基于網(wǎng)格GIS的數(shù)字區(qū)域水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)研究*

陳 娟 王立挺

?

基于網(wǎng)格GIS的數(shù)字區(qū)域水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)研究*

陳 娟 王立挺

福建省科技管理干部學校

該文針對當前我國水資源管理存在的問題，提出基于網(wǎng)格GIS的數(shù)字區(qū)域水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)的構(gòu)建思路及建設(shè)方案。

水資源 網(wǎng)格GIS 數(shù)字流域平臺

1 水資源監(jiān)控管理的必要性

全球降水量為57.7萬km3，其中只有39%降在陸面上成為河川徑流，全球年徑流量（也稱為年水資源總量）約為4.7萬km3，年人均水資源量約為7800m3。世界各大洲的自然條件不同，降水和徑流的差異也較大。全世界約有190多個國家，各國所處地理環(huán)境不同，歷史發(fā)展的條件各異，水資源情況差別更大，許多國家缺水嚴重。在今后30年內(nèi)，許多地區(qū)缺水形勢將更加嚴重。

我國多年平均水資源量為28412億m3，河川徑流量(地表水資源量)在世界僅次于巴西、俄羅斯、加拿大，居第四位。但中國人口眾多，人均水資源占有量不足2100m3，約為世界平均值的1/4。同時由于地區(qū)分布不均，年際、年內(nèi)變化大，更加劇了水資源緊張狀況?？傮w上，全國水資源開發(fā)利用程度不高，南北方差異很大。北方地區(qū)水資源開發(fā)利用程度(平均為46%)遠高于南方地區(qū)(平均為12%)，海河區(qū)高達101%，其中海河南系達123%，黃河和淮河區(qū)分別為76%和53%；遼河和西北諸河區(qū)水資源開發(fā)利用率分別為40%和42%，其中遼河流域為66% 。

新中國成立以來，全國水資源開發(fā)利用率已達到21%。特別是近20年來，由于供水能力增長緩慢，1978年～1998年全國供水能力年增長率約為1%左右，而同期國民經(jīng)濟以8%～12%的高速度增長，同期人口又增加了約2.5億，更加劇了缺水矛盾。值得注意的是，由于人類活動的影響，降雨與徑流關(guān)系，產(chǎn)流與匯流條件都在發(fā)生變化，有些江河的天然來水量已呈現(xiàn)衰減的趨勢。黃河下游頻頻發(fā)生斷流、海河成為季節(jié)性河流，以及內(nèi)陸河部分河流干枯，2000年發(fā)生的旱災(zāi)，經(jīng)濟損失嚴重，充分暴露了我國城市供水系統(tǒng)和農(nóng)村抗旱能力的脆弱性，是水資源供需矛盾的集中表現(xiàn)。目前，全國每年缺水量近400億m3，其中，農(nóng)業(yè)每年缺水300多億m3，平均每年因旱受災(zāi)的耕地達4億多畝，年均減產(chǎn)糧食200多億公斤；城市、工業(yè)年缺水60億m3，直接影響工業(yè)產(chǎn)值2300多億元；農(nóng)村還有2400多萬人飲水困難；在全國668座城市中，有400多座缺水，其中100多座嚴重缺水。進入21世紀，隨著我國人口的增長、生活質(zhì)量水平提高、城市化進程加快，人均水資源占有量將進一步減少，而用水量卻進一步增加，水資源供需矛盾更加突出，缺水已成為影響我國糧食安全、經(jīng)濟發(fā)展、社會安定和生態(tài)環(huán)境改善的首要制約因素。

