钙华景观形成与演化的研究方面。对于黄龙景区钙华景观形成的地质模 式有了一定的认识。钙华的形成，得盏于深层循环地下水溢出携带的c a c o , 成分，其景观的演化也受控于泉水的转化。但目前尚未开展控制和监测其演 化过程的定量化监测与研究，这就构成了对黄龙钙华景观的演化趋势作出准 确的判断的局艰性。 旅游开发等人为作用对景观保护和可持续利用的影响缺乏论证和评价。 随着旅游开发的进一步发展，旅游活动、景区建设等人为作用对景观保护和 可持续利用的影响日渐受到各界的关注，如何保护好景观资源，如何正确协 调处理经济发展与环境保护，“在保护中开发、在开发中保护”的关系，也成 为追在眉睫的问题。， 1 4 本文的研究内容与意义 本文依托于2 0 0 5 年5 月四川省垴质矿产勘查开发局承担的九寨黄龙 核心景区水资源及生态地质环境可持续发展综合应用研究课题的信息系统 建设( g i s ) 专项在省地矿局区调队、水工队，成都理工大学，省地质环境监 测总站等单位研究工作的基础上，以野外调查中形成的各种数据为基础，建 成g i s 系统的空间数据库平台。通过研究获得了一些有意义的成果，现简述 如下： ( 1 ) 本文在该区域使用g i s 技术实现了对多种类型和来源数据的统一管 理。利用该地区l ：2 0 0 0 和1 ：2 5 0 0 0 的大比例尺地形图测绘数据，建立了该 地区较为完善的地理信息库。 ( 2 ) 本文在空间数据库的支持下成功地将地理信息系统，灰色系统理论 运用于钙华演化研究，实现了三者的有机结合。这为今后类似的研究提供了 宝贵经验，和实证案例。 ( 3 ) 本文提出了钙华体演化阶段类型利用岩溶水的p h 值划分的方法， 并给出了划分的白化区间。即p h 值 6 3 7 0 为强侵蚀，6 3 7 0 p h 值 一 8 1 8 3 3 为弱侵蚀，8 1 8 3 3 代入数据解得，x 值介于2 8 7 1 ，因而由灰岩等碳酸盐类矿物分解和深 变质作用产生的c 0 2 占岩溶泉水中的c o 的2 8 7 1 ，而来自于大气与土壤中 的c o , 占7 2 2 。 园区内碳酸盐岩分布面积广且出露海拔较高，在区内含c o , 的大气降水和 地表水的淋滤、下渗作用下，发生水一岩作用。部分c a 妇c o i 被溶解葡进入 2 1 地下水含水系统。地下水在地下通道的运移过程中不断溶入上述来源0 嘎，随 着时间增长，运移深度的增加，地下水中的c 0 - 含量也随之增加，地下永对碳 酸盐岩通道壁的溶蚀能力也随着增强，地下水与岩体之间的水一岩作用也随之 增强。大量的c a m g c o , 形成c a m g ( h c 嘎) ：而进入地下水系统，从而补给 区内钙华物源的重要组成成分c a 钐”。 在园区内还存在一种c a vm g ”的来源，区内古钙华体的重结晶作用比较 显著，如黄龙下游溶洞群中溶洞洞底和洞项的钟乳状钙华，其c a m g “大部 分来源于早期古钙华体的溶蚀而带来的。据同位素研究，在此溶洞群的一个 溶洞中其洞项古钙华体与洞底古钙华体样品中，前者6 ”o 。为2 2 5 3 5 。后 者为1 7 。9 0 4 ，两者61 s o 。为4 6 3 1 。根据”o 同位素在水中的天然丰度比 各种岩石矿物中的同种元素的含量低得多的特性，在水与岩石矿物作用下发 生同位素交换，其结果常导致水牵奄同位素升高，而岩石矿物的1 铂同位素 含量则降低，用这一原理，可以推断溶洞底的钟乳状钙华为洞顶古钙华体经 地表水入渗发生溶解、重结晶的结果。 总之，圊区内广泛分布的碳酸岩成为钙华钙华形成的物质来源。由于断 裂和褶皱形成的岩石裂隙，则成为钙华形成的物质场所。而主要来源于地下 深层的岩溶泉水所富含的c 0 2 ，则使这种演变成为了可能。因此正是黄龙地区 特殊的地质背景和水文特征成为了黄龙钙华景观形成的重要前提条件。 第三章空间数据库设计与实现 3 1 黄龙空闻数据库设计原理 由于空间信息不仅包括地理事物的空间位置、几何形状等位置信息，而 且还包括事物的性质、名称、级别等属性信息。因此，信息的来源与表达形 式也是多种多样。