基GIS与层次分析法的地下水资源分区研究

摘要: 提出了基于GIS和层次分析法的地下水资源分区方法, 选取降水量、流域水系、蒸发量、含水层富水性、地形地貌、包气带岩性为分析因子, 应用层次分析法确定各因子的权重, 并结合GIS空间分析功能, 得到中牟县地下水资源分区结果。结果表明: 基于GIS和层次分析法的地下水资源分区方法是合理和可行的。

关键词: GIS; 层次分析法; 地下水; 水资源分区

中图分类号: TV212. 2 文献标识码: A do :i 10. 3969 / .j issn. 1000-1379. 2010. 11. 027

地下水资源分区是地下水资源评价、规划、管理的重要前提。一方面, 分区方式受水资源评价目的影响; 另一方面, 有效、合理的分区可以减少地下水资源量计算的盲目性, 对确定不同地区水资源开发利用的模式和方向有着指导作用。以往的分区方法主要有经验法和数理统计法, 经验法包含较多的人为因素, 准确性较差; 数理统计法为定量分析方法, 主要有指标法、重叠法、模糊聚类法。指标法研究的是分类对象的属性数据, 不考虑对象的空间信息, 因而不够完善; 重叠法将地形地貌区划图、气候区划图进行叠加, 并进行综合分析, 确定区划的界限, 虽然考虑了对象的空间信息, 但是工作量大, 成果精度低[1] ; 模糊聚类法依据的原则是使同一类中的对象具有尽可能大的相似性, 而不同类中的对象具有尽可能大的差异[2] , 当分析对象较多时, 计算量很大, 聚类结果难以预见, 当分析对象难以量化或差异不大时, 个别样本不能聚类。笔者提出了基于G IS和层次分析法的地下水资源分区方法, 可以根据评价目的、区域特点和研究区资料的收集情况, 灵活选择影响因子, 因地制宜地选取分区个数。

1 研究方法

基于GIS与层次分析法的地下水资源分区方法的基本步骤:①根据具体情况及获得的基础资料, 选取水资源分区的影响因子, 并采用层次分析法确定各因子的权重; ②利用A rcGIS编绘各个影响因子的分区图, 建立空间数据库;③应用A rcGIS的空间分析功能将这些分区图按对应的权重进行图层间的栅格计算, 得到研究区地下水资源分区图。

1. 1 水资源分区指标选取

指标是分区研究的基本尺度和衡量标准, 而影响一个地区地下水资源分区的因素有很多, 从不同角度选取评价因子会得到不同的分区结果。地下水资源分区应遵循以下4 条原则[3] :①尽量保持水系的完整性;②反映水资源的地区差别;③根据区域地形地貌特征、地层岩性、水文地质条件、地下水的类型、矿化度等细分计算单元;④尽可能保持行政区划的完整, 便于水资源供需分析。地下水资源分区应考虑流域水系、水文气象、地形地貌、地层岩性、地下水类型、地下水富水程度、地下水开采现状、地下水矿化度等因子, 可以根据研究区的实际情况和资料收集情况, 灵活选取评价因子, 但应该尽量全面、有效、系统地反映地下水资源分布的实际情况和地区差异。

1. 2 层次分析法确定权重

确定权重的方法有很多, 但大多数需要定量指标。由于影响地下水资源分区的因子较多, 且以定性因子为主, 因此采用层次分析法确定权重。层次分析法是Saaty教授于20 世纪70年代提出的一种定性与定量相结合的决策分析方法, 通过分析复杂问题包含的因素及其相互关系, 用一定的标度把主观判断定量化, 把定性问题进行定量分析。为了尽可能减小层次分析法的主观片面性, 在此由多个专家建立各自的判断矩阵, 再将算得的权重进行加权平均, 得到指标的融合权重。

(1)根据因子构造比较判断矩阵。确定各影响因子后, 采用1~ 9标度方法将n 个因子的重要性进行两两比较, 得到定量化结果。若因子i相对因子j比较值为aij, 则因子j相对因子i比较值为1/ai j, 由此可以建立n×n阶的判断矩阵A。

(2) 检验判断矩阵的一致性。计算出A的最大特征根λmax,然后计算判断矩阵一致性指标:

CI 值越大, 说明判断矩阵偏离完全一致性的程度越高。一般判断矩阵的阶数n 越大, CI 值便越大。当n < 3时, 判断矩阵具有完全一致性; 当n≥3时, 采用随机一致性比率CR 检验判断矩阵的一致性。CR 的计算式为

CR = CI /RI

式中: R I为平均随机一致性指标, 根据判断矩阵的阶数取值。

当CR < 0. 10时, 认为判断矩阵的一致性可以接受, 否则需要对判断矩阵进行适当的修正。

(3) 计算权重。确定A 具有一致性后, 计算λm ax对应的特征向量w = [w 1, w 2,…, wn ]。对向量w进行归一化处理得到各因子的权重w′。

( 4) 融合权重。设m 为专家个数, w ′j = [ w j 1′, wj2 ′,…, w jn′] 为第j个专家给出的权重向量, 融合权重w = [ w1, w 2,…, w n ], 则满足

