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摘 要 水资源管理研究与各水文要素的空间运动密切相关，GIS由于其强大的空间分析功能近年来被广泛运用于水文信息的空间分析研究中。基于GIS平台，利用自动化测报系统收集的实时数据，可实现对监测区域内水文空间信息的实时分析，有效解决人工分析不及时、繁琐费力、展现不直观等问题。基于ArcGIS软件平台，利用石羊河流域水资源调度管理信息系统采集的实时数据，通过反距离加权插值法对石羊河流域地下水埋深进行插值分析，绘制石羊河流域地下水埋深等值线图，实现了石羊河流域地下水位变化情况的直观展现。
关键词 石羊河；地下水；GIS；埋深等值线
中图分类号：P641.7 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.12.089
大幅压减地下水开采量，遏制地下水持续下降是石羊河流域治理的重要措施和目标。随着石羊河治理工作的全面落实完成，石羊河流域生态环境恶化的趋势得到有效遏制，加强流域地下水控采监督及地下水位变化分析，对巩固流域治理成效，保障约束性目标持续实现具有非常重要意义。流域地下水分析涉及空间信息分析，而对空间信息的管理与分析正是GIS的优势[1]。国内学者利用GIS对降雨[2-3]、气象要素[4]、地下水埋深等进行了广泛的研究，如迟宝明等[5]利用等值点的插值、追踪等处理等手段，开发了基于MapObject的地下水水位等值线图自动生成程序。高志鸿等[6]利用GIS进行等值线绘制流程建模，并利用该模型绘制完成了公主岭市地下水埋深等值线等，用于水资源信息的监测分析。因此，基于GIS平台和地下水位实时采集数据，利用反距离加权插值法绘制石羊河流域地下水位等值线，实现石羊河流域地下水实时情况的直观展现和不同时段的变化对比分析，对提高流域水资源管理具有重要意义。
1 石羊河流域概况
石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，乌鞘岭以西，祁连山北麓，东经101°41′～104°16′、北纬36°29′～39°27′，总面积约为4.16万km2。全流域可分为南部祁连山地、中部走廊平原区、北部低山丘陵区及荒漠区四大地貌单元。南部祁连山地，海拔2 000～5 000 m；中部走廊平原区，包括大靖、武威、永昌三个盆地，海拔1 400～2 000 m；北盆地包括民勤盆地、金川-昌宁盆地，海拔1 300～1 400 m。石羊河流域自东向西由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河和西大河8条河流及多条小沟小河组成，河流补给来源为山区大气降水和高山冰雪融水，产流面积1.11万km2，多年平均径流量15.60亿m3。石羊河流域分可为大靖河水系、六河水系及西大河水系3个独立的子水系。流域地表水主要来自降水和冰川融水，地下水资源来自降水、凝结水补给量和侧向流入量。
2 石羊河流域地下水位等值線分析与绘制
2.1 等值线生成原理
地下水埋深等值线图是水利决策服务中常用的水利要素显示方式，能直观地反映地下水埋深的空间分布情况，便于分析和判断。利用ArcGIS Server发布Geoprocessing Services，通过调用服务用户可以根据提供的要素集自动处理并生成要素集的等值线，并自动显示。由点要素集生成等值线基本步骤：对点要素集进行插值（本文选用反距离加权插值法进行空间插值）；由插值后的栅格数据集生成等值线，等值线的分布可显示出数值在整个表面的变化情况。数值的变化量越小，线的间距就越大。数值上升或下降得越快，线的间距就越小。
2.2 反距离加权插值法
反距离加权插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）是基于相似相近的原理，使用预测区域内已知的样点值来预测区域内样点以外的位置的值。距离预测点最近的样点要比距离预测点稍远的样点值的影响大。因此，反距离加权法假设各已知样点对预测点值的预测都有局部性的影响，其影响随着距离的增加而减小[7]。
