許顥礫,王大慶,鄧正棟,劉志新,丁志斌

(1.陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于淺層地下水富集性評(píng)估，該方法具有成本低，能保證一定精度的優(yōu)勢。塔西甫拉提等人[1]利用Landsat-7ETM數(shù)據(jù)，利用遙感-數(shù)學(xué)-模型學(xué)方法評(píng)價(jià)干旱區(qū)綠洲-荒漠交錯(cuò)帶地下水分布并進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證。Murugensan[2]等利用遙感技術(shù)提取地形、地貌、水網(wǎng)密度和斷裂密度對(duì)盆地內(nèi)的構(gòu)造裂隙水進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明斷裂交匯部位是地下水富集區(qū)。Machiwal[3]等利用遙感技術(shù)提取與地下水相關(guān)的 10個(gè)指標(biāo)，并通過主成份變換選擇其中7個(gè)指標(biāo)對(duì)干旱區(qū)地下水富集性進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果與實(shí)地驗(yàn)證相符，且表明了年降雨量和海拔高度與地下水分布沒有相關(guān)性。Gumma[4]等利用降雨量、匯流強(qiáng)度、土地利用等7個(gè)指標(biāo)對(duì)加納的地下水潛在富集性進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為RS與GIS技術(shù)可以進(jìn)行國家范圍的地下水富集性評(píng)估。鄧正棟等人[5]以ALOS、SPOT、TM 和DEM為數(shù)據(jù)源，對(duì)地層巖性、斷裂密度、地貌類型、地形坡度、匯流累積量、地表溫度和土壤濕度，共7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行遙感提取和解譯。利用層次分析法分別計(jì)算孔隙水和裂隙水各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，采用模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建地下水遙感模糊評(píng)估指數(shù) Groundwater Remote Sensing Fuzzy Assessment Index(GRSFAI)。且該方法已應(yīng)用于中國丹東地區(qū)，阿里地區(qū)[6]及朝陽地區(qū)[7]。前人的研究區(qū)都是大尺度為主，如2 000 km2[5]，5 000 km2 [7]等。本文研究是在小尺度上的一個(gè)試驗(yàn)與嘗試，利用GF-1，DEM等數(shù)據(jù)對(duì)約4 km2的外伶仃島進(jìn)行淺層地下水富集性評(píng)估研究。

1 基本原理

1.1 改進(jìn)的GRSFAI法簡介

地下水富集性遙感評(píng)估(GRSFAI法)是借鑒了層次分析法與模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)理論，其具體流程圖如圖1，將地層巖性(L)、地形坡度(S)、地貌(R)、地表溫度(LT)、土壤濕度(SH)、植被覆蓋度(VF)等，作為地下水富集性遙感評(píng)估的評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成了評(píng)價(jià)指標(biāo)集：

Y={yL，yS，yR，yLT，ySH，yVF……}

(1)

式中：Y——評(píng)價(jià)指標(biāo)集；

yL——地層巖性指標(biāo)；

yS——地形坡度指標(biāo)；

yR——地貌指標(biāo)；

yLT——地表溫度指標(biāo)；

ySH——土壤濕度指標(biāo)；

yVF——植被覆蓋度指標(biāo)。

需要考慮各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重比Wi，GRSFAI法是利用層次分析法(AHP)中的專家定權(quán)，其人為主觀因素較大。也有學(xué)者利用決策樹確定權(quán)重代替專家定權(quán)，并求得了較好的結(jié)果[8]。在定權(quán)方面可以對(duì)GRSFAI法進(jìn)行改進(jìn)，即改變原有的專家人為定權(quán)，如：利用蒙特卡洛法改進(jìn)AHP的定權(quán)[9],還可以考慮用已經(jīng)評(píng)價(jià)的遙感結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)際地下水水量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，聚類分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，類似一個(gè)反演的過程，得出權(quán)重改進(jìn)GRSFAI法。每一個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)一個(gè)權(quán)重，權(quán)重集為：

W={WL，WS，WR，WLT，WSH，WVF……}

(2)

最終的地下水富集性評(píng)價(jià)得分：

(3)

圖1 地下水富集性遙感評(píng)估法(GRSFAI)流程圖Fig.1 Flow chart of assessment of groundwater potential by remote sensing