位置信息可以遗图的形式表达，它可以直观充分地反映和 表现事物的空间形状，结构和联系，可以进行量算。属性信息可以二维关系 表的形式进行记录，其中表的每一个字段表示事物特征的一个方面。此外还 有记录数据的来源和处理方法的元数据，通过卫星获取的地貌特征的栅格数 据，以及其它类型的文字图形与多媒体数据。需要指出的是- 尽管空间信息 的形式多种多样，但作为一个具体的信息系统并不一定包括以上提到的每种 数据。 图3 1 空闻信息的形式 由于空f 回信息同时包括图彤数据和属性数据的特殊性，因此空间数据库 必须实现对二者的协调管理。在计算机环境下，对属性的描述不限于某一方 面的地理特征，对图形的表达和表现也不受比例，要素构成层次等影响，要 素可以随意组合，显示，查询不再固执于特定要素。更重要的是，空间分析 可以通过图形和属性两方面进行，提高信息分析的精确性和深度。 同时图形数据与属性数据不但性质不同，而且数据结构也有区别。在计 算机中，属性数据可以具有定长和规则结构，从而可以用关系表形式存储和 表达，而图形数据尤其是矢量坐标表示的图形数据，一般不是定长的，采用 网络、层次等特殊结构，因此两类数据一般分别存储，通过数据连接方式进 行相关调用。具体的实现方法有以下几种。一种方法是，单独开发一个图形 编辑系统负责图形数据的输入、编辑和管理，而属性数据则利用通用的商用 数据库软件进行管理。两者之间则通过a d o 控件进行通信，从而实现对图形 数据和属性数据的管理。此种方法对开发人员的计算机水平和g i s 理论与实 践均有较高要求，一般较少采用。事实上，目前许多6 i s 软件厂商都己推出 了许多商用g i s 软件。这些软件内部同时具有图形编辑功能和属性管理功能， 而两者之间则通过内部通信机制进行连接。由于这些软件大都经过长期的市 场检验，由专业的g i s 厂商开发，因而产品质量可靠、功能齐全。因此当前 许多空间数据库的建设都无需再独立进行软件开发，而可以直接采用这些软 件，如；a r c g i s 、m a p i n f o 、s u p e r m a p 、m a p g i s 、o r a c l e 等。因此目前空间 数据库建设的任务主要是数据库结构设计、信息编码、数据录入与编辑。 建立一个空间数据库系统，需要进行项目论证、人员组织、硬件配置、空 间数据库构建和系统运行维护。空间数据库构建的主要任务为系统分析、数 据库设计、资料收集整理、数据输入编辑和符号设置等。 3 2 黄龙空间数据库建设过程 黄龙钙华研究空间数据库建设的目标是，查清黄龙地区钙华景观的分布 现状。建立黄龙地区生态、地质、水循环的基本地理信息。记录影响钙华生 长变化各因素的监铡数据，并将其作为分析钙华景观变化的平台。同时建立 钙华景观演化阶段的评价指标体系，并据此划分出各钙华体现在所处的演化 阶段利用所建立的评价指标并结合地质灾害体和人类工程对钙华景观的影 响对钙华景观的发展趋势作出预厕，尤其是近期由于降水量的减少对钙华退 化可能带来的影响医此数据库中的数据来源不仅包括各种基础地理信息数 据如，等高线地形爵、地貌图，而且包括c e s 监测数据，各种遥感数据。各水 文和地质监测点的水文记录数据，物探信息数据，监测点位址信息数据，监 测的方法与时何等各种元数据 、 本文根据以上研究目的和所收集收集到的数据特点，采用g e o d a t a b a s e 建 立黄龙的空间数据库。g e o d a t a b a s e 中的信息类型包括：表、对象类、要素类、 要素回( 或对象间) 关系、拓扑关系、元数据等。其程序为第一步根据地理 实体的几何类型，决定其在g e o d a t a b a s e 中的几何类型和属性类型。第二步划 分出要素类及其拓扑关系，并在a r c m a p 和 r c c a t a l o g 中构建数据集。至于具 体操作过程可参阅相关书籍。 据此将所有的数据按其相互之间的关系分为地质类、基础地理信息类、 监测类、景观类，生态数据类、水循环类等。对每类数据的每种物体则按照 点、线、面的形态划分图层，结果如图3 2 。 至于各图层中属性表的设计，则按照二维关系表的设计方法设计。