反距离加权法的通用公式如下：
其中，为s0处的预测值；N为预测计算过程中要使用的预测点周围样点的数量；λi为预测计算过程中使用的各样点的权重，该值随着样点与预测点之间距离的增加而减小；Z（si）是在si处获得的样本点的值。
确定权重的计算公式为：
其中，P为指数值；dio是预测点s0与各已知样点si之间的距离。样点在预测点值的计算过程中所占权重的大小受参数p的影响；也就是说，随着采样点与预测值之间距离的增加，标准样点对预测点影响的权重按指数规律减少。
2.3 石羊河流域地下水埋深等值线绘制
基于ArcGIS软件平台，以70眼地下水位监测井数据为观测样点，生成shapefile图层后，在ArcToolbox模块下3D Analyst Tools中采用反距离加权插值法进行栅格空间插值。利用空间分析工具（Spatial Analyst Tools）中的提取分析模块，选定提取范围边界，输出给定范围的插值栅格；打开栅格表面（Raster Surface）下的等值线模块，在输入栅格中输入掩膜提取后的栅格，设置等值线间距10 m及等值线起始值10 m，即输出折线要素形式的等值10 m；利用制图工具（Cartography Tools）中的制图综合选项，选择平滑线工具，输入平滑容差1 m，对整个等值线图层进行平滑处理，即可输出较为平滑的等值线。根据不同颜色标注不同埋深的区域，可直观的显示整个流域的地下水埋深情况，取某一时间段数据，可生成以70眼代表性监测井为样点的流域地下水相对地面的埋深情况图，如图1～4所示。
图1～4较为直观地展现了石羊河流域2015年、2016年12月及2017年第二季度、第四季度地下水位相对地面的埋深情况（南部祁连山地区域无监测井，形成的等值线不作为以下参考分析依据）。由各图可知，总体石羊河流域地下水埋深：民勤盆地地下水位埋深在30 m范围内，其中湖区范围10 m以内（局部在3 m以内）；武威、永昌、金川-昌宁盆地大部分区域地下水埋深在50 m范围内，局部区域在50～100 m范围内。武威盆地的古浪县土门镇湖边村、永昌盆地的永昌县六坝乡下排村和红山窑乡红山窑村、金川-昌宁盆地的金川宁堡下四分村以4处监测站点为中心辐射周边地下水埋深达到100 m以上。 根据图1～4不同年度同期、同年度不同时段GIS等值线图无明显变化和各盆地2015—2017年度代表性监测样点埋深数值大部分小范围波动，个别规律性变小，可推断近3年石羊河流域水位整体趋于稳定，局部有所回升。根据流域相对灌溉高峰期地下水埋深图（图3）和非灌溉高峰期埋深图（图4）对比分析可知，流域地下水在第一、四季度非灌溉高峰期地下水位有所回升，而在第二、三季度灌溉高峰期地下水位有所下降。通过流域地下水时空分析表明，石羊河流域地下水下降趋势得到有效遏制，整体趋于稳定，局部有所回升，而灌溉、生产工农业用水依然是影响流域地下水变化的主要因素之一。
3 结论与展望
基于ArcGIS软件平台，利用反距离加权插值法和70眼监测井监测数据，实现了对石羊河流域整体地下水埋深情况的直观展现，有效的解决了人工分析不及时、繁琐费力的问题。此外，选择2015—2017年地下水等值线图分析表明，年度同期对比同值线附近颜色大部分无明显变化，局部颜色变浅，说明石羊河流域地下水下降趋势得到有效遏制，趨于稳定；枯水期流域上游和灌溉生产高峰期流域下游颜色略有加深，说明水位略有下降。
参考文献：
[1] 陈锁忠，常本春，黄家柱，等.水资源管理信息系统[M].北京：科学出版社，2006.
[2] 刘武，怀志军.ArcGIS在绘制降雨径流等值线过程中的应用[J].水利科技与经济，2015，21（7）：118-120.
[3] 高歌，龚乐冰，赵珊珊，等.日降水量空间插值方法研究[J].应用气象学报，2007，18（5）：732-736.
[4] 马轩龙，李春娥，陈全功.基于GIS的气象要素空间插值方法研究[J].草业科学，2008，25（11）：13-19.
[5] 迟宝明，李治军，叶勇，等.基于GIS的地下水水位等值线图自动生成算法研究[J].吉林大学学报（地球科学版），2007，37（2）：261-265.
