松嫩平原水文地理區劃與分析

劉庚煒,王美玉,高雅琪,尉意茹,3*

(1.黑龍江大學 水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080;2.黑龍江省寒區水文與水利工程聯合實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080;3.東北聯邦大學 地質勘探學院, 雅庫茨克 677000)

在北方地區,地下水擔負著主要供水的責任,地下水功能區劃是地下水評價與利用的基礎,水文地質區劃則是地下水功能區劃的前提條件。松嫩平原是我國大型商品糧基地和畜牧基地,對松嫩平原水文地質進行區劃是促進松嫩平原經濟發展、社會進步甚至保護中國糧食安全的關鍵因素。筆者以縣級數據為基礎,通過利用Arc-GIS對研究區進行裁剪得到了松嫩平原的shp數據[1],得出了松嫩平原的高程圖,將研究區地形地貌[2]、構造地質單元[3]以及地表水系作為區劃指標,利用 Arc-GIS 軟件將研究區魚網化劃分成同等尺寸的網格[4],生成網格圖層并進行分區。

1 研究區概況

圖1 松嫩平原高程

圖2 松嫩平原位置

2 松嫩平原單因素區劃

2.1 松嫩平原行政區劃

通過下載中國行政邊界市級shp文件并導入到地理信息系統(Geographic Information System, GIS)中,初步形成松嫩平原邊界,根據數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)高程圖對松嫩平原邊界進行裁剪,最終得出松嫩平原行政區劃圖(圖3)。

圖3 松嫩平原行政區劃

依照行政區劃將松嫩平原分為12個部分,區劃結果如表1所示。

表1 松嫩平原行政分區

2.2 松嫩平原水文地質區劃

完整的水文地質單元界線是地下水開發與利用的基礎[7],對研究區進行水文地質區劃需要綜合考慮多種因素的影響,地理位置、高度及其他地理因素上的不同會形成獨特的區域特征。松嫩平原地形區劃結果如圖4所示。

圖4 松嫩平原地形區劃

結合地形地貌特征、主要開采含水層間的相互影響作用,將松嫩平原分為5個部分,區劃結果以及所具有特征如表2所示。

表2 松嫩平原地形分區

松嫩平原作為我國重要的產糧基地,對水資源的需求巨大,而地形地貌對于降水入滲補給地下水有著很大的影響,因此,對于地形地貌進行區劃是對松嫩平原地下水進行研究的基礎。

2.3 松嫩平原流域區劃

將下載的研究區DEM數據導入到GIS中,依照DEM數據對松嫩平原進行初步處理,運用GIS對DEM高程圖進行填洼。使用水文分析中的流向功能得到流向柵格,之后進行流量處理與河流鏈接,提取松嫩平原河流網。再運用水文分析中的集水區功能得到地表水的一級分區以及地理條件分區,最后進行流域的區劃,區劃結果如圖5所示。

圖5 松嫩平原流域區劃

研究區內目前有嫩江、松花江主干流、第二松花江主要河流,除此之外還有訥謨爾河、霍林河、烏裕爾河、洮兒河、拉林河以及呼蘭河等四級河流,最后共得到13個分區,結果如表3所示。

表3 松嫩平原流域分區

在時間上,地表水徑流量和雨量記錄較頻繁,更新速度較快,而地下水則有流動遲緩、歷時較長的特點,因此,為了更好地研究松嫩平原地下水與地表水水量交互的問題,需要對松嫩平原流域進行分區并與地下水進行耦合。

2.4 松嫩平原生態環境區劃

近半個世紀以來,松嫩平原生態環境的退化日益加劇,資源利用率仍有待提高[8]。松嫩平原是我國鹽堿地發展較為嚴重的地區之一[9],因為鹽漬土對植物有很大的負面影響[10],給農業的生產及當地居民的生活也造成了很大的困難,所以鹽漬土的問題也一直威脅著我國的糧食安全。此外,干旱和洪澇的頻發也是限制松嫩平原農業發展的重要因素,且干旱的嚴重程度目前仍呈增加趨勢[11],在農作物生長的季節,干旱的地區零散分布在松嫩平原,洪澇多發生于地勢低洼的中部地區[12]。因此,對松嫩平原進行生態環境區劃對于引導人類遵從自然規律,協調人地關系,合理開發和保護松嫩平原生態環境具有重要的理論和實踐意義。