由于 当前各种关系型数据库的设计已十分成熟，因而此处不再赘述。表中的字段 遵从关系表设计的第一范式、第二范式、第三范式。字段的类型则根据记录 内容类型和是否将其进行数学运算而确定。而字段名称的命名则依据通用性、 系统性、标准化和可扩展性原则进行，同时应遵循“全国地理信息系统技术 标准化委员会”制订和颁布的相关技术标准。以景观分布、水循环类数据的 景观泉图层为例，设计结果如表3 1 。 表3 1 景观泉图层属性表设计 字段名字段代码字段类型字段长度单位 图元编号 c h f c a cn 5 泉类型q l xc2待定 景观泉名称q m cc3 0 泉位置q w z c 3 0 泉水流量 q l ln 1 1 3i s ( 升缈) 泉水温度q w d n5 2 图3 2 黄龙景区空问数据库设计 2 6 3 3 数据录入与编辑 当空间数据库的体系一旦确定后，就应依据数据库设计进行资料的搜集 和处理。并将其输入到数据库中，以实现数据库建设的目标，达到预期目的。 在数据的录入过程中，文字类数据的输入同普通数据库建设一样，已不存在 困难。只需按照属性表的字段定义，将数据输入到相应字段即可。目前对于 数据的输入和前期处理主要在于图形数据，尤其是遥感数据 为了研究黄龙核心景区水体和钙华景观的空间分布现状及其动态变化规 律，并预测其发展变化趋势，监测年内与年际水体和钙华景观的动态变化情 况。因此研究中应充分利用遥感图像视域广、信息量丰富，能客观、真实和 快速地反映地物特征的特点，结合g p s 、g i s 技术，可为生态地质环境调查提 供真实、可靠、动态的基础环境信息的特点。此次研究分别收集不同年份、 不同来源的遥感资料主要包括：黄龙核心景区2 0 世纪i ：3 5 万1 ：9 万航 空遥感资料，本世纪不同年代同季节的q u i c kb i r d 高分辨率卫星数据作为本 次研究工作的主要遥感信息源。 研究中借助专业的遥感 图像处理软件，根据各波段的 光谱特征，选择不同的波段组 合，经过几何校正、色调匹配、 数据融合、图像镶嵌和各种增 强处理等图像处理功能，利用 计算机对数字图像按一定的 数学模式进行运算，以增强和 提取黄龙核心景区钙华和水 体景观有关的信息。对解译成 果经过验证修改后，可直接以 矢量图的形式输出到g i s 软件 中，成为空间数据库的图层数 据源。或者使用专门的g i s 软 件将其数字化，并作为建库基础。 对于其它图形数据如：地形图、景观地貌图等，则可使用地图扫描屏幕 跟踪矢量化的方式数字化。该方法在专业软件的支持下进行矢量化，数据质 量容易保证，速度快，工作强度也不大。当前许多软件都具备此功能。此方 法中容易出现的问题有图纸因湿度、温度、纸质、保存方法的不同而产生变 形；数字化人员误操作产生的伪多边形，线与节点的过与不及等。这些问题 在今后的研究中可通过建立严格的成果验收体系，和提高工作人员素质解决。 此外在数据库建设过程中，对g p s 数据和其它电子数据还可通过文件导 入的方式进行输入。对于数据库的符号设置，则可在图形数字化的同时根据 地理对象的类型不同，而选用不同的点、线、面符号；而地理对象的数量和 等级差异则可通过符号的颜色和大小表示。 3 4p h 值数据来源与整合 为了能够利用黄龙岩溶水的p h 值研究该地区钙华的动态变化，因此在空 间数据库中尽可能全面地收集该地区的p h 值资料是十分必要的。并且这些数 据应满足以下要求：数据年份较多，跨越的时间段较长。这是因为钙华的 发展演变是极其漫长的地质过程，只有通过长时期的缓慢积累才能展现其演 变的规律。监测点应足够多，尽可能涵盖该地区的各种钙华景观类型。由 于不同的地区、不同钙华景观其成景模式也是各不相同的。因此监测数据应 能够包括各种钙华景观，使整个景区的每一种钙华景观都有足够的代表点。 同时做到疏密得当，尤其是在景观类型变化较快的地区。数据的时问间隔 应尽量相等。由于灰色系统模型中是等间隔的时间序列，因此代入其中的数 据也应符合此条件。 