[6] 高志鸿，刘航.ArcGIS在地下水埋深等值线绘制过程中的应用[J].吉林水利，2017（1）：22-25.
[7] 汪旸.地理信息系统（GIS）在研究江苏省地方性氟中毒流行中的应用[D].南京：东南大学，2004.
（责任编辑：赵中正）
关键词 石羊河；地下水；GIS；埋深等值线
中图分类号：P641.7 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.12.089
大幅压减地下水开采量，遏制地下水持续下降是石羊河流域治理的重要措施和目标。随着石羊河治理工作的全面落实完成，石羊河流域生态环境恶化的趋势得到有效遏制，加强流域地下水控采监督及地下水位变化分析，对巩固流域治理成效，保障约束性目标持续实现具有非常重要意义。流域地下水分析涉及空间信息分析，而对空间信息的管理与分析正是GIS的优势[1]。国内学者利用GIS对降雨[2-3]、气象要素[4]、地下水埋深等进行了广泛的研究，如迟宝明等[5]利用等值点的插值、追踪等处理等手段，开发了基于MapObject的地下水水位等值线图自动生成程序。高志鸿等[6]利用GIS进行等值线绘制流程建模，并利用该模型绘制完成了公主岭市地下水埋深等值线等，用于水资源信息的监测分析。因此，基于GIS平台和地下水位实时采集数据，利用反距离加权插值法绘制石羊河流域地下水位等值线，实现石羊河流域地下水实时情况的直观展现和不同时段的变化对比分析，对提高流域水资源管理具有重要意义。
1 石羊河流域概况
石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，乌鞘岭以西，祁连山北麓，东经101°41′～104°16′、北纬36°29′～39°27′，总面积约为4.16万km2。全流域可分为南部祁连山地、中部走廊平原区、北部低山丘陵区及荒漠区四大地貌单元。南部祁连山地，海拔2 000～5 000 m；中部走廊平原区，包括大靖、武威、永昌三个盆地，海拔1 400～2 000 m；北盆地包括民勤盆地、金川-昌宁盆地，海拔1 300～1 400 m。石羊河流域自东向西由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河和西大河8条河流及多条小沟小河组成，河流补给来源为山区大气降水和高山冰雪融水，产流面积1.11万km2，多年平均径流量15.60亿m3。石羊河流域分可为大靖河水系、六河水系及西大河水系3个独立的子水系。流域地表水主要来自降水和冰川融水，地下水资源来自降水、凝结水补给量和侧向流入量。
2 石羊河流域地下水位等值線分析与绘制
2.1 等值线生成原理
地下水埋深等值线图是水利决策服务中常用的水利要素显示方式，能直观地反映地下水埋深的空间分布情况，便于分析和判断。利用ArcGIS Server发布Geoprocessing Services，通过调用服务用户可以根据提供的要素集自动处理并生成要素集的等值线，并自动显示。由点要素集生成等值线基本步骤：对点要素集进行插值（本文选用反距离加权插值法进行空间插值）；由插值后的栅格数据集生成等值线，等值线的分布可显示出数值在整个表面的变化情况。数值的变化量越小，线的间距就越大。数值上升或下降得越快，线的间距就越小。
2.2 反距离加权插值法
反距离加权插值法（Inverse Distance Weighted，IDW）是基于相似相近的原理，使用预测区域内已知的样点值来预测区域内样点以外的位置的值。距离预测点最近的样点要比距离预测点稍远的样点值的影响大。因此，反距离加权法假设各已知样点对预测点值的预测都有局部性的影响，其影响随着距离的增加而减小[7]。
反距离加权法的通用公式如下：
其中，为s0处的预测值；N为预测计算过程中要使用的预测点周围样点的数量；λi为预测计算过程中使用的各样点的权重，该值随着样点与预测点之间距离的增加而减小；Z（si）是在si处获得的样本点的值。
确定权重的计算公式为：
