曹穎， 郭兆成， 王強(qiáng)強(qiáng)， 焦?jié)櫝?/p>

(1.北京市地質(zhì)研究所，北京　100120； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京　100083)

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基于遙感技術(shù)的降水入滲補(bǔ)給條件空間分異性研究

曹穎1， 郭兆成2， 王強(qiáng)強(qiáng)1， 焦?jié)櫝?

(1.北京市地質(zhì)研究所，北京100120； 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京100083)

摘要：降水入滲補(bǔ)給條件在地下水資源研究工作中具有重要的理論和實際意義。利用遙感技術(shù)，通過構(gòu)建基于專家經(jīng)驗知識的評價系統(tǒng)和模型，以30m×30m柵格單元、一級巖溶水系統(tǒng)的基巖山區(qū)及其碳酸鹽巖區(qū)3個尺度評價分析北京市各區(qū)降水入滲補(bǔ)給條件空間分異性。研究結(jié)果表明： 在研究區(qū)范圍內(nèi)碳酸鹽巖區(qū)的降水入滲補(bǔ)給條件最優(yōu)； 基巖山區(qū)的降水入滲補(bǔ)給條件從優(yōu)到劣的區(qū)域依次為房山、門頭溝、延慶、平谷和懷柔； 碳酸鹽巖區(qū)的降水入滲補(bǔ)給條件從優(yōu)到劣的區(qū)域依次是懷柔、門頭溝、房山、延慶和平谷； 地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造因子是影響降水入滲補(bǔ)給條件的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：遙感； 降水入滲； 補(bǔ)給條件； 分異性

0引言

降水入滲補(bǔ)給地下水的過程是“三水”(降水、地表水和地下水)轉(zhuǎn)換關(guān)系中最基本、最重要的環(huán)節(jié)之一。降水入滲是地下水(特別是淺層地下水)的主要補(bǔ)給來源，也是區(qū)域水均衡計算中的一個重要因素。降水入滲補(bǔ)給問題的研究在整個水資源研究工作中處于基礎(chǔ)地位，它不僅具有理論意義，而且更具有實用價值。

降水入滲研究工作大多是對入滲補(bǔ)給系數(shù)展開研究與討論。其研究方法有室內(nèi)試驗、試驗場模擬[1]以及動態(tài)觀測[2]數(shù)據(jù)分析等。這些方法的共同特點是概念比較明確、參數(shù)可控性較強(qiáng)、基礎(chǔ)變化規(guī)律明顯，但無法推廣應(yīng)用到入滲補(bǔ)給條件空間差異性較大的區(qū)域尺度。

遙感技術(shù)在地下水資源勘查與評價中的應(yīng)用研究已有50a的歷史[3]，主要集中于尋找地下水[4-6]和水資源開發(fā)評價[7]等方面。本研究在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持下，利用SPOT5和航片等遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)水文地質(zhì)資料等，通過遙感信息提取，以水文地質(zhì)和系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，從30m×30m柵格單元、一級巖溶水系統(tǒng)的基巖山區(qū)及其碳酸鹽巖區(qū)3個尺度，開展降水入滲補(bǔ)給條件空間分異性的評價研究。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北平原的西北邊緣，介于E115°24′57″～117°23′4″，N39°30′3″～40°46′40″之間，包含北京市行政范圍的12個區(qū)，總面積約10 200km2，研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1　研究區(qū)位置

該區(qū)主要地貌類型為山地； 屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量在600mm左右，降水主要集中在6—9月份； 區(qū)內(nèi)主要河流有屬海河水系的拒馬河、大石河、永定河、大清河、北沙河、潮河、白河和泃河等。研究區(qū)所在的巖溶系統(tǒng)有5個，分別為延慶、門頭溝、房山、懷柔以及平谷巖溶水系統(tǒng)，重點對5個巖溶水系統(tǒng)的基巖山區(qū)和碳酸鹽巖區(qū)的降水入滲補(bǔ)給條件進(jìn)行研究。

1.2數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)源包括多源遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)及水文地質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)為2012年10月的SPOT5數(shù)據(jù)及2009年航空遙感圖像； 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括行政邊界數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)； 基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)主要為1∶5萬比例尺區(qū)域地質(zhì)圖件； 水文地質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)包含近年來北京市山區(qū)水文地質(zhì)勘查成果及研究資料等。

