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　　　　　GIS和遥感技术在地下水调查中的联合应用

　　　　　　　——以土耳其布尔杜尔市为例

Erhan Sener.Aysen Davraz.Mehmet Ozcelik

冯翠娥  译；魏国强  校译

随着对地下水需求量的日益增加和泉水排泄量的逐渐减少，地下水对土耳其的布尔杜尔（Burdur）市而言，有着越来越重要的意义。在对布尔杜尔市的地下水进行调查过程中，已经运用了遥感和地理信息（GIS）技术。研究发现，地下水的化学组成并未达到饮用水的水质标准。布尔杜尔市居民区的引用水主要来自于附近的平原。

这项研究的目的是通过遥感和GIS技术调查新的水资源。在研究过程中，拍摄了研究区地质地貌和土地利用情况的由TM7-4-1波段组成的Landsat-TM卫星图像，绘制了关于地面高程、河流、道路和泉分布位置的1/100,000的地形图，数字化了河网密度图。据调查显示，Askeriye、Bugduz、Gelincik、Taskap和Kayaalt周围的地区被认为是研究区内地下水最具潜力的地方。

在表达数据的空间性、光谱性和时间性方面，以及在处理短时间无法控制的有关大区域的数据方面，遥感和地理信息技术拥有无与伦比的优势，所以，在获取、监测和保护地下水资源中，这种技术已经成为非常便捷的工具。另外，遥感技术除了可以帮助寻找有潜力的地下水开采区之外，还为地区地下水资源总量的评价提供了便利。

这项调查的目的就是联合运用遥感和GIS方法，为土耳其西南部的布尔杜尔市寻找新的地下水源。研究区的面积大约是437km²。布尔杜尔市的饮用水一直来自于附近10km外的平原区。由于地下水的超采，平原区地下水水位已经在逐渐下降。在个别地区，当局不得不为地方居民制定必要的供水计划。因此，为布尔杜尔市寻找新的水源势在必行。

一、方  法

本研究不仅使用了Erdas Image 8.4遥感图像处理软件、Arc GIS 8.2和Arc View 3.2（3D分析和空间分析拓展模块）等地理信息系统软件以及土耳其Suleyman Demirel大学遥感中心开发的SPSS 11处理程序，同时，还利用了2000年的Landsat ETM+(178–34)和1:100,000的Isparta-M24地形图。此外，在年降雨量分布图中利用了周围地区的年降雨量数据。地形图的数字化使用了Arc Info 7.2.1软件。地形变化和坐标转换都经过了校正，并利用Arc View 3.2软件对数据进行了修正。该项研究分为四个阶段：收集资料、卫星图像处理、数字化并建立数据库和空间分析系统。

二、卫星数据分析

卫星遥感数据为控制地下水分布和运动的参数（如地质、地形、土壤、土地利用、地貌轮廓等）提供了快捷而又有效的基本信息。

在研究中，为了分析和解译卫星遥感数据，不仅形成了数字化的地形图和地质构造图等基础的图件，而且还利用了对卫星遥感数据的收集、校正（从几何学和大气学的角度）、图像处理（比如图像增强、过滤、分类、分辨率合并等）和野外校核等方法。所有可利用的数据均以数字化形式被集中起来，并进行适当的统计和注册，以确保空间数据的重叠和准确。制作完成的图层包括：年降雨量分布图、地质概况图、线性构造密度分布图、地形图、河网密度图和土地利用图。水位分析和权重计算都是从这些数据中提取出来的。对不同的参数要采用适当的权重，以评价地下水开采的潜力。权重的值基于Musa等人的研究（2000）。

三、水文地质条件

研究区的地质图是以2000年ETM+7-4-1波段的ETM+卫星图像结合野外调查绘制而成。Kayikoy地层、卡拉布伦（Karaburun）地层和布尔杜尔（Burdur）地层都是原生地层，而Gokcebag复合体和Akdag灰岩地层则是由异地岩块所形成的地层，在研究区内对这些地层都进行了统一的观测。

Kayikoy地层由沉积岩构成，含有砂岩、砾石、页岩、粘质灰岩和硅质灰岩等成分，是在第三纪上古新世和始新世之间沉积形成的厚砂页岩夹层（Gormus和Ozkul，1995）。Kayikoy地层具有典型的厚砂页岩夹层的性质，是隔水层。

Gokcebag蛇绿岩复合体由灰岩、辉绿岩、蛇纹岩、橄榄岩、辉长岩、放射虫岩以及燧石岩系构成，形成于卢台特阶（Lutetian）晚期（Ertunc等，2001），属于隔水层。Akdag灰岩作为一种滑动岩体存在于Gokcebag复合体中，它显示出含水层的性质，并广泛分布于研究区内。从Akdag灰岩中排泄出来的Kocapınar和Taskapı泉，是布尔杜尔市民的部分饮用水（Tasdelen，1994）。

Karaburun地层由多源砾石（渐新世）聚结而成，这种砾岩在一些溶洞或者裂隙发育的地方可能含水。然而，在所调查的地区发现，这种地层的出水量有限，因而不会形成含水层。