1. 3 GIS空间分析

GIS能够将地理位置和相关属性信息有机地结合起来, 可以有效地收集、存储、处理、分析和显示空间信息, 具有地域综合、空间分析、动态预测与决策支持等功能[4] 。ArcGIS空间分析模块( Spatia lAna lyst)提供了一个范围广泛、功能强大的空间分析和建模工具集, 用户可以从G IS 数据中快速获取所需信息, 并以多种方式进行分析操作, 包括距离制图、密度制图、表面生成、重分类、栅格计算等。利用栅格计算器( Raster Calculator), 可以方便地完成基于数学运算符及数学函数的栅格计算,还可以直接调用GIS自带的栅格数据空间分析函数, 实现多条语句的同时输入和运行, 支持地图代数运算[5] 。

地下水资源分区首先需要将取得的各因子分区图按一定顺序和统一级别数进行分级处理, 这样不仅可以消除量纲的影响, 而且使各类数据之间具有量值的可比性, 方便数据间的定量分析与计算; 然后将其转化为栅格文件, 利用栅格计算器, 代入各数据层的权重, 通过运算产生地下水资源分区图。具体流程[6] 见图1。

图1 基于GIS与层次分析法的地下水资源分区流程

2 应用实例及结果评价

中牟县是郑州市辖县, 属淮河流域, 处于中原城市群的核心, 是郑汴一体化的重要支撑点。全县共有17个乡镇、428个行政村。随着郑州中心城区东扩和郑汴一体化的加快推进, 该县必将迎来更多的发展机遇, 而水资源是影响城市发展的重要制约因素, 因此需要对该县水资源进行合理评价。2. 1 选取影响因子与确定权重根据中牟县的实际情况和收集到的资料, 选取影响地下水资源分区的因子为降水量、流域水系、蒸发量、含水层富水性、地形地貌、包气带岩性。邀请3位专家通过比较各因子给出判断矩阵:

应用Matlab对上述3位专家建立的判断矩阵进行权重计算和一致性检验, 结果见表1。一致性检验结果均符合要求。

表1 指标权重计算结果

采用加权平均法求得指标权重w = [ 0. 139 7, 0. 326 4,0. 088 2, 0. 124 5, 0. 238 2, 0. 083 0]。

2. 2 空间分析

扫描输入研究所用的图形资料, 通过数字化生成矢量文件, 构成G IS基础数据库, 并进行分级处理。统一分为5 级来大致度量水资源量, 假定级别越低水资源量越大。级别值是为了让各分区之间有可比性才取的, 没有现实意义, 只要统一即可。降水量只有一个水文站资料, 将中牟县降水量近似为一个值, 降水量分区图用该县行政图表示, 其值取中间值3; 流域水系因子用流域分区图表示, 由于中牟县地下水资源量大体上由北向南逐渐减小, 因此按地理位置将黄河流域、涡河流域、沙颍河流域依次赋值为1、3、5; 蒸发量与地下水埋深密切相关, 故可以将其对地下水资源分区的影响用地下水埋深图表示, 将埋深1~ 2 m、2~ 3 m、3~ 4 m、5~ 6 m、6~ 7 m 依次赋值为1、2、3、4、5; 地形地貌的影响用地形分区图表示, 平原区、岗间洼地区、残岗区依次赋值为1、3、5; 含水层富水程度用含水层富水性分区图表示, 水量极丰富区( 大于3 000 m3 / d)、丰富区(1 000 ~3 000 m3 /d)、中等区(100~ 1 000 m3 / d)分别赋值为1、3、5; 包气带岩性与种植的作物有关, 可近似用作物分区图表示, 从北向南依次赋值为1、2、3、4、5。将各图形转化为栅格文件。利用栅格计算器, 代入权重,并选取分区数(在此拟定为5 个分区), 最终得到中牟县地下水资源分区结果, 见图2。

图2 地下水资源分区结果

2. 3 结果评价分区结果基本能够反映中牟县地下水资源的分布特点, 分区地下水资源量相对均衡差只有3. 3%, 证明基于GIS和层次分析法的地下水资源分区方法是合理和可行的。

3 结语

采用层次分析法确定分区因子权重具有较大的片面性, 需要进一步改进。将各因子对应的分区图划分为不同级别时, 仅按照原有图件, 没有细分范围, 等级确定过于粗糙, 没有体现出连续变化的特征, 对分区结果的准确性有较大影响。随着GIS技术理论和方法上的不断完善, 其在水资源领域的应用必将愈加广泛。

参考文献:

[ 1] 黄跃进, 杨军. 基于G IS技术的节水灌溉区划研究[ J] . 中国农村水利水电,1999(12) : 10- 12.

[ 2] 陈守煜, 李亚伟. 基于模糊迭代聚类的水资源分区研究[ J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2004, 23( 6): 848- 851.

[ 3] 水利部水资源水文司. SL /T 238? 1999水资源评价导则[ S] . 北京: 中国水利水电出版社, 1999.

[ 4] 宫辉力, 赵文吉, 李小娟. 地下水地理信息系统: 设计、开发与应用[M ]. 北京: 科学出版社, 2006.

[ 5] 汤国安, 杨昕. ArcG IS地理信息系统空间分析实验教程[M ] . 北京: 科学出版社, 2006.

[ 6] A Rahman. A G IS based DRA ST IC model for assessing groundwater vulnerability in shallow aquifer in A ligarh, India [ J]. Applied Geography, 2008, 28 (1) : 32- 53.

作者简介: 陈南祥(1958—), 男, 江苏张家港人, 教授, 博士, 研究方向为水资源和水文地质。