根據松嫩平原所出現的生態災害特征,將松嫩平原分為4個部分,區劃結果及所具有特征見圖6,表4。

表4 松嫩平原生態環境分區

圖6 松嫩平原生態環境區劃

2.5 松嫩平原含水層區劃

對松嫩平原含水層進行區劃不僅需要考慮到獨特的區域特征水層,還要明確承壓水的分布問題。松嫩平原含水層分布如圖7所示。

圖7 松嫩平原含水層區劃

以主要開采含水層為研究因素,將松嫩平原分為4個部分[13],區劃結果以及主要開采水層如表5所示。

表5 松嫩平原含水層分區

明確含水層的類型以及承壓水的分布,是松嫩平原地下水開發與利用以及地下水資源量計算的必要條件。為了更全面地分析地下水補給與排泄的過程,還需要對含水層與地形地貌進行耦合,形成一個相互聯系的整體。

3 地形地貌疊加含水層的雙因素區劃

對松嫩平原進行研究與開發需要考慮多種因素的影響[14],含水層與地形地貌決定了地下水開發的難易程度,將含水層與地形地貌進行疊加能更好地對松嫩平原地下水資源進行開采,更好地解決地下水的入滲與徑流補給問題。本文以地形地貌分區為基礎并結合研究區含水層與承壓水分布進行分區,得到松嫩平原地形地貌與含水層的耦合分區,如圖8所示。

圖8 松嫩平原地形地貌與含水層耦合

結合地形地貌特征及主要開采含水層間的相互影響作用,將松嫩平原分為24個分區,區劃結果以及所具有特征如表6所示。

表6 松嫩平原地形地貌與含水層耦合表

目前,學界對松嫩平原的研究成果大部分集中在單方面因素的研究,并沒有把各個因素整合成一個有機聯系的整體,導致研究出現偏差。對含水層、地形地貌進行耦合分析,能更直觀且準確地分析地下水含水層之間相互補給的問題,為地下水資源量的評價提供依據。

4 地形地貌疊加含水層與地表水的三因素區劃

對松嫩平原地下水資源量進行計算,需要對多因素間的相互作用進行研究,將松嫩平原的地形地貌、含水層、地表水進行三因素的疊加分析,可更為精確地模擬松嫩平原地下水補給與排泄的過程,更精確地進行地下水資源量的評價與計算。松嫩平原地形地貌、含水層與地表水耦合結果如圖9所示。結合地形地貌特征及主要開采含水層以及地表水,將松嫩平原分為70個子區,區劃結果如表7所示。

表7 松嫩平原地形地貌、含水層與地表水區劃耦合

圖9 松嫩平原地形地貌、含水層與地表水區劃耦合

為了對影響松嫩平原地下水開采與補給的多種因素間的相互作用展開研究,需要從不同的角度和全方位的視角提出解決問題的方法和思路。為了更方便地對松嫩平原地下水進行評價與計算,本文在地形地貌與含水層耦合24個子區的基礎上又疊加了地表水,最終得到70個子區,既為松嫩平原地下水的計算提供更為精確的資料,也為松嫩平原的地下水開發打下基礎。

5 結 論

依據Arc-GIS對松嫩平原進行區劃,可以得出以下結論:

1) 依照地形因素對松嫩平原進行區劃,最終得出5個分區,為松嫩平原地下水資源量計算提供基礎。

2) 依照地表水因素對松嫩平原進行區劃,將松嫩平原分為13個分區,能夠更方便地分析松嫩平原地表水與地下水互相補給的動態過程。

3) 依照生態環境因素將松嫩平原分為4個分區,分別為洪澇災害區、干旱災害區、鹽漬化災害區以及荒漠化區,為松嫩平原地表水及地下水的開采提供指導。

4) 依照含水層將松嫩平原分為4個分區,分別為第四系、新近系、古近系、白堊系多層含水層系統,第四系、白堊系雙層含水層系統,第四系單層含水層系統以及第四系承壓水分布區,便于對松嫩平原地下水進行開發以及資源量計算。

5) 將含水層與地形進行雙因素耦合,最終得出24個分區,能夠更準確地計算出松嫩平原降雨入滲以及含水層之間相互補給的問題。

6) 對松嫩平原地形地貌、含水層以及地表水進行三因素耦合,最終得出70個分區,既為松嫩平原地下水資源量的計算提供依據,也為以后松嫩平原地下水的開發與利用提供了科學基礎。