據(jù)預(yù)測，2050年我國國民經(jīng)濟需水峰值為8000億m3，最小可能是7000億m3。屆時缺水更為嚴重，用水更加緊張。但過去我國在開發(fā)利用水資源的時候，不重視水資源的管理工作，當前水資源管理非常落后。一方面我國水資源緊張，據(jù)水利部預(yù)測，2030年，中國人口將達到16億，屆時人均水資源量僅有1750 m3。在充分考慮節(jié)水情況下，預(yù)計用水總量為7000億m3至8000億m3，要求供水能力比現(xiàn)在增長1300億m3至2300億m3，全國實際可利用水資源量接近合理利用水量上限，水資源開發(fā)難度極大。新中國成立以來，我國初步建成了較為完善的防洪減災(zāi)體系、農(nóng)田灌溉體系和城鄉(xiāng)供水體系，提高了農(nóng)業(yè)抗御水旱災(zāi)害的能力，有效改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進和保障了城鄉(xiāng)社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高。但是，水資源問題一直沒有得到根本解決，成為影響我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的一個重大問題。另一方面我國卻存在普遍的嚴重浪費水、污染水，用水效率和效益低下等問題。據(jù)監(jiān)測，目前全國多數(shù)城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，且有逐年加重的趨勢。日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進一步加劇了水資源短缺的矛盾，對我國正在實施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來了嚴重影響，而且還嚴重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。

科學合理地管理與利用有限的水資源是有效解決我國水資源問題的重要途徑。加強水資源的科學管理，通過水資源的合理開發(fā)、高效利用、綜合治理、優(yōu)化配置、全面節(jié)約、有效保護，不斷提高水資源利用效率和效益等措施，建設(shè)節(jié)水型社會，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，為經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供支撐，是一項具有重大意義的工程。

2 網(wǎng)格GIS和數(shù)字流域平臺

2.1 網(wǎng)格GIS

網(wǎng)格GIS即利用現(xiàn)有的網(wǎng)格技術(shù)、空間信息基礎(chǔ)設(shè)施、空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范，形成一個虛擬的空間信息管理與處理環(huán)境，將空間地理分布的、異構(gòu)的各種設(shè)備與系統(tǒng)進行集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源、計算資源的高度共享及系統(tǒng)集散的負載平衡，為用戶提供一體化的空間信息應(yīng)用服務(wù)的智能化信息平臺。

網(wǎng)格GIS的特點：異構(gòu)性、動態(tài)性的環(huán)境；跨多管理域（測繪、國土資源、交通、氣象、商務(wù)）及多區(qū)域的動態(tài)的資源共享。與傳統(tǒng)分布式GIS的主要區(qū)別是：松散耦合，異構(gòu)、動態(tài)環(huán)境，跨區(qū)域跨多個管理域。

網(wǎng)格GIS是網(wǎng)格計算在GIS領(lǐng)域的應(yīng)用，我們可以從下列三點理解它的概念：

⑴網(wǎng)格是思想。網(wǎng)格計算的目標是共享資源和數(shù)據(jù)，并讓所有結(jié)點共同工作，這與GIS工程的需要相一致。網(wǎng)格一個主要特征是在某些特殊規(guī)則下共享各種類型的資源，包括數(shù)據(jù)，應(yīng)用，計算能力，這些規(guī)則可以保證網(wǎng)格系統(tǒng)中的各種資源在一起很好地工作。

⑵網(wǎng)格是技術(shù)。網(wǎng)格計算需要相當?shù)募夹g(shù)來保證共享各種資源，并使它們彼此之間很好地協(xié)作；需要相當?shù)臉藴蕘肀ＷC安全和整個系統(tǒng)各部分之間的通訊。網(wǎng)格GIS還需要更有效地共享各種類型資源的技術(shù)。

⑶網(wǎng)格是基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)格系統(tǒng)由各種類型的計算機、數(shù)據(jù)、設(shè)備和服務(wù)構(gòu)成。隨著網(wǎng)格的發(fā)展成熟，建立全國范圍甚至世界范圍的若干資源結(jié)點變得十分重要；應(yīng)當在英特網(wǎng)上組合大量的資源，并為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。當網(wǎng)格環(huán)境建立以后，用戶可以像現(xiàn)在使用電力一樣使用來自英特網(wǎng)的資源，而并不需要知道電力的來源。由于網(wǎng)格計算提供了軟件和數(shù)據(jù)，我們投資和維護的費用將急劇減少。