布尔杜尔地层由泥灰岩、粘土岩、泥岩和弱胶结的并含有凝灰岩、层凝灰岩、石灰华的砂岩构成，形成于上新世。其中的砂岩和凝灰岩达到一定厚度时，就会含有一定量的地下水。在布尔杜尔市附近平原区的水井中，含有石灰华的地层可以产出一定量的地下水。

在研究区内，冲积层属于第四纪形成的地层，由砂砾、砂、粘土和粉砂构成，属于松散沉积物。布尔杜尔市的居民区就位于该冲积层上，由于砂和砂砾层中有水的存在，因此，这个地层被认为是很好的含水层。冲积层和渗透性更强的砂砾石层的厚度有所不同，相应地，井的出水量在8～55L/s之间。根据相关的水文地质条件，采用恰当的权重对研究区进行了评价。

四、线性构造密度

线性构造为追踪地下水的运动和储存提供了线索（Subba等，2001），对地下水开发有着非常重要的导向作用。最近，有很多国家都在利用线性构造图来决定钻井的位置，开展地下水开发项目，均获得了较高的成功率（Teeuw，1995）。

借助Landsat ETM+7波段进行线性构造的筛选和可视化注释，对研究区内的线性构造进行识别。大部分线性构造的倾向是北20°－西50°。在研究区内共识别出171个线性构造，最小的线性构造长度是26.74m，最长的是5,619m。线性构造密度图利用IDW（距离权重倒数）空间插值算法制作而成。线性构造所采用的权重值是Krishnamurty等（1996，1997）提出的。线性构造密度大的地区，地下水的潜力会增加。另外，对研究区内的泉也进行了数字化，利用Arc View软件将其绘制在线性构造图上。

五、水网密度

水系模式是水文地质特征的重要标志之一，因为排水类型、结构和密度是由下伏基岩的性质所决定的。此外，与地表径流相比，河流类型反映了降雨入渗的速率。入渗和径流之间的关系在很大程度上是由渗透性决定的，而渗透性又是由岩石的类型、下伏岩石的性质和基岩表面的破裂程度所决定的（Edet等，1998）。利用Arc Info软件可以将1/100,000地形图上的河流进行数字化。水网密度图是根据每平方公里上的排水长度绘制而成的。此外，对水网密度也形成恰当的权重值。

六、地形分析

地形数据是确定潜水位高程的一个非常关键的因素。地形图是在比例尺为1/100,000地图的基础上经数字化得到的。将地形等高线数据输入到GIS软件中，得到数字高程模型（DEM）。每一个栅格单元都代表着一个坡度或者倾斜角的值。同时，对高程和梯度也形成恰当的权重。

七、土地利用情况

研究区的土地利用情况是混合型的，由森林覆盖、农业活动、居民区和水体综合构成，这可以从卫星遥感图像和土地利用图中解译出来。同时，对土地利用情况也形成权重值。

八、年降雨量

研究区的年降雨量分布图是采用IDW（距离权重倒数）插值算法，利用气象站和周围地区的年降雨量测量资料制作而成。这张图上栅格单元的面积是1×1km²，据此确定恰当的年降雨量的权重值。本项目中的权重值利用的是Krishnamurty等人1996～1997年的资料。

九、空间分析

研究的最后一个阶段是利用Musa等人2000年改进后的方法，将所有的专题图层整合起来。地下水潜力模型（GP）的计算公式如下：

GP=Rf+Lt+Ld+Lu+Te+S+Dd

式中：Rf：年降雨量；Lt：岩性；Ld：线性构造密度；Lu：土地利用；Te：地形高程；S：梯度；Dd：水网密度。

研究区的地下水潜力分区图是利用GIS模型并结合专题地图（地质图、线性构造密度分布图、降雨量分布图、水网密度图、地形高程图、斜坡分布图和土地利用图）制作完成。每一张专题图都由栅格单元组成，依据这些栅格单元对地下水潜力的贡献程度，对其进行分类。最后，利用地下水潜力模型对所有的专题图进行整合，从而得到最终的图层。

从中得知，地下水潜力较高的地区分布于水网密度和降雨比率相当高的Akdag灰岩和冲积层单元。而布尔杜尔地层的地下水潜力为中等，因为布尔杜尔地层的线性构造密度和水网密度属中等偏低。在Karaburun地层、Kayikoy地层和Gokcebag复合体分布的地区，地下水潜力较小，因为这些地层的线性构造密度，水网密度和降雨量数据都非常低。

十、结  论

地下水的分布特征与该地区的降雨量分布、土地利用情况、地质概况、地形高度、斜坡和排水特征有关。实践已经证明利用卫星遥感数据对地表的研究，尤其对探测地表特征（比如线性构造和地质情况等）是非常有用的。为了预测地下水的潜力区，制作了不同的专题地图，包括年降雨量分布图、土地利用图、地质图、线性构造密度分布图、地形高程图、斜坡分布图和水网密度图等。利用基于GIS技术开发出来的模型对这些专题地图进行综合评价，对于预测地下水潜力是非常合适的一种方法。从地下水潜力的角度来看，调查发现研究区内Askeriye、Bugduz、Gelincik、Taskap和Kayaalt周围地区是很重要的地下水分布区。在为布尔杜尔市寻找新的水源过程中，对这些地区进行了详细的调查。

译自《Hydrogeology Journal》(2005) 13

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