1.2 GF-1數(shù)據(jù)簡介

GF-1衛(wèi)星是我國高分辨率的首發(fā)星，其數(shù)據(jù)包含2 m分辨率的全色圖像，其波段分別是普段1：0.45～0.9 μm(空間分辨率2 m)，普段2：0.45～0.52 μm(空間分辨率8 m)，普段3：0.52～0.59 μm(空間分辨率8 m)，普段4：0.63～0.69 μm(空間分辨率8 m)，普段5：0.77～0.89 μm(空間分辨率8 m)；16 m分辨率多光譜圖像，其波段分別是普段6：0.45～0.52 μm，普段7：0.52～0.59 μm，普段8：0.63～0.69 μm，普段9：0.77～0.89 μm。其數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)在于其高分辨率，但是與國外衛(wèi)星相比，如Landsat8衛(wèi)星，在波段數(shù)上少了很多，landsat8衛(wèi)星的波段從0.433～1.390 μm共9個(gè)波段的OLI成像與TIRS的band10與band11的紅外波段。所以GF-1數(shù)據(jù)波段數(shù)不足，波段組合受限(表1)。

2 實(shí)例研究

2.1 研究區(qū)簡介

研究區(qū)島嶼陸地面積約4.33 km2，整個(gè)島地勢西北中部、北部高，島的西北邊緣、南邊緣低，島中主峰高311.8 m，島中央與島東南部之間存在構(gòu)造形成的島溝谷。研究區(qū)內(nèi)的地下水多為基巖風(fēng)化裂隙水，也存在構(gòu)造裂隙水(圖2)。

此外，該地區(qū)位居北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候,日照充足。1月平均氣溫14.8 ℃，7月平均氣溫27.9 ℃。3—4月為霧季，3月霧最多，5—7月天氣平和，8—9月有臺(tái)風(fēng)，最大風(fēng)速12級(jí)以上。10—12月天氣平和。四季溫差不大，冬天無嚴(yán)寒，夏天無酷暑。1973—1991年的氣溫資料證實(shí)，有85%的年份冬季極端最低氣溫不低于4 ℃，大多數(shù)年份夏季極端最高溫不超過35 ℃。研究區(qū)日照充足，年平均太陽輻射量為111.62 kcal/cm2，年日照時(shí)數(shù)約1 600～2 500 h。該地區(qū)4—9月豐水期降雨量占年降雨量的80%以上，4—9月每個(gè)月當(dāng)月月平均降雨量的范圍為200～350 mm，11月—翌年2月枯水期降雨量較少，月降雨量只有10～20 mm。

表1 GF-1數(shù)據(jù)與Landsat8數(shù)據(jù)波段對(duì)比

圖2 研究區(qū)地圖Fig.2 Map of the study area

2.2 地層巖性指標(biāo)富水性評(píng)價(jià)

根據(jù)水文地質(zhì)資料與實(shí)地踏勘，該地區(qū)巖性多為花崗巖或分化花崗巖，巖層空隙為基巖裂隙為主，其地下水多以基巖裂隙水的形式存在。將GF-1圖像(GF-1數(shù)據(jù)源：GF1_PMS2_E114.2_N22.1_20170121_L1A0002136162，時(shí)間：2017年1月21日)利用ArcGIS地質(zhì)填圖處理，根據(jù)巖性的富水性劃分到[0，1]區(qū)間內(nèi)(將基巖分為片巖夾大理巖、石英砂巖礫巖、片麻狀花崗巖和網(wǎng)狀風(fēng)化花崗巖4類，隸屬度分別賦予0.9、0.6、0.7、0.2，是一個(gè)離散的隸屬度函數(shù)。該島嶼巖性比較單一，其巖性指標(biāo)的處理結(jié)果見圖3。

圖3 研究區(qū)地層巖性指標(biāo)的圖像結(jié)果Fig.3 Results of lithology-index in the study area

2.3 地貌指標(biāo)富水性評(píng)價(jià)

地貌控制地下水的賦存，地勢平坦，地形切割較弱的區(qū)域，形成地表徑流條件較差，有利于地表水下滲形成地下水；地勢起伏大，地形切割嚴(yán)重的區(qū)域，有利于地表徑流的形成，不利于地下水的富集。地貌控制著地下水的補(bǔ)給條件，山區(qū)溝谷等地表徑流條件好的地貌單元，大氣降水多以地表水形式流走，滲透補(bǔ)給地下的水量小；緩坡、平原等地表徑流條件差的地貌單元，大氣降水的徑流時(shí)間長，滲透補(bǔ)給地下的水量大，地下水富水性高。其隸屬度函數(shù)[5]：

(4)

式中：R——地形起伏度；

yR——地貌指標(biāo)值。

利用研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，用ArcGIS軟件進(jìn)行地形起伏計(jì)算，其歸一化結(jié)果如圖4。