2研究方法

2.1遙感信息提取

首先結(jié)合高程數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理底圖，運(yùn)用影像糾正、配準(zhǔn)、融合和鑲嵌等方法對原始影像進(jìn)行預(yù)處理，突出水文地質(zhì)信息，并對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查與評價； 然后分析已收集資料，利用現(xiàn)有1∶5萬比例尺地質(zhì)圖、地貌類型圖、土地利用與植被類型圖、水文地質(zhì)相關(guān)文字資料及野外工作經(jīng)驗，將已有圖件與影像進(jìn)行對比，建立初步解譯標(biāo)志，對影像進(jìn)行解譯，編制解譯草圖； 再根據(jù)初步解譯結(jié)果，采用GPS野外定點、照片采集等野外地質(zhì)工作，建立系統(tǒng)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地表溝系和土地利用等解譯標(biāo)志； 最后采用人機(jī)交互的方式對影像進(jìn)行詳細(xì)解譯，提取遙感信息，編制相應(yīng)圖件。

2.2構(gòu)建評價指標(biāo)體系

對研究區(qū)影響降水入滲條件的下墊面要素仔細(xì)分析，結(jié)合水文地質(zhì)專家經(jīng)驗，從地質(zhì)、地形地貌以及地表覆蓋3個因子著手，構(gòu)建了評價指標(biāo)體系。

2.2.1評價因子的選擇

地質(zhì)因子(U1)通過地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造要素來表達(dá)。在區(qū)域構(gòu)造的影響下，巖石的破碎程度、節(jié)理裂隙發(fā)育密度存在一定的差異性，對降水入滲的影響程度不同。依據(jù)研究區(qū)巖石的巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理性質(zhì)及其溶蝕入滲能力的不同，將地層巖性分為以白云巖為主的碳酸鹽巖、以灰?guī)r為主的碳酸鹽巖、變質(zhì)巖、陸源碎屑巖和火成巖5大類。

地形地貌因子(U2)通過地形坡度和水系密度2個要素來表達(dá)。研究表明，隨著坡度增加，承雨強(qiáng)度降低，提早進(jìn)入產(chǎn)流，地表徑流量增加，入滲速率減小，不利于降水入滲[8]； 水系密度越大，地表徑流越發(fā)育，而地表巖石裂隙發(fā)育程度越低，越易形成地表徑流，入滲補(bǔ)給地下水程度越低。

地表覆蓋因子(U3)通過土地利用類型來表達(dá)。不同的土地利用類型對降水的截留和蒸發(fā)作用不同，對水資源的需求也不同。本文將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、園地、喬木林地、灌木林地、草地、建設(shè)用地、采礦用地和水域及水利設(shè)施用地等8類。

2.2.2因子權(quán)重的確定

以國內(nèi)具有巖溶工作經(jīng)驗的水文地質(zhì)專家和水文地質(zhì)綜合管理專家為經(jīng)驗知識庫，從地質(zhì)、地形地貌和地表覆蓋3個方面進(jìn)行咨詢，發(fā)放28份專家打分表，其中收回有效打分表共17份，通過統(tǒng)計整理后確定各級因子的權(quán)重，如表1所示。

表1　降水入滲影響因子專家知識權(quán)重表

2.3差異性評價

不同因子表達(dá)數(shù)據(jù)的量綱不統(tǒng)一，而且參與評價的標(biāo)準(zhǔn)也不同，如地質(zhì)構(gòu)造和水系密度不能直接采用實際計算數(shù)值的方式參與到總體評價中，因此必須對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)化處理包括數(shù)據(jù)同趨化處理和無量綱化處理2個步驟。

根據(jù)已構(gòu)建的評價指標(biāo)體系，將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)利用加權(quán)綜合評價方法，以研究區(qū)30m×30m柵格單元、一級巖溶水系統(tǒng)基巖山區(qū)和巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)3個尺度分別評價降水入滲補(bǔ)給條件的空間差異性。

3結(jié)果與分析

通過上述方法，完成了3個尺度下降水入滲補(bǔ)給條件的空間差異性評價，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)一步對影響差異性結(jié)果的主控因素進(jìn)行了分析。