其中，P为指数值；dio是预测点s0与各已知样点si之间的距离。样点在预测点值的计算过程中所占权重的大小受参数p的影响；也就是说，随着采样点与预测值之间距离的增加，标准样点对预测点影响的权重按指数规律减少。
2.3 石羊河流域地下水埋深等值线绘制
基于ArcGIS软件平台，以70眼地下水位监测井数据为观测样点，生成shapefile图层后，在ArcToolbox模块下3D Analyst Tools中采用反距离加权插值法进行栅格空间插值。利用空间分析工具（Spatial Analyst Tools）中的提取分析模块，选定提取范围边界，输出给定范围的插值栅格；打开栅格表面（Raster Surface）下的等值线模块，在输入栅格中输入掩膜提取后的栅格，设置等值线间距10 m及等值线起始值10 m，即输出折线要素形式的等值10 m；利用制图工具（Cartography Tools）中的制图综合选项，选择平滑线工具，输入平滑容差1 m，对整个等值线图层进行平滑处理，即可输出较为平滑的等值线。根据不同颜色标注不同埋深的区域，可直观的显示整个流域的地下水埋深情况，取某一时间段数据，可生成以70眼代表性监测井为样点的流域地下水相对地面的埋深情况图，如图1～4所示。
图1～4较为直观地展现了石羊河流域2015年、2016年12月及2017年第二季度、第四季度地下水位相对地面的埋深情况（南部祁连山地区域无监测井，形成的等值线不作为以下参考分析依据）。由各图可知，总体石羊河流域地下水埋深：民勤盆地地下水位埋深在30 m范围内，其中湖区范围10 m以内（局部在3 m以内）；武威、永昌、金川-昌宁盆地大部分区域地下水埋深在50 m范围内，局部区域在50～100 m范围内。武威盆地的古浪县土门镇湖边村、永昌盆地的永昌县六坝乡下排村和红山窑乡红山窑村、金川-昌宁盆地的金川宁堡下四分村以4处监测站点为中心辐射周边地下水埋深达到100 m以上。 根据图1～4不同年度同期、同年度不同时段GIS等值线图无明显变化和各盆地2015—2017年度代表性监测样点埋深数值大部分小范围波动，个别规律性变小，可推断近3年石羊河流域水位整体趋于稳定，局部有所回升。根据流域相对灌溉高峰期地下水埋深图（图3）和非灌溉高峰期埋深图（图4）对比分析可知，流域地下水在第一、四季度非灌溉高峰期地下水位有所回升，而在第二、三季度灌溉高峰期地下水位有所下降。通过流域地下水时空分析表明，石羊河流域地下水下降趋势得到有效遏制，整体趋于稳定，局部有所回升，而灌溉、生产工农业用水依然是影响流域地下水变化的主要因素之一。
3 结论与展望
基于ArcGIS软件平台，利用反距离加权插值法和70眼监测井监测数据，实现了对石羊河流域整体地下水埋深情况的直观展现，有效的解决了人工分析不及时、繁琐费力的问题。此外，选择2015—2017年地下水等值线图分析表明，年度同期对比同值线附近颜色大部分无明显变化，局部颜色变浅，说明石羊河流域地下水下降趋势得到有效遏制，趨于稳定；枯水期流域上游和灌溉生产高峰期流域下游颜色略有加深，说明水位略有下降。
参考文献：
[1] 陈锁忠，常本春，黄家柱，等.水资源管理信息系统[M].北京：科学出版社，2006.
[2] 刘武，怀志军.ArcGIS在绘制降雨径流等值线过程中的应用[J].水利科技与经济，2015，21（7）：118-120.
[3] 高歌，龚乐冰，赵珊珊，等.日降水量空间插值方法研究[J].应用气象学报，2007，18（5）：732-736.
[4] 马轩龙，李春娥，陈全功.基于GIS的气象要素空间插值方法研究[J].草业科学，2008，25（11）：13-19.
[5] 迟宝明，李治军，叶勇，等.基于GIS的地下水水位等值线图自动生成算法研究[J].吉林大学学报（地球科学版），2007，37（2）：261-265.
[6] 高志鸿，刘航.ArcGIS在地下水埋深等值线绘制过程中的应用[J].吉林水利，2017（1）：22-25.
[7] 汪旸.地理信息系统（GIS）在研究江苏省地方性氟中毒流行中的应用[D].南京：东南大学，2004.
（责任编辑：赵中正）