目前，網(wǎng)格計算僅僅處在初級階段，許多著名網(wǎng)格工程，例如美國國家航空和宇宙航行局（NASA）的IPG Grid，美國的能源ASCI Grid，歐共體的Euro Grid和Data Grid已經(jīng)進行了實驗。自1990年以來，中國在網(wǎng)格計算方面做了很多研究。中國政府和科技部門已對網(wǎng)格研究進行了大量投資，主要目標是網(wǎng)格關(guān)鍵技術(shù)的突破，網(wǎng)格標準的建立和網(wǎng)格在其它領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，我們加強了網(wǎng)格計算的解釋研究及網(wǎng)格計算的產(chǎn)業(yè)化。網(wǎng)格計算在其它研究領(lǐng)域的應(yīng)用已進入實驗階段。

2.2 數(shù)字流域平臺

上個世紀末，“數(shù)字地球”開始引起人們的關(guān)注?！皵?shù)字地球”是一種關(guān)于地球的可以嵌入海量地理數(shù)據(jù)的、多分辨率和三維的描述?！皵?shù)字地球”可以將不同空間、時間、物質(zhì)和能量的多種分辨的有關(guān)資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟和人口等海量信息，按地理坐標，從局部到整體，從區(qū)域到全球進行整合、融合及多維顯示，并能為復(fù)雜的生產(chǎn)實踐、知識創(chuàng)新、技術(shù)開發(fā)與理論研究提供試驗條件和試驗基地(包括仿真和虛擬試驗)。

對“數(shù)字地球”最通俗的認識就是通過數(shù)字化手段將各種數(shù)據(jù)按照空間位置、時間和其他屬性在計算機網(wǎng)絡(luò)上模擬顯示出來，而未來成熟的“數(shù)字地球”將是一個囊括從數(shù)字化數(shù)據(jù)構(gòu)模、系統(tǒng)仿真、決策支持一直到虛擬現(xiàn)實的廣闊領(lǐng)域。“數(shù)字地球”的概念被提出后，在世界范圍內(nèi)引起了重大反響，我國領(lǐng)導人和專家學者給予了極大關(guān)注。1998年，江澤民總書記在接見兩院院士代表時就提到了“數(shù)字地球”問題。在短短的幾年時間，科技界已經(jīng)舉辦了多次“數(shù)字地球”專題研討會，先后有數(shù)百位專家學者就我國“數(shù)字地球”科技發(fā)展策略發(fā)表了見解，“數(shù)字地球”成了當今社會的一大熱門話題。

“數(shù)字流域”是由“數(shù)字地球”衍生出來的對不同區(qū)域?qū)哟蔚男畔⒚枋?，它的開發(fā)和研究是實施“數(shù)字地球”的一個很好的試驗場所和切入點。近年來，國內(nèi)先后提出了“數(shù)字海河”、“數(shù)字黃河”、“數(shù)字長江”等一系列數(shù)字河流的建設(shè)規(guī)劃?！皵?shù)字流域”的建設(shè)為我國研究和解決水資源管理問題提供了有力的高科技手段?！皵?shù)字流域”實質(zhì)就是對流域過去和將來信息的多維描述，其研究內(nèi)容是綜合處理流域的空間、地理、氣象、水文和經(jīng)濟社會信息，并應(yīng)用各種水量水質(zhì)模型以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)、虛擬仿真等顯示技術(shù)描述流域的各種行為，最終為流域水資源動態(tài)管理提供決策支持。

在數(shù)字流域應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)方面，西方發(fā)達國家起步較早，已在實際管理中發(fā)揮了重要的作用。歐美國家、澳大利亞和日本的流域管理數(shù)字化程度都較高。美國在密西西比流域建立了完善的水情自動測報系統(tǒng)、防洪自動預(yù)警系統(tǒng)及實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過氣象預(yù)報模型、降水－徑流模型、河道水流演算模型，不僅提供短期洪水預(yù)報，而且進行季節(jié)水情概率預(yù)報，為防洪減災(zāi)和水資源管理提供決策支持。CRISTAL系統(tǒng)是歐洲洪水預(yù)報較為成功的典范，在Loire等河流得到了廣泛應(yīng)用；NASIM降水－徑流模型在歐洲枯水期水資源管理方面的應(yīng)用也較為廣泛。澳大利亞的Marrury-darling河流域的基于閘門流量測量的數(shù)字化管理包括水質(zhì)監(jiān)控、水量分配、水權(quán)交易、水資源的實時調(diào)配等任務(wù)，該流域還開發(fā)了功能齊全的灌區(qū)配水系統(tǒng)軟件。日本在1999年年底已正式啟動三代河流信息系統(tǒng)，加拿大在Fraster河流域建立了類似于美國的河流監(jiān)測體系。