3.1柵格尺度的降水入滲條件差異性分析

30m×30m柵格尺度降水入滲條件的空間差異性結(jié)果如圖2所示。

圖2　柵格尺度的降水入滲條件空間差異分布

研究區(qū)范圍內(nèi)，碳酸鹽巖分布區(qū)的降水入滲條件一般都處于較好的狀況，其中灰?guī)r地區(qū)的評價結(jié)果最好。在地勢較為平坦、斷層密度較大以及水系密度較低的區(qū)域，降水入滲的評價結(jié)果也處于較好的狀態(tài)，如平谷巖溶水系統(tǒng)的東北部、門頭溝巖溶水系統(tǒng)的西南部等區(qū)域。這說明影響降水入滲的因素是綜合的，不能使用單一的因子進(jìn)行評價，需要從多方面綜合考慮。

3.2基巖山區(qū)的降水入滲條件差異性分析

一級巖溶水系統(tǒng)基巖山區(qū)尺度降水入滲條件的空間差異性結(jié)果如圖3所示。

圖3　巖溶水系統(tǒng)基巖山區(qū)的降水入滲條件空間差異分布

以房山山區(qū)為主的巖溶水系統(tǒng)單元的降水入滲條件評價結(jié)果為2.11，最有利于降水的入滲； 而以北京西山為主體的門頭溝巖溶水系統(tǒng)降水入滲條件評分為2.09，位列第二，表示其入滲條件較好； 延慶和平谷2個巖溶水系統(tǒng)的降水入滲條件評分同為1.82； 位于北部地區(qū)的懷柔巖溶水系統(tǒng)的降水入滲條件評分(1.76)最低。結(jié)果表明了巖溶水系統(tǒng)中不同下墊面特征對降水入滲影響的差異。對于系統(tǒng)或者區(qū)域巖溶水資源的估算，還需要綜合考慮巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)給區(qū)面積、巖溶水系統(tǒng)多年的平均降雨量等數(shù)據(jù)。

3.3碳酸鹽巖區(qū)的降水入滲條件差異性分析

一級巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)尺度降水入滲條件的空間差異性結(jié)果如圖4所示。

圖4　巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)降水入滲條件空間差異分布

各個碳酸鹽巖區(qū)的評價結(jié)果均高于各區(qū)基巖山區(qū)(灰?guī)r、白云巖、變質(zhì)巖、陸源碎屑巖和火成巖)的平均得分，反映出碳酸鹽巖區(qū)較好的入滲條件，這也符合各類巖石的入滲系數(shù)分布規(guī)律。然而，碳酸鹽巖區(qū)降水入滲條件與基巖山區(qū)的評價結(jié)果也存在較大的差異，其中最明顯的部分是懷柔巖溶水系統(tǒng)，其碳酸鹽巖區(qū)評分最高為2.86，但該巖溶水系統(tǒng)基巖山區(qū)的評價結(jié)果(1.76)最低。以門頭溝山區(qū)為主體的巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)降水入滲條件評分為2.84，位列第二； 以房山山區(qū)為主的巖溶水系統(tǒng)評價結(jié)果為2.75，處于第三位； 延慶巖溶水系統(tǒng)的評分為2.52，處于第四位； 位于東部地區(qū)的平谷巖溶水系統(tǒng)的碳酸鹽巖區(qū)降水入滲條件評分(2.04)最低。

因此，需要從各個系統(tǒng)評價因子的特征參數(shù)分析入手，了解各個巖溶水系統(tǒng)中降水入滲條件的主要影響因素，掌握其對降水入滲的貢獻(xiàn)，以更好地分析巖溶水系統(tǒng)的水資源潛力，為進(jìn)一步合理開發(fā)巖溶水奠定基礎(chǔ)。綜合各系統(tǒng)地層巖性、地形地貌及地表覆蓋的特征，巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)降水入滲影響因子評價結(jié)果見表2。

表2　巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)降水入滲影響因子評價結(jié)果

從表2中可以看出： 斷層密度是懷柔巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)控制降水入滲的主要因子； 地層巖性是房山巖溶水系統(tǒng)區(qū)別于其他系統(tǒng)的主要降水入滲影響因子； 5個巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)的地表覆蓋均以喬木林地和灌木林地為主，且面積比例相差不大，因此該碳酸鹽巖區(qū)地表覆蓋、植被類型對降水入滲條件差異的貢獻(xiàn)不顯著； 該碳酸鹽巖區(qū)坡度、水系密度差別不大，也不是影響該碳酸鹽區(qū)降水入滲條件差異的主導(dǎo)因素。

