GIS在水文水資源領域中的應用研究

張海廷

(濟寧市水文局，山東濟寧272019)

隨著水文水資源領域研究范圍的逐步拓展與研究的深入，對系統(tǒng)化、科技化、網絡化的要求不斷提升，利用現(xiàn)今不斷發(fā)展的計算機技術輔助水資源領域的研究，對于解決新形勢下水資源短缺問題有著極為重要的意義.水文水資源領域的研究工作需要快速、準確地獲取精確的地理信息、水文信息、空間信息等，以便增強對水資源時空分布特性的了解.地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)有關技術的應用，為水文水資源領域的研究和開發(fā)做出了重要貢獻.GIS是通過對空間數據的采集、管理、分析與可視化輸出，應用計算機技術的優(yōu)勢服務于地理科學的系統(tǒng).從GIS的構成來看，其核心主要是空間數據管理的子系統(tǒng)，這也是它能夠為地理科學研究提供眾多輔助優(yōu)勢的關鍵所在.子系統(tǒng)由空間數據的分析和處理兩部分構成.其數據來源包括專題地圖、遙感圖像、統(tǒng)計數據以及實測數據等.GIS的功能主要表現(xiàn)在3個方面:一是數據信息的采集、提取、分析、管理和輸出，這些數據具有典型的空間性和動態(tài)性;二是區(qū)域空間分析、多要素綜合以及動態(tài)預測能力，尤其是地理科學的融入，地學模型的應用更顯優(yōu)勢;三是計算機技術、通信技術、遙感技術參與數據編輯和管理，數據信息的應用性和可靠性大幅度提升，成為重要的決策參考依據.

目前，GIS技術正不斷地向著集成化和智能化的方向發(fā)展.多功能、高精度、現(xiàn)實性強的時態(tài)GIS技術已經成為發(fā)展主流，將為水文水資源的研究提供更多有效的信息和資料.

1 GIS在水文水資源中的應用

GIS在水文水資源領域的應用非常廣泛，筆者從以下5個方面進行分析.

1.1 水文情報預報及防洪減災

GIS強大的數據整合能力為水文情報預報系統(tǒng)的設計和應用提供了很多方便，應用這些技術優(yōu)勢，能夠更好地實現(xiàn)大范圍內水文信息的提取、整合與編輯，這對于后期的水文預報有著重要作用.GIS技術能夠更好地確定模型參數，提升參與數據和模型設計的精確度，加速水文模型的高質量開發(fā).特別是數字高程模型的應用，能夠融合水力學模型，更加客觀而高效地實現(xiàn)對水文信息的監(jiān)測.GIS技術的發(fā)展和應用為水文情報預報提供了重要的輔助資料，對加速各方面技術的研究都有著良性影響.GIS承擔著眾多骨干河道、大中型水庫的洪水預報方案編制和洪水作業(yè)預報，在應用過程中取得了很好的效果.憑借水文水資源地理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢，國家防汛指揮系統(tǒng)濟寧水情分中心和水文站點順利完成建設，并且成功編制了一套濟寧市雨量等值線圖軟件，完成了濟寧市中小河流治理水文站點布設及數據庫整合，完成了水情交換系統(tǒng)安裝調試工作，結束了原傳輸系統(tǒng)近10年的使用.

GIS技術目前在防洪減災決策中的應用主要集中在4個方面:管理平臺、災情評估、風險分析與區(qū)劃和城市防洪.首先是防洪信息管理系統(tǒng)構建下的決策支持平臺可以更好地完成時間、空間數據的管理，從搜集、查詢、檢索、更新和維護等方面加強對信息資源的整合與應用，利用GIS的空間分析能力為防洪決策提供可靠的信息輔助支持，為各類應用模型提供數據、優(yōu)化參數，從而做到準確地預測和表達，可以說是決策方案可視化的一種表現(xiàn).

在災情評估環(huán)節(jié)，主要發(fā)揮GIS對基礎背景數據的管理優(yōu)勢.其將空間數據和各種屬性數據進行多層次整合、管理，在此基礎上對洪水災害進行演進，從而為災情數據的分析、提取、評估提供有利的輔助手段.

在評估完洪水災害之后，是對災害風險的分析和區(qū)劃.這種分析和區(qū)劃立足于系統(tǒng)對各種洪水發(fā)生概率和強度等數據的模擬計算，對可能造成的危害和危險性進行分析與損失評估.這個過程需要集合GIS技術對自然、地理、社會因子等諸多因素并附上相應的權重進行空間疊加，然后完成分析和區(qū)劃，是一種評估災害損失的有效手段.隨著GIS技術研究的深入以及多種災情模型的構建，近年來，評估系統(tǒng)所考慮的因素雖在不斷完善，也變得更加全面，但仍然還有更大的研討空間.例如充分利用GIS空間分析的功能，考慮流域上、下游的關系等.同時，GIS技術在數據層疊加、多邊形合并、緩沖區(qū)的運用方面充分發(fā)揮了作用.

