基礎科學
作者：周超 蒲俊兵 殷建軍
摘 要 地理信息係統（Geographic Information System，以下簡稱GIS）是在計算機軟硬件支持下，對整個或者部分地球表層空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術係統。在土地利用規劃、地表自然過程分析、脆弱性評價，汙染治理等方麵均能發揮不同程度的作用。特別是對大範圍，地表地下屬性均勻變化的研究目標具有很好的適用性。而岩溶區因其地表地下表現出的不均一性，對GIS的使用提出了不小的挑戰，國內外的岩溶學者和GIS學者都進行了不同程度的研究。本文在嚐試對GIS技術在岩溶學方向的應用作出簡要綜述後探討GIS以及3S技術在岩溶環境學領域的應用。
關鍵詞 地理信息係統；岩溶環境學；3S技術
中圖分類號P208 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）37-0121-03
0 引言
進入21世紀以來，GIS技術及3S技術做為新興技術，被廣泛的應用於和地理位置相關的各領域。最近20幾年地理信息係統和數據管理係統被廣泛的用於發展岩溶地物數據庫的空間分析和資源管理領域【1~5】，許多國家已經建立全國範圍的岩溶地物數據庫以增強數據獲取和資源管理能力【6，7】。而這一工作在國內相對較少，國內進行的較多研究是在小區域範圍內的GIS建立，以及為特定研究提供服務支持，如研究雲南小江流域的地下水質量和土地利用變化【8】，或是特定區域的脆弱性評價研究【9~11】。之所以大區域範圍的GIS建立存在的困難也是基於我國岩溶區的特點，在形成的背景條件上由於麵積遼闊，大陸部分碳酸鹽岩古老堅硬，新生代大幅度抬升，季風氣候水熱配套及未受末次冰期冰蓋刨蝕，因此碳酸鹽岩的分布有較大的環境跨度，各種岩溶形態有較好的保存 【12】，岩溶類型區域差別較大，所以為了建立全國性的大範圍的岩溶地物數據庫，前期局部和小區域的研究既是因地製宜的方案，也為全國範圍的岩溶地物數據庫建立打下基礎。而岩溶區GIS的建立相較之傳統GIS的建立也有其特殊性，如岩溶區特有的管道係統導致物質和能量的不均一快速運移，使在運用一些常用空間分析方法時應多加注意適用範圍。我國岩溶區麵積廣大，且蘊含多種礦產資源，同時又分布在兩個人口密集帶，岩溶區也麵臨人口資源與脆弱環境符合地帶的貧困問題。尤為是在西南地區，且多處於山區地帶，數據收集工作與經濟支持較小，也為岩溶區地理信息係統的建立帶來不少難題。本文旨在綜述現今GIS技術在岩溶學中的應用，並對未來我國岩溶GIS建立進行嚐試性探討。
1 脆弱性評價
岩溶區由於其地質特點，豐富的地下水資源往往作為該區域重要的生活生產用水，因此對於岩溶區地下水資源的保護尤為重要。而岩溶地區由於其地下複雜的管網和裂隙，造成了汙染物通過管道流快速擴散及埋藏於地下難治理。為了跟好的預防岩溶地區地下水資源的汙染，對岩溶水資源進行脆弱性評價成為先進岩溶學研究的一個熱門領域。全球各地學者根據研究區域的不同選擇適當的脆弱性評價模型對區域進行研究，研究的較為廣泛的是區域的固有脆弱性評價（Intrinsic Vulnerability），即由地質，水文和水文地質學特性造成的地下水脆弱性，因此與具體汙染物及汙染情況無關，且具有共通性，研究得到的模型具備廣泛適用性，現今已有的脆弱性評價模型有EPIK，DRASTIC，GOD，AVI，ISIS，SINTACS，REKS，愛爾蘭模型，德國模型，奧地利模型等，其中尤以EPIK，DRASTIC，以及後來含有較少參數的PI模型應用較為廣泛，既能較好的模擬研究區域的地理過程，且多次被證明具有較好的普遍適用性。
利用模型和GIS工具對岩溶區進行脆弱性評價的研究有很多，其主要的研究目的不僅僅局限於得到一個區域的固有脆弱性評價，也為汙染物的特殊脆弱性評價和確定地下水資源保護區作為基礎，並且討論模型使用的範圍和局限性。如利用EPIK和GIS工具確定地下水保護區的研究【13】，利用DRASTIC模型和GIS工具對Hajeb-jelma的含水層進行的脆弱性與風險評價【14】，利用SINTACS模型對Jordan Valley的衝積平原含水層脆弱性的評價【15】。而單一模型的應用往往也不能很好的模擬一個研究區域的地理過程，因此在基礎數據較為齊全且有多個模型可供選擇使用時，研究者們往往將多個模型結合起來使用，已得到更精確的模擬結果，如利用EPIK方法中提到的K因子（即Karst Network）並將其概念擴展為岩溶水飽和區，以進行垂直方向上地下水運移路徑的脆弱性評價，並結合COP方法進行固有脆弱性評價進行從資源到源頭的係統的脆弱性評價。【16】還有一些學者，為了得出更準確的結果，在進行固有脆弱性評價的結果上，加入地區主要汙染物的地下水含量進行校正，以使研究結果更有針對性，如Erhan Sener對Turkey的Isparta地區在利用DRASTIC進行固有脆弱性評價的基礎上，用地下水的氮元素含量進行校正並利用土地利用類型圖對結果進行了驗證，得到了理想的研究成果。【17】同樣在利用汙染物在地下水中的濃度值校準DRASTIC方法得到的脆弱性評價圖的基礎上，Ahmad Jamrah等加入了由1995至2004年的數據得到的DRASTIC脆弱性評價圖序，並得到時間維度上的脆弱性變化，並且由於時間跨度較短，可以藉此區分由地質背景引起的固有脆弱性評價的因子有哪些，因為他們的變化隨時間變動較小，同時由於研究區域濱海，也驗證了DRASTIC對於濱海岩溶區也適用【18】。
