干旱区地下水文生态安全评价信息系统研究
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摘要
地下水是水资源的重要组成部分,是地球上最丰富且分布最广泛的淡水资源,对于人类的生产生活、社会经济发展具有重要的意义,是构成并影响生态环境的重要因素。干旱区具有地表水资源有限,人们生产生活以利用地下水资源为主,地表生态主要依赖于地下水的特点,因此地下水占有不可替代的地位,解决好干旱区地下水文生态的问题,对于实现水资源的可持续利用和保护干旱区脆弱的生态环境具有深远的意义。
水文生态系统研究是21世纪以来受到关注的热门课题。作为可持续发展理念的一个重要方向,维持和保证水文生态系统及水安全成为区域发展中合理利用水资源和保护生态环境的重中之重。本次研究着眼于地下水文生态系统这一支学科,针对我国西北干旱区典型绿洲——石河子垦区的地下水及水文生态安全等问题,依托长安大学水与发展研究院所承担的“111学科创新引智计划”——干旱半干旱地区水文生态及水安全学科创新引智基地项目,进行了地下水文生态安全的理论探讨,地下水文生态安全评价指标体系的构建,评价模型的研究,专门对新疆石河子垦区的地下水文生态系统状况进行评估,并且在此基础上将信息技术引入水文生态研究领域,旨在将本学科的理论研究推向实践应用。论文的主要研究内容如下：
(1)基础理论研究,地下水文生态系统是一类远离平衡态的开放系统,是地下水的物理性质、化学成分和储存空间及其由于自然地质作用和人类工程——经济活动作用下形成的状态总和。地下水文生态安全定义为：表征地下水文生态系统所处的状态以及在维持其自身的资源、生态、环境功能基础上,所具有的稳定性和可持续性的能力。讨论了地下水文生态安全评价的内涵以及工作流程,并在此基础上提出地下水文生态安全评价信息系统的内涵。
(2)以系统论的方法,对基于地理信息系统技术的地下水文生态安全评价信息系统进行了总体设计。本系统是基于地理信息系统基础平台的空间信息系统,能够进行空间数据的存储与表达,将地下水水文生态信息数据在空间和时间尺度进行分析,包括数据库管理和维护子系统、数据处理子系统、地下水文生态安全评价指标筛选子系统、地下水文生态安全评价子系统、地下水文生态信息服务子系统,可以进行整个地下水文生态安全评价工作的系统化、一体化和自动化。
(3)地下水文生态安全评价指标体系的构建和指标筛选子系统研究,影响地下水文生态系统的因素有自然因素和人为因素,概括起来,地下水文生态安全评价的指标主要有地下水资源补给模数、地下水资源可开采模数、地下水埋深、地下水位下降速率、土壤盐碱化率、地下水矿化度、地下水开采模数、万元GDP产值耗水量等40个因素备选。
在地下水文生态安全评价指标体系的基础上,对指标的安全等级进行了定量的界定和描述,基于此,进行了评价指标筛选子系统的设计与开发,集成主成分分析法、层次分析法几种常用的指标筛选算法。
(4)以干旱区新疆石河子垦区为例,进行了实例验证,验证了地下水文生态安全评价模型的可靠性,所开发基于ArcEngine的地下水文生态安全评价信息系统改善工作效果良好和提高了工作效率。
评价结果表明,石河子垦区中五个灌区：石河子灌区、金安灌区、下野地灌区、莫索湾灌区、玛纳斯灌区分别的地下水文生态系统状况如下：
石河子灌区地下水文生态系统安全等级为安全,系统资源供给功能、生态维持功能良好、地下水水质良好、化学组分稳定,目前有效的支撑了石河子灌区的工农业生产和生活需水。金安灌区地下水文生态系统目前为基本安全状态。下野地灌区地下水主要开采承压水,地下水下降速率较快,地下水位埋深较深,北边缘区域土地沙化较为严重,地下水文生态系统属于基本安全状态。莫索湾灌区以开采地下水满足生产生活以及生态需水要求；濒临沙漠,降水稀少,地下水补给方式单一,区域水文生态环境恶劣,地下水可再生能力弱,地下水资源需求与供给存在矛盾。该区域局部地区地下水位下降速率快,水质较差,矿化度高的区域面积比例大,局部甚至矿化度达到20g/L,该区域地下水文生态系统为危机状态。玛纳斯灌区地下水文生态系统目前属于非常安全状态。
针对石河子垦区的地下水水文生态状况,建议治理山区环境,涵养水源,进行土壤脱盐处理,同时要控制耕地数量,推介农业节水措施,进行水资源规划,合理利用水资源,建立完整的地下水文生态动态监测体系。
Groundwater is an important part of water resources, is the most abundant and widely distributed freshwater resources on the earth. Groundwater has significant meaning for people's living, social and economic development, it is an important factor to constitute and affect the ecological environment. Surface water resource in arid areas has limited quantity, people's social producting and daily life mainly use the groundwater resource, the land ecological system mainly depends on the groundwater, and all these characteristics show that the groundwater has an irreplaceable position. Therefore, solving the groundwater hydro-ecological problems has far-reaching significance for the implementation of sustainable utilization of the water resource and protection of ecological environment in arid areas.