馬鎮(zhèn)等［3］利用GIS開發(fā)了哈爾濱市的城市防洪體系，加強了對防洪警報、防洪預案以及洪澇災害的監(jiān)測和評價，對城市的防洪搶險工作有著積極意義.此系統(tǒng)根據汛前補充預報方案，成功完成了8次南四湖、泗河及各大、中型水庫的洪水預報及洪水展望工作，為防洪、抗洪工作決策的制定與實施提供了重要依據與輔助.王志剛等［4］基于以上系統(tǒng)，開發(fā)了災情評估系統(tǒng)，對不同滯洪區(qū)的災情水位進行分析，不僅提供了相對可靠的損失數據，同時也根據計算出的滯洪量進行了較為科學的災情評估.

1.2 水文資源空間管理和決策支持系統(tǒng)研究

水文資源的空間管理和決策都要依賴于GIS技術.基于GIS技術建立的空間數據庫是系統(tǒng)的核心，是相關水文決策必須考慮的重要參考數據.只有在這些精準數據上進行決策，才能更好、更全面地做出科學而正確的決策.

建立具有水文水資源特色的數據庫，不止是為了更好地實現(xiàn)當前水資源的管理，更重要是根據水資源分布的時間和空間變化做出預測，建立相關的決策支持系統(tǒng)，提升水資源的管控能力.近幾年發(fā)展起來的決策支持系統(tǒng)立足于常規(guī)決策支持系統(tǒng)和GIS技術，是一種優(yōu)勢明顯的新型系統(tǒng).但相對來說，其開發(fā)難度較大，需要大量財政資金支持.就我國水資源分布狀況與近年來洪澇災害發(fā)生的頻率來看，加強這種新型決策支持系統(tǒng)的研究和應用對于我國未來水資源的管理有著極為重要的意義［7－8］.

1.3 水環(huán)境管理

水環(huán)境管理的目的決定了這項工作相較一般水文管理在空間屬性和層次上的要求更高.GIS技術的應用除了能夠精確體現(xiàn)不同區(qū)域內的水環(huán)境狀況，還能根據空間及時間范圍內的變化趨勢進行預測和監(jiān)測，利用系統(tǒng)內的多種信息模塊加強對水環(huán)境的管理，還能根據不同水環(huán)境需要適當進行加減.上海市水環(huán)境管理部門從20世紀80年代就開始研究GIS技術在水環(huán)境管理中的應用，不僅建立了黃浦江流域的水環(huán)境管理系統(tǒng)，還加強了水質、水量的監(jiān)測預報，促進了水環(huán)境的高效、優(yōu)質管理.此后，國內一些科學家也根據這些研究成果建立了水質動態(tài)管理信息系統(tǒng)，更進一步提升了水環(huán)境管理的質量［5－7］.

1.4 水污染控制規(guī)劃

水污染作為現(xiàn)今水文水資源領域重點關注的問題之一，對水資源的開發(fā)利用有著巨大的消極影響.區(qū)域環(huán)境規(guī)劃過程中如何做好水污染的控制，將會嚴重影響環(huán)境規(guī)劃目標實現(xiàn)的質量和效率.因此，利用GIS技術做好水污染的控制規(guī)劃具有重要意義.

水污染控制規(guī)劃方案要做好各功能區(qū)域水資源的分布設計.根據污染源的種類及分布，利用圖的可視化形式做好分布方位與范圍的設計，確保城市的排污網絡能夠發(fā)揮最大的排污效果，減少水污染在區(qū)域環(huán)境范圍內的影響.具體流程如下:首先確定水污染控制規(guī)劃的對象，建立水污染控制規(guī)劃的數據包以及規(guī)劃模型庫;然后分別利用數據庫及管理信息系統(tǒng)，建立面向用戶的信息系統(tǒng)，根據用戶所需要的數據、圖表等信息完善水污染控制規(guī)劃模型;最終完成區(qū)域環(huán)境內水污染的控制.美國水利科學家德博瑞就利用這種污染控制系統(tǒng)成功地計算了美國多個河流周邊流域的污染值，更好地實現(xiàn)了水質的監(jiān)測與污染的控制，在非點源污染控制上又上了一個層次［1］.