數(shù)字流域技術(shù)具有搜集、存取、集成、處理、分析和顯示定位流域空間數(shù)據(jù)等功能和強大的數(shù)據(jù)庫及空間分析功能，因而被越來越廣泛地應(yīng)用于水資源評價與管理、水環(huán)境影響評價與污染防治、土地利用規(guī)劃與場地選址、自然災(zāi)害的評價與風險管理等領(lǐng)域。另一方面，我國水資源形勢十分嚴峻，亟需用先進的科學技術(shù)解決。

3 基于網(wǎng)格GIS的數(shù)字區(qū)域水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)研究

3.1 研究思路及技術(shù)路線

3.1.1研究思路

目前我國水資源已經(jīng)形成嚴重不安全、不安全和基本安全3種類型的區(qū)域，這就從客觀上要求依據(jù)水資源安全程度建立相應(yīng)的安全評價與預(yù)警機制，實行分區(qū)分類動態(tài)風險評估，對不同的區(qū)域?qū)嵤┎煌乃Y源管理政策，即實行水資源動態(tài)管理，建立以水資源安全評價與風險預(yù)警為基礎(chǔ)、以總量控制和取水許可為基本手段的分區(qū)分類動態(tài)管理新模式，逐步由粗放管理向精細管理轉(zhuǎn)變。

3.1.2技術(shù)路線

通過對區(qū)域經(jīng)濟、社會、資源、環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，特別是對水利發(fā)展狀況、水資源開發(fā)利用狀況、水環(huán)境狀況的分析研究，診斷目前存在的主要問題及其對經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的影響。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基礎(chǔ)進一步細分水資源分區(qū)，建立相應(yīng)的基本資料數(shù)據(jù)庫。

建設(shè)完善水資源實時監(jiān)測系統(tǒng)，并運用遙感（RS）、網(wǎng)絡(luò)GIS、全球定位系統(tǒng)（GPS）、虛擬仿真及信息集成技術(shù)，以SPOT5遙感數(shù)據(jù)、1：50000 DEM及GIS基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建設(shè)數(shù)字流域平臺。

以水資源B級區(qū)套鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)為單元，按照嚴重不安全、不安全和基本安全3種安全類型，進行水資源安全評價，并做出相應(yīng)的水資源安全風險評估與預(yù)警，編制應(yīng)急預(yù)案。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)區(qū)域未來經(jīng)濟社會發(fā)展目標，結(jié)合節(jié)水型社會建設(shè)要求，設(shè)計水權(quán)制度與入河排污許可制度，擬定水量水質(zhì)雙總量控制方案，建立水資源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，擬訂生態(tài)與環(huán)境保護戰(zhàn)略，提出未來水利建設(shè)總體布局方案和水資源動態(tài)管理模式。

技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3.2 系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)

3.2.1數(shù)字流域平臺建設(shè)

借助全數(shù)字攝影測量、遙測、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等現(xiàn)代化手段及傳統(tǒng)手段采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過微波、超短波、光纜、衛(wèi)星等快捷傳輸方式，對各流域及其相關(guān)地區(qū)的自然、經(jīng)濟、社會等要素構(gòu)建一體化的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境。在這一平臺和環(huán)境中，利用GIS的空間分析功能與一系列與水資源相關(guān)數(shù)學模型，對江河開發(fā)、治理和管理的各種方案進行模擬和分析，并在虛擬現(xiàn)實等可視化環(huán)境條件下，提供有力的決策支持，增強決策的科學性和預(yù)見性，實現(xiàn)水事活動描述的全息化、過程的可視化和決策的科學化。

3.2.2水資源實時監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)

系統(tǒng)功能包括4個主要層次，即水資源數(shù)據(jù)庫及管理平臺、應(yīng)用支撐平臺、應(yīng)用系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)。