Hydro-ecological system study is the concern hot topic in21st century. As an important direction in the concept of sustainable development, maintain and guarantee hydro-ecological system and water security become the foremost issue in rational utilization of water resources and the protection of ecological environment for regional developing. This study focuses on subject of groundwater hydro-ecological system, in view of groundwater and hydro-ecological security problems of the typical oasis in arid area of northwest China Shihezi reclamation area, discusses the theory of groundwater hydro-ecological security, constructes the indicator system for assessment of hydro-ecological security, researches the evaluation models, evaluates the groundwater hydro-ecological condition of Shihezi reclamation area in Xinjiang province of China, and based on this, utilizes the information technology into the hydro-ecological research fields to promote the theory research to practice. The main research content as follows:
(1) Basic theory research, groudwater hydro-ecological system is a kind of open system far from the balance state, is a combination of groundwater's physical properties, chemical composition, storage space and the states formed by natural geological process and human engineering-economic activities. Groundwater hydro-ecological security defined as:state characteristics of groundwater hydro-ecological system and the stability and sustainable ability of maintaining its own resources, ecology and environment function. Discusses the connotation of groundwater hydro-ecological security evaluation and the working process, and based on which, presentes the connotation of groundwater hydro-ecological security evaluation information system.
(2) Based ont the system theoretical method, designs the overall struct of GIS-based groundwater hydro-ecological security evaluation information system. This system is a spatial information system that based on gis basic platform, can undertake spatial data storage and presentation, anylyze the groundwater information data in spatial and temporal scale, including database management and maintenance subsystem, data processing subsystem, groundwater hydro-ecological security evaluation indicator screening subsystem, groundwater hydro-ecological security evaluation subsystem, groundwater hydro-ecological information service subsystem, make whole groundwater hydro-ecological security evaluation work systematization, integration and automation.
(3) Research of groundwater hydro-ecological security evaluation indicator system establishment and indicator selection. Groundwater hydro-ecological system is affected by natural factors and human factors, summarizing, groundwater hydro-ecological security evaluation indicators are groundwater resource recharge modulus, groundwater resources exploitable modulus, groundwater table, ground water levels drawdown rate, soil salinization rate, groundwater salinity, groundwater exploitation modulus, water-consumption per10000yuans GDP etc.40factors such as optional indicators.
On the basis of groundwater hydro-ecological security evaluation indicator system, indicators'security levels are defined and the quantitative definition and description are carried out. Further, designs and develop the evaluation indicator screening subsystem that integrated the principal component analysis, analytic hierarchy process etc. several common indicator selection algorithm.
(4) With Shihezi agricultural reclamation area in arid area as an example, verifies the evaluation models'reliability for groundwater hydro-ecological security evaluation, and tests the work effectiveness and efficiency of hydro-ecological security evaluation information system that developed based on ArcEngine.
The evaluation results show that, the groundwater hydro-ecological system conditions of five irrigated area in Shihezi agricultural reclamation area:Shihezi irrigated area, Jin'an irrigated area, Xiayedi irrigated area, Mosuowan irrigated area, and Manas irrigated area, are as follows:
Shihezi irrigated area's groundwater hydro-ecological system security level is safe, the system resource supply function, ecological maintain function and groundwater quality is good, chemical compositions are stable, effectively support the water requirement of Shihezi irrigated area's industrial and agricultural producting as well as living. Jin'an irrigated area groundwater hydro-ecological system security level is basic safe. Xiayedi irrigated area mainly exploites the confined water, groundwater drawdown rate is high, water table is deep, north edge area land desertification relatively serious, groundwater hydro-ecological system belong to the basic safe status. Mosuowan irrigated area exploites groundwater to satisfy producting, living and ecological water requirements; neighbor with desert, precipitation exiguous, groundwater recharge pattern is single, regional hydro-ecological environment is bad, and groundwater renewable ability is weak, groundwater resource demand and supply exist contradictions. The regional local area in groundwater drawdown rate is high, some area's salinity reach20g/L, the regional groundwater hydro-ecological system is in crisis states. Manas irrigated area groundwater hydro-ecological system belongs to very safe state.