1.5 給水管網信息管理系統(tǒng)研究

利用GIS技術對給水工程中的管網進行設計主要有3種形式:獨立開發(fā)、集成二次開發(fā)以及單純二次開發(fā).獨立開發(fā)較為簡單，在應用系統(tǒng)的開發(fā)過程中完全不依賴GIS技術.集成二次開發(fā)就需要多方面應用GIS技術的功能進行通用編程軟件開發(fā)，開發(fā)過程中必須依賴GIS技術強大的空間數據處理能力來實現(xiàn)可視化工具的應用開發(fā)，是難度最高的應用開發(fā)形式.單純二次開發(fā)主要是對GIS技術的借用，在開發(fā)難度上略低于集成二次開發(fā).利用GIS技術進行集成二次開發(fā)，能夠優(yōu)化相關信息的提取、采集與編輯，提升水利計算的能力，優(yōu)化選泵點等，這些積極因素都將為給水管網的設計和建設提供強大的支持，從而設計出更合理的管網建設方案.美國科羅拉多州利用GIS技術完成了科羅拉多河的決策支持系統(tǒng)，給水管網的設計較之前更加科學，為灌溉區(qū)域的水資源應用和管理帶來了巨大的經濟效益和社會效益［2］.

2 GIS在水文水資源中的應用展望

GIS應用與開發(fā)一直是一個不斷發(fā)展的動態(tài)過程.GIS的應用提升了水資源的信息管理水平，對于當前水文水資源的研究和利用起到了積極的促進作用.但當前GIS應用與開發(fā)中仍存在著諸多問題，如水流運動、水質的時間序列以及周圍空間環(huán)境的數據耦合仍需加強研究，不同開發(fā)單位之間水文數據組織和設計方式的差異為互動操作增加了難度，不利于大范圍的水資源數據模型的構建等［16－17］.如何在GIS應用與開發(fā)過程中更好地切合實際需求，并充分發(fā)揮GIS技術的優(yōu)勢，是一個需要努力攻關的課題.筆者認為可從以下幾方面加強GIS在水文水資源中的應用.

1)加強GIS應用規(guī)范和標準的研究.實際開發(fā)過程中，GIS的研發(fā)是各部門根據生產和科研需要獨立進行的.但GIS技術規(guī)范和標準缺乏統(tǒng)一性，開發(fā)平臺和數據模式呈現(xiàn)多樣化，這種情況對于開展大范圍內的水文信息交流、構建全面豐富的水文水資源信息管理網絡來說存在一定弊端.因此，應當結合國內外多個成功的試點經驗，結合自身發(fā)展的標準與需求，通過擬定統(tǒng)一的規(guī)范化標準來加強GIS的研究與開發(fā)［9］.

2)建立水文水資源地理空間數據庫.空間數據庫是系統(tǒng)的核心、決策的基礎，因此加強標準化、規(guī)范化空間數據庫的建設，尤其是具有水文水資源領域特色的地理空間數據庫，如雨情和水情數據庫、水旱災情數據庫、蓄滯洪區(qū)空間展布式社會經濟數據庫等［10－12］，對于系統(tǒng)的應用來說具有積極意義.這些數據庫不僅包括流域內的水文水資源信息，同時還包括自然資源與社會環(huán)境、經濟情況等基本數據，并且能夠進行實時更新，保持數據的高度準確性、全面性與即時性.

3)建立水文水資源空間決策支持系統(tǒng).空間決策支持系統(tǒng)是近年來在常規(guī)決策支持系統(tǒng)和GIS相結合的基礎上發(fā)展起來的一種新型信息系統(tǒng).這種系統(tǒng)雖然應用前景廣闊，但是開發(fā)難度較大，需要大量的人力、財力與物力.因此，必須集中財力保證重點，分步實施，成熟后再予以推廣.從我國水文水資源分布情況來看，建立黃河與長江的水文水資源空間決策支持系統(tǒng)是當務之急，同時也是進行試點的最佳地區(qū)，對于后期加強全面水資源信息網絡建設有著極為重要的意義與作用［13－14］.

4)促進GIS與水文水資源專業(yè)模型的融合.在目前的一些GIS專業(yè)模型中，雖然大多數都具備了較強的信息儲存與管理等功能，但是重點仍然是數據，在表達地理空間、分析和決策支持等方面還稍顯不足.因此，需要充分利用GIS系統(tǒng)的空間數據管理功能，將現(xiàn)有的各類計算方法和軟件逐步過渡到以柵格為計算空間單元的分布式模型上來，實現(xiàn)GIS與水文水資源專業(yè)模型的集成，更好地發(fā)揮系統(tǒng)的功能與優(yōu)勢［15］.

總的來說，水文水資源領域的深入研究帶動了GIS的應用和發(fā)展，GIS技術的應用又進一步加強了水資源領域的研究力度，二者互相促進，不斷提升著水文水資源的管理水準.這對于當前環(huán)境下緩解我國水資源短缺和水資源污染局面有著重要意義，對于未來更好地開拓GIS技術的應用前景也起著重要作用.

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