將岩溶學，GIS，RS，脆弱性評價模型和同位素研究結果的地域分布情況結合以獲得準確的脆弱性評價結果，將GIS技術與傳統研究方法結合也取得了一定進展，由此可以看出脆弱性評價由於其學科交叉的特性，其研究思維是十分活躍的。
對於不同岩溶組合岩溶地貌的脆弱性評價也有廣泛的發展，如對伊朗的Izeh坡立穀利用修改的DRASTIC模型進行的脆弱性評價並用地下水中氮元素含量進行校正。【19】同時也有對於不同方法的探尋與適用性的研究文獻，如評價利用數字矢量地質四邊形（DVQs）結合高程數據來進行水文地質學定義的敏感區和由可能灌入大量地下水引起的敏感區確定。同時證明該方法較之DRASTIC和DIVERSITY方法更適合於Kentucky【20】。
在這些研究中GIS工具往往作為最終結果的展示，以及空間疊加分析，也正是因為GIS中圖層概念的引入，才使得利用多圖層來得到脆弱性評價最終結果的思路得以產生。而脆弱性評價對於岩溶區水資源的保護及岩溶區資源開發利用規劃的指導意義是毋庸置疑的，但同時，進行詳盡可靠的脆弱性評價離不開大量的基礎數據收集，如果沒有足夠詳盡的數據，其結果的可靠性和可信度將受到影響，也不能很好的對岩溶區經濟建設發展規劃起到指導作用，因此采用的較少參數的折中辦法更多的是起到號召和警示的作用，以期爭取更多的社會關注和資金投入，從而推動進一步的深入研究。
2 GIS在石漠化治理上的應用
石漠化作為岩溶區環境惡化的一個重要表現，極大的影響了岩溶區的經濟發展與生活條件。因此岩溶環境治理的很多研究都圍繞著石漠化在開展，而GIS由於其對大區域範圍的係統分析具有優勢，因此在石漠化治理和預防上也有較多應用。
如對水土流失的研究，岩溶區水土流失是造成石漠化的原因之一，利用修訂的土壤流失方程（RUSLE）與GIS結合，並根據土地利用數據，對貓跳河流域進行了水土流失分析。【21】還有些學者設計了石漠化動態監測和可視化信息管理係統，結合了3S技術對地表植被變化和土地利用類型變化進行了監測，【22】以及對石漠化區域的擴大進行監測的研究。【23】還有些學者進行了石漠化程度的分級與表達，利用徑向基礎函數網絡評估石漠化產生的風險，利用遙感圖像解譯出造成石漠化的影響因子並利用GIS的空間分析功能將研究區從低到高分為了23個石漠化等級，為石漠化治理提供了依據。【24】GIS技術對岩溶區石漠化研究提供了管理，顯示，監測，及空間分析預測的技術支持。相比傳統的研究方法，具備了宏觀性，即時性，係統性和預見性。通過GIS和RS的結合，方便研究石漠化的動態發展並通過係統分級根據不同級別製定不同分案，因地製宜的治理岩溶區石漠化問題。
3 GIS在岩溶學其他領域的應用
GIS作為工具，也被廣泛的應用於與岩溶學研究相關的其他領域。在利用孢粉研究古氣候方麵，在東哥倫比亞，利用孢粉數據和邏輯回歸方法得出氣象變量來分辯熱帶稀樹草原和森林的邊界，然後利用GIS的插值技術將這些數據進行地表植被類型製圖，得到地表類型與氣象變量之間的關係，並與傳統方法對比有較高的準確度，可以應用於對未來的預測和對研究過去的氣候現象，其適用性與孢粉采樣點的數量，分布情況和孢粉年齡分布情況相關。【25】雖然與岩溶學研究沒有直接相關，但利用孢粉研究還原古氣候也在岩溶學研究中多有利用，所以可以借鑒此種方法獲得更好的效果。在研究地質災害方麵，在俄羅斯的Dzerzhinsk岩溶區，對岩溶含水層的潛水層變化數據、土壤強度數據利用GIS係統將數據整合並製圖得到潛蝕引起的地麵塌陷的分布預測結果。【26】在西班牙的Ebro盆地的Zaragoza地區，岩溶過程在發育於第三紀蒸發岩上的河流階地上的潛伏層岩溶區進行的尤其劇烈，自第四紀以來，這一過程導致了坍塌和塌陷天坑的形成，因此利用地貌數據，灌溉和地下水潛水麵數據采用邏輯回歸和地理信息係統得出天坑預測圖，從而減少地質災害造成的經濟影響和安全危機。【27】城市中的落水洞會引起地麵塌陷，公路損毀和房屋倒塌，因此在福羅裏達州的中西部，結合了臨床傳染病學的概念，遙感技術和GIS技術來分析可能產生落水洞的地點，並對規劃與管理給予一定的支持。【28】這些應用通過GIS技術中的分層概念，將多種地理信息通過融合，並通過直觀的表達方式傳遞給決策者，從而使理論到實踐更為便捷。為了研究地下水水質因子的時空變化，在土耳其Izmir的Mount Nif岩溶區，取自57個采樣點的數據被用於製圖，得到了各個水質因子的空間展布與時間變化情況，並為進一步進行差值分析做好基礎，同時利用統計學驗證地下水水質變化與季節變化是否具有統計學上的相關性。【29】