利用空間層次疊置方法分析江油市地下水潛力

張鎮平,李英冰,張 沛

(武漢大學測繪學院,湖北 武漢 430000)

地下水潛力分析是通過分析一個區域內的水文地質條件,從而確定最具潛力的地下水開發區域,以降低開采成本和提高準確率[1]。傳統的地下水勘測主要使用地球物理勘探法,如文獻[2]基于激發極化法利用激電二次場的變化和衰減速率推斷巖層中的含水情況,文獻[3]結合電測深法和探測雷達測量垂直方向上的電性變化,從而確定含水層的埋深,文獻[4]利用氡氣體的異常和地質體核輻射作用,測量放射性元素的變化尋找含水構造。這些方法主要是利用物探技術探測地層的結構變化,從而達到間接找水的目的,但其開采周期長、成本高,且其中的地下含水量及含水范圍估計等基本問題仍待解決[5]。

地下水評估模型的快速發展為大范圍地下水預測提供了可能,根據數學模型的不同主要分為定性、半定量、定量模型[6]。定性模型基于詳細水文地質調查成果,從地質構造與地下水賦存特征對山東省地下水潛力區進行定性分級劃分[7];半定量模型基于證據權重法人為確定各因子的權重,建立線性模型[8],或基于MIF多因子分析法主觀確定各因子影響權重建立模型[9];定量模型基于頻率比方法,使用目標區域中因子的出現頻率確定權重[10],或基于CNN卷積神經網絡和LSTM算法建立地下水潛力黑盒模型[11]。這些方法主要從地下水產量與各影響因子的數學關系進行建模,從而預測找水靶區。定性模型較依賴于專家經驗,缺乏可靠度量化指標。定量模型單純使用統計數據進行分析,模型抗干擾、泛化能力一般,且需要大型數據集進行訓練。而半定量模型結合了專家經驗與定量分析,并通過數學模型檢驗經驗賦權過程中的不合理部分。綜上,本文基于半定量模型提出地下水潛力空間疊置分析法(spatial hierarchy overlay method,SHOM),并以四川省江油市為例進行方法驗證。

1 地下水潛力空間層次疊置分析法

SHOM的主要思想為,首先利用空間分析法提取大范圍內多種水文地質因子,并基于地下水匯流機理進行因子特征選擇;然后根據層次分析法因子賦權過程確立各因子的權重,從而快速建立地下水潛力模型;最后通過空間加權疊置分析生成區域地下水潛力圖。其主要流程如圖1所示。

圖1 SHOM流程

1.1 空間因子的層次賦權

空間分析法是基于空間數據獲取有關地理實體的位置、形態、演變及分布情況,可以快速提取大范圍內多種地下水影響因子。層次分析法是一種對涉及多個標準的復雜問題進行結構化和決策的優秀半定量多準則決策方法,可以為不同的影響因子分配權重[12],兩者結合可快速建立區域地下水潛力模型[13]。該模型中多源空間數據融合、特征選擇及因子賦權過程為關鍵問題[14-15]。SHOM首先基于地下水空間數據庫,利用多種空間分析處理方法得到地下水潛力影響因子圖層。在因子特征選擇和賦權過程中,SHOM結合地下水匯流機理,參考相關研究的影響因子選取標準,綜合考慮研究區域內地理條件和水文地質概況,選取影響因子圖層中對地下水潛力影響最顯著的數個評價因子,并基于層次分析法以地下水潛力為目標,計算各因子影響權值。其算法偽代碼如下:

其中,Estimate過程評估空間特征集合M中每一個特征對地下水的影響,并通過Selection過程選取數個最優因子建立特征選擇集E。根據E中元素建立層次結構模型,其中目標層為地下水潛力指數,是層次分析的總目標;標準層為各影響因子,是評價的主要指標。Score過程為基于專家知識系統量化各因子的重要程度,從而構建成對比較矩陣(MCPR),并通過Consistency過程迭代計算一致性比(CR),以檢驗矩陣一致性,最后通過Weight過程計算得到各因子權值向量(W)。公式分別為

(1)

(2)

AW=λmaxW

(3)

式中,MCPR中的元素aij為第i個因子相對于第j個因子的重要性,取值采用Saaty建議的重要性值表[16];n為因子的數量;λmax為MCPR的最大特征值;隨機一致性指數RI取值采用Saaty建議的隨機一致性指數表;CR為MCPR與一致性矩陣的偏差比,若CR小于0.1,則表示MCPR具有滿意的一致性;W為MCPR歸一化最大特征向量。

1.2 潛力指數的空間疊置計算

空間加權疊置分析(weighted overlay analysis,WOA)是一種常用的空間分析方法[17],即利用線性加權模型計算多個疊加的柵格單元值,并根據各個柵格重要程度為其分配權重,將其合并為一個輸出。WOA方法將空間分為離散的地理單元,每個單元內為具有相同特質的連續地理實體。將空間劃分為離散單元并分別單獨作為整體分析,有利于提高計算效率和增加邊界精度。根據已計算的各因子權重向量,基于空間加權疊置分析對各因子進行子類劃分和等級確立,計算得到區域地下水潛力指數。其算法偽代碼如下:

其中,Reclassification為重分類過程,使用自然間斷法將各影響因子進行數值重分類,得到因子子類集合C。Rank為子類等級劃分過程,基于專家知識系統,以地下水潛力分析為目標,用數值1～9為每個子類賦予等級[18],數值越高代表含有地下水的可能性越大。Potential為地下水潛力指數(groundwater potential index,GWPI)計算過程,針對當前區域的每一個單元,計算單元內的GWPI指數。

(4)

式中,GWPI是一個無量綱量,表示一個區域的地下水開采潛力值[19];Wij和Xij分別為第i個因子的第j個子類的權重和數值;m和n為評價因子和劃分等級的總數。

2 江油市地下水潛力評估試驗及結果驗證

本文選擇季節性缺水頻發的四川省江油市作為研究區域,對其水文地質條件進行詳細的調查和分析,選取地形、地質、氣候3大類別,共12個方面對其進行數據挖掘,并通過SHOM建立江油市地下水潛力模型,計算得到江油市地下水潛力分布圖。

2.1 研究區域及數據源

四川省江油市位于四川盆地北部,涪江中上游地帶,總面積為2719 km2,地勢自西北向東南傾斜,地形呈西南-東北向狹長帶狀,如圖2所示。江油市地形復雜,降雨時空分布很不均勻,邊遠山區缺水、季節性缺水頻發,合理開采地下水是解決當地供水需求的有效途徑之一。

圖2 江油市地理概況

綜合考慮江油市的水文地質條件和地理概況,選取對地下水潛力影響最顯著的高程、坡度、坡向、地形濕度指數(TWI)、地形耐用指數(TRI)、谷深、離河距離、構造距離、土地利用、氣溫、降水、地質共12個影響因子,如圖3所示。其中,高程直接影響地下水的速度和徑流的方向,影響地層中水分的滲透[20];坡度影響水的流速和流向,與地下水的補給、積累相關;坡向直接影響降雨量、日照時數、太陽輻射強度、風速,水的流向;TWI是描述地形對河流流向和匯集影響的指標,量化了地形對水文過程的影響,識別潛在地形含水積水區[21];TRI描述了地形的平坦程度,平坦區域的TRI值接近于0,高程變化強烈區域的TRI值較高;谷深較高的區域容易匯水,有利于地下水的積累;離河距離和構造距離與地下水的匯流有關;土地利用類型提供了地下水滲透和循環的間接信息,主要描述了表層土壤的化學性質和物理特性,與表層水的滲透與蒸發等過程相關;氣溫和降水主要影響地下水及地表水的蒸發、滲透、凝結、徑流、補給等重要水循環過程;地質描述了大范圍內主要的地質和地貌概況,對地下水的循環起著決定性的作用。

圖3 地下水影響因子

2.2 地下水潛力模型建立

根據已選取的12個地下水潛力影響因子,建立江油市地下水潛力評估層次結構模型,并基于專家知識系統構建成對比較矩陣,如圖4所示。

圖4 影響因子成對比較矩陣

經計算,該矩陣一致性比值(CR)為0.024,小于閾值0.1,說明其通過了矩陣一致性檢驗,驗證了層次分析過程的正確性,從而計算得到各影響因子的權值,見表1。

表1 影響因子權值

2.3 江油市地下水潛力評估

構建江油市地下水潛力模型后,基于該模型計算得到區域潛力指數分布,并根據該指數分布采用等間距法將江油市分為低、中、高3個等級地下水潛力區域(見表2),從而得到江油市地下水潛力圖(如圖5所示)。

表2 地下水潛力分級標準

圖5 江油市地下水潛力

結果表明,江油市25.65%的區域具有高地下水潛力,大多分布于中南部的低海拔平坦近河流區域,說明較低海拔有利于地下水的匯流,而靠近河流有利于地表水的滲透從而形成地下水;61.38%的區域具有中等地下水補給潛力,大多分布于低海拔遠離河流的區域,說明河流是形成地下水的關鍵因素;12.97%的區域地下水潛力較低,大多位于高山丘陵地區,說明較高海拔和崎嶇的地勢不利于地下水的形成。對圖5進行分析可知,水資源相關部門應盡量在靠近河流的低海拔區域進行地下水的開采。

2.4 結果可靠性驗證

根據江油市已開采的民井、泉、鉆孔等共72個井位的位置,與生成的江油市地下水潛力圖進行模型精度評定發現,位于中高地下水潛力區的井位為預測正確,反之為預測錯誤。其中,江油市72條地下水井位數據中有66條數據被正確分類,說明利用該模型對某區域是否含地下水的判斷準確率為91.67%,且在所有判斷為含地下水的區域中沒有誤判,證明了該地下水潛力模型具有較高準確性及可靠性,能正確地反映江油市的地下水分布情況。

3 結 語

本文提出了一種地下水潛力分析方法用以評估區域地下水潛力。該方法利用空間分析法提取水文地質因子,然后基于層次分析法完成因子特征選擇和權重確立,在劃分子類和等級后使用空間加權疊置分析法生成區域地下水潛力指數圖。該方法優化了傳統地下水半定量模型中影響因子選擇、多源空間數據融合及因子動態賦權等關鍵流程,改進了傳統模型中主觀因素過強、因子選擇單一及分析范圍粗略等問題,提高了預測準確率和分析范圍精度,并基于地下水匯流機理探究了相關因子對地下水潛力的影響。本文方法可識別、保護地下水資源,并輔助相關部門制定可持續水資源管理決策,降低地下水源開采的成本。