According to the groundwater hydro-ecological condition of Shihezi agricultural reclamation area, propose to control mountain environment condition, emphasize water source conservation and soil desalting treatment, simultaneously control quantity of cultivated land, promote agricultural water saving measures and conduct water resources planning, rational use of water resources and establish a complete groundwater hydro-ecological dynamic monitoring system.
水文生态系统研究是21世纪以来受到关注的热门课题。作为可持续发展理念的一个重要方向,维持和保证水文生态系统及水安全成为区域发展中合理利用水资源和保护生态环境的重中之重。本次研究着眼于地下水文生态系统这一支学科,针对我国西北干旱区典型绿洲——石河子垦区的地下水及水文生态安全等问题,依托长安大学水与发展研究院所承担的“111学科创新引智计划”——干旱半干旱地区水文生态及水安全学科创新引智基地项目,进行了地下水文生态安全的理论探讨,地下水文生态安全评价指标体系的构建,评价模型的研究,专门对新疆石河子垦区的地下水文生态系统状况进行评估,并且在此基础上将信息技术引入水文生态研究领域,旨在将本学科的理论研究推向实践应用。论文的主要研究内容如下：
(1)基础理论研究,地下水文生态系统是一类远离平衡态的开放系统,是地下水的物理性质、化学成分和储存空间及其由于自然地质作用和人类工程——经济活动作用下形成的状态总和。地下水文生态安全定义为：表征地下水文生态系统所处的状态以及在维持其自身的资源、生态、环境功能基础上,所具有的稳定性和可持续性的能力。讨论了地下水文生态安全评价的内涵以及工作流程,并在此基础上提出地下水文生态安全评价信息系统的内涵。
(2)以系统论的方法,对基于地理信息系统技术的地下水文生态安全评价信息系统进行了总体设计。本系统是基于地理信息系统基础平台的空间信息系统,能够进行空间数据的存储与表达,将地下水水文生态信息数据在空间和时间尺度进行分析,包括数据库管理和维护子系统、数据处理子系统、地下水文生态安全评价指标筛选子系统、地下水文生态安全评价子系统、地下水文生态信息服务子系统,可以进行整个地下水文生态安全评价工作的系统化、一体化和自动化。
(3)地下水文生态安全评价指标体系的构建和指标筛选子系统研究,影响地下水文生态系统的因素有自然因素和人为因素,概括起来,地下水文生态安全评价的指标主要有地下水资源补给模数、地下水资源可开采模数、地下水埋深、地下水位下降速率、土壤盐碱化率、地下水矿化度、地下水开采模数、万元GDP产值耗水量等40个因素备选。
在地下水文生态安全评价指标体系的基础上,对指标的安全等级进行了定量的界定和描述,基于此,进行了评价指标筛选子系统的设计与开发,集成主成分分析法、层次分析法几种常用的指标筛选算法。
(4)以干旱区新疆石河子垦区为例,进行了实例验证,验证了地下水文生态安全评价模型的可靠性,所开发基于ArcEngine的地下水文生态安全评价信息系统改善工作效果良好和提高了工作效率。
评价结果表明,石河子垦区中五个灌区：石河子灌区、金安灌区、下野地灌区、莫索湾灌区、玛纳斯灌区分别的地下水文生态系统状况如下：
石河子灌区地下水文生态系统安全等级为安全,系统资源供给功能、生态维持功能良好、地下水水质良好、化学组分稳定,目前有效的支撑了石河子灌区的工农业生产和生活需水。金安灌区地下水文生态系统目前为基本安全状态。下野地灌区地下水主要开采承压水,地下水下降速率较快,地下水位埋深较深,北边缘区域土地沙化较为严重,地下水文生态系统属于基本安全状态。莫索湾灌区以开采地下水满足生产生活以及生态需水要求；濒临沙漠,降水稀少,地下水补给方式单一,区域水文生态环境恶劣,地下水可再生能力弱,地下水资源需求与供给存在矛盾。该区域局部地区地下水位下降速率快,水质较差,矿化度高的区域面积比例大,局部甚至矿化度达到20g/L,该区域地下水文生态系统为危机状态。玛纳斯灌区地下水文生态系统目前属于非常安全状态。
针对石河子垦区的地下水水文生态状况,建议治理山区环境,涵养水源,进行土壤脱盐处理,同时要控制耕地数量,推介农业节水措施,进行水资源规划,合理利用水资源,建立完整的地下水文生态动态监测体系。
Groundwater is an important part of water resources, is the most abundant and widely distributed freshwater resources on the earth. Groundwater has significant meaning for people's living, social and economic development, it is an important factor to constitute and affect the ecological environment. Surface water resource in arid areas has limited quantity, people's social producting and daily life mainly use the groundwater resource, the land ecological system mainly depends on the groundwater, and all these characteristics show that the groundwater has an irreplaceable position. Therefore, solving the groundwater hydro-ecological problems has far-reaching significance for the implementation of sustainable utilization of the water resource and protection of ecological environment in arid areas.
