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)方法評價干旱區(qū)綠洲-荒漠交錯帶地下水分布并進行了實地驗證。Murugensan[2]等利用遙感技術(shù)提取地形、地貌、水網(wǎng)密度和斷裂密度對盆地內(nèi)的構(gòu)造裂隙水進行了評估，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個指標，并通過主成份變換選擇其中7個指標對干旱區(qū)地下水富集性進行評估，評估結(jié)果與實地驗證相符，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、匯流強度、土地利用等7個指標對加納的地下水潛在富集性進行評估，認為RS與GIS技術(shù)可以進行國家范圍的地下水富集性評估。鄧正棟等人[5]以ALOS、SPOT、TM 和DEM為數(shù)據(jù)源，對地層巖性、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個指標進行遙感提取和解譯。利用層次分析法分別計算孔隙水和裂隙水各個指標的權(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試驗與嘗試，利用GF-1，DEM等數(shù)據(jù)對約4 km2的外伶仃島進行淺層地下水富集性評估研究。

1 基本原理

1.1 改進的GRSFAI法簡介

地下水富集性遙感評估(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估的評價指標，形成了評價指標集：

Y={yL，yS，yR，yLT，ySH，yVF……}

(1)

式中：Y——評價指標集；

yL——地層巖性指標；

yS——地形坡度指標；

yR——地貌指標；

yLT——地表溫度指標；

ySH——土壤濕度指標；

yVF——植被覆蓋度指標。

需要考慮各個指標的權(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GRSFAI法進行改進，即改變原有的專家人為定權(quán)，如：利用蒙特卡洛法改進AHP的定權(quán)[9],還可以考慮用已經(jīng)評價的遙感結(jié)果數(shù)據(jù)與實際地下水水量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，聚類分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，類似一個反演的過程，得出權(quán)重改進GRSFAI法。每一個指標對應(yīng)一個權(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價得分：

(3)

圖1 地下水富集性遙感評估法(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月有臺風(fēng)，最大風(fēng)速12級以上。10—12月天氣平和。四季溫差不大，冬天無嚴寒，夏天無酷暑。1973—1991年的氣溫資料證實，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月每個月當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)波段對比

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

2.2 地層巖性指標富水性評價

根據(jù)水文地質(zhì)資料與實地踏勘，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，是一個離散的隸屬度函數(shù)。該島嶼巖性比較單一，其巖性指標的處理結(jié)果見圖3。

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

2.3 地貌指標富水性評價

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，大氣降水的徑流時間長，滲透補給地下的水量大，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——地貌指標值。

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

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

2.4 地形坡度指標富水性評價

坡度大的山區(qū)溝谷地形，大氣降水在地表停留時間短，難以滲透補給地下水；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間長，滲透補給地下的水量大，地下水富水性高。其隸屬度函數(shù)[10]：

(5)

式中：S——坡度/(°)；

yS——坡度指標值。

利用ArcGIS軟件對島嶼的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 植被覆蓋率指標富水性評價

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GF-1數(shù)據(jù)(GF-1數(shù)據(jù)源：GF1_PMS2_E114.2_N22.1_20170121_L1A0002136162，時間：2017年1月21日)進行植被覆蓋率提取處理[11]，并進行歸一化處理，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 地面溫度指標富水性評價

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

(6)

式中：LT——地表溫度值；

yLT——地表溫度指標值。

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軟件對地面溫度進行提取處理[12]，并進行歸一化處理。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 水域密度指標富水性評價

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

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，時間：2017年1月21日)在ArcGIS軟件將空間分析模塊對提取的地表水體進行焦點統(tǒng)計，計算研究區(qū)水域分布密度，并進行歸一化處理，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 土壤濕度指標富水性評價

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，時間：2017年1月21日)進行土壤濕度指標提取，其歸一化結(jié)果見圖9。

圖9 研究區(qū)土壤濕度指標的圖像結(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價

圍繞淺層地下水富集性評估的7個指標進行數(shù)據(jù)提取和歸一化處理，將每個評價指標規(guī)范至[0，1]區(qū)間以方便下一步代入綜合評估模型。

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)與實測數(shù)據(jù)，經(jīng)過遙感圖像灰度統(tǒng)計與聚類分析(類似于一個反演的過程得出的權(quán)重)得出的各個指標的權(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。對該地區(qū)進行地下水富集性評價的得分：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行評估分級。將按照0～0.20、0.20～0.40、0.40～0.60、0.60～0.80、0.80～1.00，5個數(shù)值區(qū)間劃分為五級富水靶區(qū)、四級富水靶區(qū)、三級富水靶區(qū)、二級富水靶區(qū)、一級富水靶區(qū)，分級結(jié)果見圖10。

3 結(jié)果分析

為進一步了解該地區(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價結(jié)果進行對比。根據(jù)前期調(diào)查報告與實地探勘調(diào)查，獲得了4口井的水量數(shù)據(jù)。此外，進行了野外地質(zhì)勘查，尋找到島嶼有四處較大的泉水出露，并與評價結(jié)果進行對比,如表2。其結(jié)果表明，淺層地下水富集性的評估結(jié)果與實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價結(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)，地下水富集性可達到三級富水靶區(qū)等級，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，可以達到三級、二級富水靶區(qū)等級，該區(qū)域應(yīng)該為構(gòu)造裂隙水。且經(jīng)過實地勘查，在島嶼中部偏南處，有一儲水大斷層，與圖10中，島中部有一級、二級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價結(jié)果五級圖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淺層地下水評估法對研究區(qū)進行了淺層地下水評估，并結(jié)合井與泉的數(shù)據(jù)進行了驗證，得出了研究區(qū)的淺層地下水分布情況，并可由5級等級圖反映。

(2)在實際驗證工作中，根據(jù)評估的結(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，證實了區(qū)域的淺層地下水富集性情況，符合研究區(qū)儲水的本質(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估的精確度與準確度。此外，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)將源源不斷地服務(wù)于地下水遙感評估，提高評估結(jié)果的質(zhì)量。