水資源數(shù)據(jù)庫及管理平臺：包括在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫布置及現(xiàn)有數(shù)據(jù)集成整合；

應(yīng)用支撐平臺：包括系統(tǒng)資源服務(wù)層（統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換）、公共數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層（GIS服務(wù)、報表工具、圖表工具、流量控制）、平臺接口；

應(yīng)用系統(tǒng)：包括水資源實時信息服務(wù)系統(tǒng)、水資源業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)（取水許可管理、地下水管理、節(jié)水管理、水資源費征收管理、入河排污口管理、水源地管理、水功能區(qū)管理、水務(wù)管理）、水資源動態(tài)評價系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)運行調(diào)度系統(tǒng)、水資源安全風險評估與預(yù)警系統(tǒng)、水資源綜合統(tǒng)計系統(tǒng)、水資源輔助決策支持系統(tǒng)（包括預(yù)警與應(yīng)急服務(wù)、水資源評價、水資源配置）、水資源信息發(fā)布平臺、水資源動態(tài)管理系統(tǒng)。

計算機網(wǎng)絡(luò)：通過GPRS專線，實現(xiàn)水利專網(wǎng)與移動通信APN網(wǎng)絡(luò)的連接；通過路由器，實時透明轉(zhuǎn)發(fā)各相關(guān)業(yè)務(wù)部門所轄測站實時采集信息；提供完善的內(nèi)外網(wǎng)隔離方案，確保內(nèi)部數(shù)據(jù)安全；為市級用戶通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)虛擬專線連接，可以通過VPN接入訪問內(nèi)部業(yè)務(wù)系統(tǒng)；實現(xiàn)對調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺、業(yè)務(wù)系統(tǒng)及版本控制系統(tǒng)等軟件的硬件及網(wǎng)絡(luò)支撐。

3.2.3水資源動態(tài)管理

3.2.3.1 利用水資源實時監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)字流域平臺，建立基于網(wǎng)格GIS技術(shù)的空間數(shù)據(jù)庫，集成分區(qū)和相關(guān)水資源空間信息；建立水資源安全評價和風險評估與預(yù)警知識庫，并與4類分區(qū)建立關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)分區(qū)信息與知識庫之間的交互查詢；通過用戶友好界面可以瀏覽各種屬性數(shù)據(jù)和GIS空間數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)水資源總量控制管理的自動化和智能化提供技術(shù)支持。

圖2 排污口和資源區(qū)納污現(xiàn)狀電子地圖系統(tǒng)

圖3 取水、用水及排水實時監(jiān)測系統(tǒng)

3.2.3.2 利用數(shù)字流域平臺，結(jié)合上述成果，對區(qū)域水利建設(shè)總體布局和水資源優(yōu)化調(diào)度方案進行分析比較，形成推薦方案，供政府決策參考。

3.2.3.3 設(shè)計水權(quán)制度和入河排污許可制度，編制水量水質(zhì)雙總量控制方案，供政府決策參考。

3.2.3.4 針對不同分區(qū)，提出不同的經(jīng)濟社會發(fā)展對策與水資源管理政策，對嚴重不安全區(qū)實施更為嚴格的水資源管理政策。

3.2.3.5 提出以不同類型分區(qū)水資源總量控制為目標的水利建設(shè)總體布局、水資源調(diào)配與管理機制、節(jié)水型社會建設(shè)重點和水資源保護戰(zhàn)略，為我國水資源管理提供基于水資源安全評價與風險評估為基礎(chǔ)的分區(qū)分類動態(tài)管理模式和關(guān)鍵技術(shù)。

[1] 劉昌明,傅國斌. 今日水世界[M]. 廣州: 暨南大學出版社，北京: 清華大學出版社，2000.

[2] 秦大河. 全球水循環(huán)與水資源[M]. 北京: 氣象出版社，2003.

[3] 顧浩等. 中國水利現(xiàn)代化研究[M].北京: 中國水利水電出版社，2003.

*福建省科技計劃項目《基于網(wǎng)格GIS的數(shù)字區(qū)域水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)研究開發(fā)》（項目編號：2010Y0004）研究成果。