图3 ，4 ( a ) 1 9 8 7 年水质监测点 掣疆遗3 一 图3 4 ( b ) 1 9 9 3 年水质监测点 口毛 = 图3 4 ( c ) 1 9 9 9 年水质监测点 睫唾j 5 二一 图3 4 ( d ) 2 0 0 5 年水质监测点 基于黄龙水质监测的现状，本文尽可能全面地收集了目前该地区的有关 监测数据。主要包括成都水文地质工程队1 9 8 7 年监测数据，广西岩溶地理所 的刘再华等1 9 9 1 年9 月、1 9 9 2 年6 月、1 9 9 3 年7 月、1 9 9 9 年9 月2 8 日的监 测数据，成都理工大学石岩等2 0 0 4 年9 月、2 0 0 5 年4 月的监测数据，和四川 省地质环境监测总站2 0 0 5 年监测数据，以及部分泉眼1 9 8 7 年至2 0 0 2 年的水 质监测数据。按照前文要求经对所获数据分析后本文筛选出1 9 8 7 年，1 9 9 3 年，1 9 9 9 年，2 0 0 5 年数据进行研究。并分别将其录入空间数据库。 由于本文获取的数据部分年份缺少p h 值( 表3 2 ) ，但可用其它指标通过 回归分析插补缺少的p h 值。其原理如下： 假设自变量为x ，因变量为y ，估计y 与x 之间存在线性关系，则有 y = 甜+ 6 5 1 2 其中a ，b 是回归系数。实际观测中由于随机因素的干扰，因变量的值不仅与 自变量的取值有关，而且与误差有关。通常采用最小二乘法估计a 和b ，使误 差的平方和达到最小。为了验证x 与y 之间是否存在线性关系可进行假设检 验，可以定义如下系数： ，2 ：堡5 1 3 j i ? s s 其中j e s s = ( 只一刃2 艘= ( 或- y d 2 图3 5p h 值与h ，的关系 显然o r 2 1 ，通常把r 称为相关系数。r 2 越接近于0 ，x 。y 之间线性相关的 程度就越小；反之，r 2 越接近于l ，x ，y 之间的线性相关程度就越密切。将获 取数据用s p s s 分析，建立p h 与h c 嘎的相关方程如下： y = - 4 8 xl 扩0 + 5 8 - l f f 5 0 遗0 2 2 5 x + 11 1 7 2 r 2 = 0 ，9 6 0 1 其中x 为h c 0 3 值。y 为p h 值 由此可知，回归方程效果显著。再将缺失的1 9 8 7 年监测数据代入方程，计算 可得1 9 8 7 年各监测点的p h 值回归结果如表3 3 。 裹3 21 9 8 7 年监测数据 泉2 6 94 5 7 66 4 3 21 3 2 92 9 2 6 7 7 泉- 3 7 49 3 9 7 1 3 0 2 3 2 4 8 52 9 23 5 7 8 泉_ 4 7 58 2 9 91 1 2 9 4 2 2 4 53 8 92 9 5 6 泉5 7 6 8 1 7 7l l l l2 2 4 53 4 3 2 3 6 泉- 6 7 78 1 7 71 1 1 5 3 2 2 8 53 1 63 1 5 1 泉1 0 84 1 4 95 7 0 11 1 6 21 7 5 i 1 泉1 1 8 3 4 0 2 75 6 0 51 1 2 22 44 9 7 泉1 2 8 23 6 6 75 1 4 31 0 02 6 7 3 4 1 泉1 4 6 8 4 7 6 6 6 5 1 7 1 2 6 41 8 92 4 8 泉- 2 0 8 1 73 5 5 64 4 7 2 8 6 22 5 52 5 6 泉1 5 8 3 1 7 3 4 4 6 9 8 3 42 6 72 5 6 泉1 67 53 3 5 64 5 9 57 8 22 4 9 2 5 6 泉1 72 9 0 44 0 7 67 4 12 2 51 7 泉1 88 22 8 6 83 9 4 85 8 i 2 5 51 7 地表水转花泉 7 5 3 6 6 15 1 4 31 1 2 22 1 95 1 1 转花泉池 3 1 5 11 0 9 4 4 2 3 8 3 1 7 5 8 1 7 7 五彩池8 31 4 51 0 3 3 72 2 1 82 1 47 6 5 2 金沙滩84 2 ，65 7 7 31 2 0 41 74 1 8