圖4 研究區(qū)地貌指標(biāo)的圖像結(jié)果Fig.4 Results of relief-index in the study area

2.4 地形坡度指標(biāo)富水性評(píng)價(jià)

坡度大的山區(qū)溝谷地形，大氣降水在地表停留時(shí)間短，難以滲透補(bǔ)給地下水；在坡度小的溝谷底部、洼地和平原地形，大氣降水在地表停留時(shí)間長，滲透補(bǔ)給地下的水量大，地下水富水性高。其隸屬度函數(shù)[10]：

(5)

式中：S——坡度/(°)；

yS——坡度指標(biāo)值。

利用ArcGIS軟件對(duì)島嶼的DEM數(shù)據(jù)中提取坡度，將地形坡度規(guī)范化到[0，1]區(qū)間，其歸一化結(jié)果見圖5。

圖5 研究區(qū)坡度指標(biāo)的圖像結(jié)果Fig.5 Results of slope-index in the study area

2.5 植被覆蓋率指標(biāo)富水性評(píng)價(jià)

由于植物在生長過程中需要不停地從土壤中汲取水分，許多植物都生長在富水性較好的地方，這就使其成為地下水賦存的良好指示因子。本文利用ENVI軟件對(duì)GF-1數(shù)據(jù)(GF-1數(shù)據(jù)源：GF1_PMS2_E114.2_N22.1_20170121_L1A0002136162，時(shí)間：2017年1月21日)進(jìn)行植被覆蓋率提取處理[11]，并進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見圖6。淡水植物為主，該島嶼上較為常見的植物有：桉，臺(tái)灣相思，木麻黃，玉蘭，假鷹爪，蟛蜞菊等。島內(nèi)中部植被茂盛，島邊緣沿海岸線地區(qū)植被稀疏。且大體是從內(nèi)島外，植被是由茂密到稀疏變化。

圖6 研究區(qū)植被覆蓋率指標(biāo)的圖像結(jié)果Fig.6 Results of vegetation fraction-index in the study area

2.6 地面溫度指標(biāo)富水性評(píng)價(jià)

地下水越富集，其地表溫度冷卻效應(yīng)越強(qiáng)，也可以類似于地貌指標(biāo)或坡度指標(biāo)的隸屬度函數(shù)構(gòu)建地表溫度指標(biāo)隸屬度函數(shù)：

(6)

式中：LT——地表溫度值；

yLT——地表溫度指標(biāo)值。

由于GF-1衛(wèi)星的波段有限，缺少10 μm左右的波段，無法得到輻射亮度圖像，本文選用該地區(qū)Landsat8數(shù)據(jù)(30 m)，代替GF-1數(shù)據(jù)，利用ENVI軟件對(duì)地面溫度進(jìn)行提取處理[12]，并進(jìn)行歸一化處理。其結(jié)果如圖7。

圖7 研究區(qū)地表溫度指標(biāo)的圖像結(jié)果Fig.7 Results of land temperature-index in the study area

2.7 水域密度指標(biāo)富水性評(píng)價(jià)

除了大氣降水作為地下水的補(bǔ)給源，地表水體的滲漏也是地下水的來源之一，尤其是當(dāng)大量抽取地下水造成地下水滲漏時(shí)，與其相連通的地表水會(huì)大量補(bǔ)給地下水。因此，地表水體也是影響地下水補(bǔ)給條件的重要因素。

水域密度是指單位地表面積內(nèi)地表水體所占面積的比例。利用GF-1數(shù)據(jù)(GF-1數(shù)據(jù)源：GF1_PMS2_E114.2_N22.1_20170121_L1A0002136162，時(shí)間：2017年1月21日)在ArcGIS軟件將空間分析模塊對(duì)提取的地表水體進(jìn)行焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算研究區(qū)水域分布密度，并進(jìn)行歸一化處理，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 研究區(qū)水域密度指標(biāo)的圖像結(jié)果Fig.8 Results of water density-index in the study area

2.8 土壤濕度指標(biāo)富水性評(píng)價(jià)

地下水的富集與土壤濕度具有一定程度的相關(guān)性，可作為地下水存在的指示因子。土壤濕度越大，地下水富集性程度越高，本文利用ENVI軟件對(duì)該地區(qū)GF-1數(shù)據(jù)(GF-1數(shù)據(jù)源：GF1_PMS2_E114.2_N22.1_20170121_L1A0002136162，時(shí)間：2017年1月21日)進(jìn)行土壤濕度指標(biāo)提取，其歸一化結(jié)果見圖9。