4結(jié)論

充分利用遙感數(shù)據(jù)、野外調(diào)查資料以及已有的水文地質(zhì)相關(guān)資料，對影響北京地區(qū)降水入滲的各因子進(jìn)行信息提取； 采用層次分析法和加權(quán)評價法，構(gòu)建基于專家經(jīng)驗知識的評價系統(tǒng)和模型，以研究區(qū)30m×30m柵格單元、一級巖溶水系統(tǒng)的基巖山區(qū)及其碳酸鹽巖區(qū)3個尺度分別進(jìn)行分析研究，評價各尺度下大氣降水入滲補(bǔ)給條件的空間差異性，結(jié)論如下：

1)針對5個一級巖溶水系統(tǒng)基巖山區(qū)的評價結(jié)果表明，房山巖溶水系統(tǒng)基巖山區(qū)的降水入滲條件最好，其次是門頭溝巖溶水系統(tǒng)，再次是延慶、平谷巖溶水系統(tǒng)，懷柔巖溶水系統(tǒng)基巖山區(qū)的降水入滲條件最差。

2)針對5個一級巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)的評價結(jié)果表明，懷柔巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)的降水入滲條件最好，其次是門頭溝、房山巖溶水系統(tǒng)，再次是延慶巖溶水系統(tǒng)，平谷巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖區(qū)的降水入滲條件最差。

3)研究區(qū)內(nèi)地層巖性(尤其是灰?guī)r地區(qū))與地質(zhì)構(gòu)造因子是控制碳酸鹽巖區(qū)降水入滲的主導(dǎo)因子；

4)研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖區(qū)地表覆蓋、坡度和水系密度因子差別不大，不是影響該碳酸鹽巖區(qū)降水入滲條件差異的控制性因素。

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(責(zé)任編輯： 陳理)

Research on spatial differentiation of precipitation infiltration rechargeconditionbasedonremotesensingtechnology

CAO Ying1， GUO Zhaocheng2， WANG Qiangqiang1， JIAO Runcheng1

(1. Beijing Institute of Geography, Beiijng 100120, China; 2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China)

Abstract:Theprecipitationinfiltrationrechargeconditionhastheoreticalandpracticalsignificanceinthestudyofgroundwaterresources.Inthisstudy,withtheapplicationofremotesensingtechnologyandthroughconstructingevaluationsystemandmodelbasedonexpertexperienceandknowledge,thespatialdifferentiationofBeijingprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareevaluatedatthreescales,includinggridscale(30m×30m),Karstwatersystembedrockregionanditscarbonaterockregion.Theresultssuggestthatcarbonaterockareasareconducivetotheprecipitationinfiltrationrechargeinthewholestudyarea.TheprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareinworseningorderofFangshan,Mentougou,Yanqing,PingguandHuairouinthefiveKarstwatersystemsbedrockareas.TheprecipitationinfiltrationrechargeconditionsareinworseningorderofHuairou,Mentougou,Fangshan,YanqingandPingguinthefivecarbonaterockareas,andthelithologyandstructureseemtobethekeyfactorsaffectingtheconditionsofrainfallinfiltrationrecharge.

Keywords:remotesensing；precipitationinfiltration；rechargeconditions；differentiation

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.15

收稿日期：2015-04-23；

修訂日期：2015-06-26

基金項目：北京市發(fā)改委項目“北京巖溶水資源勘查評價工程”(編號：BJYRS)資助。

中圖法分類號：TP79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0091-05

第一作者簡介：曹穎(1983-)，女，博士研究生，高級工程師，主要從事地質(zhì)調(diào)查及遙感在地質(zhì)中的應(yīng)用研究。Email：cy_998@163.com。

引用格式： 曹穎，郭兆成，王強(qiáng)強(qiáng)，等．基于遙感技術(shù)的降水入滲補(bǔ)給條件空間分異性研究[J]．國土資源遙感，2016，28(3)：91-95(CaoY,GuoZC,WangQQ,etal.Researchonspatialdifferentiationofprecipitationinfiltrationrechargeconditionbasedonremotesensingtechnology[J]．RemoteSensingforLandandResources，2016，28(3)：91-95)