Hydro-ecological system study is the concern hot topic in21st century. As an important direction in the concept of sustainable development, maintain and guarantee hydro-ecological system and water security become the foremost issue in rational utilization of water resources and the protection of ecological environment for regional developing. This study focuses on subject of groundwater hydro-ecological system, in view of groundwater and hydro-ecological security problems of the typical oasis in arid area of northwest China Shihezi reclamation area, discusses the theory of groundwater hydro-ecological security, constructes the indicator system for assessment of hydro-ecological security, researches the evaluation models, evaluates the groundwater hydro-ecological condition of Shihezi reclamation area in Xinjiang province of China, and based on this, utilizes the information technology into the hydro-ecological research fields to promote the theory research to practice. The main research content as follows:
(1) Basic theory research, groudwater hydro-ecological system is a kind of open system far from the balance state, is a combination of groundwater's physical properties, chemical composition, storage space and the states formed by natural geological process and human engineering-economic activities. Groundwater hydro-ecological security defined as:state characteristics of groundwater hydro-ecological system and the stability and sustainable ability of maintaining its own resources, ecology and environment function. Discusses the connotation of groundwater hydro-ecological security evaluation and the working process, and based on which, presentes the connotation of groundwater hydro-ecological security evaluation information system.
(2) Based ont the system theoretical method, designs the overall struct of GIS-based groundwater hydro-ecological security evaluation information system. This system is a spatial information system that based on gis basic platform, can undertake spatial data storage and presentation, anylyze the groundwater information data in spatial and temporal scale, including database management and maintenance subsystem, data processing subsystem, groundwater hydro-ecological security evaluation indicator screening subsystem, groundwater hydro-ecological security evaluation subsystem, groundwater hydro-ecological information service subsystem, make whole groundwater hydro-ecological security evaluation work systematization, integration and automation.
(3) Research of groundwater hydro-ecological security evaluation indicator system establishment and indicator selection. Groundwater hydro-ecological system is affected by natural factors and human factors, summarizing, groundwater hydro-ecological security evaluation indicators are groundwater resource recharge modulus, groundwater resources exploitable modulus, groundwater table, ground water levels drawdown rate, soil salinization rate, groundwater salinity, groundwater exploitation modulus, water-consumption per10000yuans GDP etc.40factors such as optional indicators.
On the basis of groundwater hydro-ecological security evaluation indicator system, indicators'security levels are defined and the quantitative definition and description are carried out. Further, designs and develop the evaluation indicator screening subsystem that integrated the principal component analysis, analytic hierarchy process etc. several common indicator selection algorithm.
(4) With Shihezi agricultural reclamation area in arid area as an example, verifies the evaluation models'reliability for groundwater hydro-ecological security evaluation, and tests the work effectiveness and efficiency of hydro-ecological security evaluation information system that developed based on ArcEngine.
The evaluation results show that, the groundwater hydro-ecological system conditions of five irrigated area in Shihezi agricultural reclamation area:Shihezi irrigated area, Jin'an irrigated area, Xiayedi irrigated area, Mosuowan irrigated area, and Manas irrigated area, are as follows:
Shihezi irrigated area's groundwater hydro-ecological system security level is safe, the system resource supply function, ecological maintain function and groundwater quality is good, chemical compositions are stable, effectively support the water requirement of Shihezi irrigated area's industrial and agricultural producting as well as living. Jin'an irrigated area groundwater hydro-ecological system security level is basic safe. Xiayedi irrigated area mainly exploites the confined water, groundwater drawdown rate is high, water table is deep, north edge area land desertification relatively serious, groundwater hydro-ecological system belong to the basic safe status. Mosuowan irrigated area exploites groundwater to satisfy producting, living and ecological water requirements; neighbor with desert, precipitation exiguous, groundwater recharge pattern is single, regional hydro-ecological environment is bad, and groundwater renewable ability is weak, groundwater resource demand and supply exist contradictions. The regional local area in groundwater drawdown rate is high, some area's salinity reach20g/L, the regional groundwater hydro-ecological system is in crisis states. Manas irrigated area groundwater hydro-ecological system belongs to very safe state.
According to the groundwater hydro-ecological condition of Shihezi agricultural reclamation area, propose to control mountain environment condition, emphasize water source conservation and soil desalting treatment, simultaneously control quantity of cultivated land, promote agricultural water saving measures and conduct water resources planning, rational use of water resources and establish a complete groundwater hydro-ecological dynamic monitoring system.
引文
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