圖9 研究區(qū)土壤濕度指標(biāo)的圖像結(jié)果Fig.9 Results of soil humility-index in the study area

2.9 淺層地下水富集性遙感評(píng)價(jià)

圍繞淺層地下水富集性評(píng)估的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和歸一化處理，將每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)規(guī)范至[0，1]區(qū)間以方便下一步代入綜合評(píng)估模型。

本文權(quán)重采用之前本課題組遼寧丹東地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過遙感圖像灰度統(tǒng)計(jì)與聚類分析(類似于一個(gè)反演的過程得出的權(quán)重)得出的各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重比：WL∶WR∶WS∶WVF∶WLT∶WWD∶WSH=0.344 8∶0.315 3∶0.283 2∶0.018 4∶0.032 7∶0.003 5∶0.002 1。對(duì)該地區(qū)進(jìn)行地下水富集性評(píng)價(jià)的得分：S=yL×WL+yR×WR+yS×WS+yVF×WVF+yLT×WLT+yWD×WWD+ySH×WSH。

根據(jù)上述分析將研究區(qū)的淺層地下水富集程度進(jìn)行評(píng)估分級(jí)。將按照0～0.20、0.20～0.40、0.40～0.60、0.60～0.80、0.80～1.00，5個(gè)數(shù)值區(qū)間劃分為五級(jí)富水靶區(qū)、四級(jí)富水靶區(qū)、三級(jí)富水靶區(qū)、二級(jí)富水靶區(qū)、一級(jí)富水靶區(qū)，分級(jí)結(jié)果見圖10。

3 結(jié)果分析

為進(jìn)一步了解該地區(qū)地下水的分布，將該地區(qū)井的水量與淺層地下水富集性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)前期調(diào)查報(bào)告與實(shí)地探勘調(diào)查，獲得了4口井的水量數(shù)據(jù)。此外，進(jìn)行了野外地質(zhì)勘查，尋找到島嶼有四處較大的泉水出露，并與評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表2。其結(jié)果表明，淺層地下水富集性的評(píng)估結(jié)果與實(shí)測井的水量呈正相關(guān)，選用指數(shù)擬合，R2為0.846 2(圖11)，雖然井的數(shù)量較少，但擬合結(jié)果較好，表明地下水富集性遙感評(píng)價(jià)結(jié)果能反映該研究區(qū)的地下水分布情況。結(jié)合圖10，該島嶼的海岸線向內(nèi)約10～30 m地區(qū)，地下水富集性可達(dá)到三級(jí)富水靶區(qū)等級(jí)，該區(qū)域的風(fēng)化裂隙發(fā)育較其他地區(qū)高，利于地下水富集。在島嶼中部與東南部之間的溝谷區(qū)域，可以達(dá)到三級(jí)、二級(jí)富水靶區(qū)等級(jí)，該區(qū)域應(yīng)該為構(gòu)造裂隙水。且經(jīng)過實(shí)地勘查，在島嶼中部偏南處，有一儲(chǔ)水大斷層，與圖10中，島中部有一級(jí)、二級(jí)淺層地下水富集性的位置一致。

圖10 研究區(qū)淺層地下水富集性評(píng)價(jià)結(jié)果五級(jí)圖Fig.10 5-level results of assessment of shallow groundwater potential in the study area

表2 井出水量資料

圖11 研究區(qū)地下水富集性評(píng)估結(jié)果得分與水流量擬合圖Fig.11 Fitting diagram of scores of assessment of groundwater potential and water yield of wells or discharge of springs in the study area

4 結(jié)論

(1)基于GF-1-RS淺層地下水評(píng)估法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了淺層地下水評(píng)估，并結(jié)合井與泉的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了研究區(qū)的淺層地下水分布情況，并可由5級(jí)等級(jí)圖反映。

(2)在實(shí)際驗(yàn)證工作中，根據(jù)評(píng)估的結(jié)果相應(yīng)地找到了研究區(qū)的天然水域和大構(gòu)造斷層的具體位置，證實(shí)了區(qū)域的淺層地下水富集性情況，符合研究區(qū)儲(chǔ)水的本質(zhì)規(guī)律。

(3)GF-1數(shù)據(jù)的利用提高了淺層地下水遙感評(píng)估的精確度與準(zhǔn)確度。此外，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)將源源不斷地服務(wù)于地下水遙感評(píng)估，提高評(píng)估結(jié)果的質(zhì)量。