地理信息系統(tǒng)在水資源監(jiān)控與管理實踐中的應用

吳凌穎，郭旭寧，趙紅莉，成建國，蔣云鐘

（1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；

2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；

3.水利部水利信息中心，北京 100053）

地理信息系統(tǒng)在水資源監(jiān)控與管理實踐中的應用

吳凌穎1，郭旭寧2，趙紅莉2，成建國3，蔣云鐘2

（1.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；

2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；

3.水利部水利信息中心，北京 100053）

從地理信息系統(tǒng)（GIS）特點和水資源監(jiān)控與管理業(yè)務對 GIS 技術需求的分析入手，梳理 GIS 技術在我國水資源監(jiān)控與管理工作中應用的發(fā)展和現(xiàn)狀，指出當前 GIS 技術在水資源監(jiān)控與管理中的應用已得到極大的發(fā)展，未來可在應用系統(tǒng)建設的規(guī)劃統(tǒng)籌和相關行業(yè)標準建設、信息安全保障和智能服務等方面進一步加強研究和實踐，為 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應用發(fā)展和提高水資源監(jiān)控及管理系統(tǒng)建設水平提供借鑒。

地理信息系統(tǒng)；水資源；監(jiān)控；管理；應用

0 引言

2011 年中央 1 號文件和中央水利工作會議提出“加強水量水質監(jiān)測能力建設，為強化監(jiān)督考核提供技術支撐”[1]；2012 年《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》明確要求“加強取水、排水、入河湖排污口計量監(jiān)控設施建設，加快建設國家水資源管理系統(tǒng)，逐步建立中央、流域和地方水資源監(jiān)控管理平臺，加快應急機動監(jiān)測能力建設，全面提高監(jiān)控、預警和管理能力”[2]。因此，應該加強水量水質監(jiān)測能力建設，逐步建立中央、流域和地方水資源監(jiān)控管理平臺，形成與實行最嚴格水資源管理制度相適應的水資源監(jiān)控能力，為最嚴格水資源管理制度考核提供手段和依據(jù)。

由于水資源時空分布不均，人類影響水資源的能力不斷增加，人類認識水資源規(guī)律能力的局限，使得水資源監(jiān)控與管理工作的難度越來越大，常規(guī)監(jiān)控管理手段的局限性日顯突出。地理信息系統(tǒng)（GIS）以其顯著的多學科交叉特征和處理空間數(shù)據(jù)的獨特功能，被廣泛應用于眾多的研究和應用領域，在水資源綜合開發(fā)利用中的應用發(fā)展也很迅速。為系統(tǒng)了解 GIS 技術在水資源監(jiān)控與管理中的應用情況，加強我國水量水質監(jiān)測能力的建設，本文就地理信息系統(tǒng)在水資源監(jiān)控與管理實踐中的應用情況進行梳理與總結、展望。

1 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應用需求

GIS 是采集、存貯、分析、再現(xiàn)空間信息的信息系統(tǒng)，它不僅利用屬性數(shù)據(jù)， 更重要的是利用空間數(shù)據(jù)。GIS 將地理空間信息模型化并存儲在計算機中，便于對地理信息及以地理信息為載體的信息進行查詢、空間分析，以達到對研究對象進行描述、模擬和預測的目的[3]。相對于常規(guī)意義上的信息系統(tǒng)，GIS 能進行空間分析，且更能全面、直觀、動態(tài)地采集和利用信息[4]。

水資源監(jiān)控與管理是指對天然和社會二元水資源系統(tǒng)的來水、水源、供水、取用水、耗水和排水等各環(huán)節(jié)進行監(jiān)測，對社會水循環(huán)系統(tǒng)進行管理和控制的活動。及時、準確地獲取信息，有效地管理信息，合理地利用信息是水資源監(jiān)控與管理的基礎內容和重要支撐。水資源管理系統(tǒng)以“取水—輸水—供水—用水—排水—回用水”等環(huán)節(jié)構成的社會水循環(huán)過程為主要監(jiān)控對象，通過對點（水源地、取用水戶、入河排污口、地下水監(jiān)測井等）和線（河流、水功能區(qū)等）的信息監(jiān)測，掌握面（行政區(qū)、水資源分區(qū)和地下水分區(qū)等）的情況；通過取用水戶的取水和排水、行政分區(qū)的入境和出境水量、地下水等數(shù)據(jù)的互相校核，以及監(jiān)測信息、統(tǒng)計信息、流域及區(qū)域水循環(huán)模型等數(shù)據(jù)信息的互相校驗，為實行“總量控制，定額管理”提供支撐，實現(xiàn)對水資源的科學調配和管理[5]。水資源系統(tǒng)的各類信息均具有空間分布特性[6-7]，需要依托 GIS 技術和工具進行信息的獲取、管理、分析和應用，按照信息獲取處理流程劃分，GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的主要應用需求可以分為以下幾個方面：

1）信息獲取。水資源監(jiān)控與管理的對象是具有地理位置、形狀、范圍等特征的地理實體，如天然水循環(huán)系統(tǒng)中的降雨、蒸散發(fā)、徑流等有空間分布的特征，河流、湖泊、流域具有位置，長度，形狀，范圍等特征；社會水循環(huán)系統(tǒng)中的水利工程、取用水戶、排污口、管理分區(qū)、控制斷面等，都具有位置、形狀、范圍等特征，這些信息的采集需要GIS 技術和工具的支撐，才能形成規(guī)范化組織和表達的水資源專題地理空間信息，與基礎地理空間信息和水資源屬性信息集成，支撐水資源監(jiān)控與管理活動的實施。

2）信息管理。水資源專題空間信息描述的空間實體如河流、流域、測站、斷面等之間的相互關系，除了依附于空間實體的屬性之間的主外鍵關系外，還有上下游、干支流、左右岸、包含、相交等空間拓撲關系，管理水資源專題空間信息的工具和平臺需要具備存儲和維護點線關系、線面和空間拓撲等關系的功能。

3）信息應用。水資源管理活動中包含大量對地理空間信息的應用，如基于二、三維地圖的各類水資源監(jiān)測信息的可視化表達，水資源專題地圖的繪制與輸出，水資源信息的空間分析等，需要利用 GIS技術和特定的 GIS 工具和平臺來實現(xiàn)。

2 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應用綜述

GIS 技術具備解決水資源監(jiān)控與管理中空間信息的獲取和管理、基于空間信息的信息集成與應用問題的能力[8]，在國內外有許多成功的研究和應用案例。

國際上發(fā)達國家在水資源監(jiān)控管理信息化方面的起步較早，相應地理信息系統(tǒng)的應用也較早。20 世紀 70 年代起，美國田納西州開始用 GIS 技術處理和分析各種流域空間數(shù)據(jù)，為水資源管理和規(guī)劃決策提供服務；90 年代，GIS 在水資源管理中的應用成為多個會議的主題或專題[9-10]。歐洲一些國家隨后建立了具有 GIS 功能的水資源管理決策支持系統(tǒng) WaterWare，并在英國泰晤士河流域和墨西哥的Rielerma 流域得到較成功的應用[11]。

我國水資源信息化起步較晚，但行動迅速。我國學者在基于 GIS 的水資源管理系統(tǒng)方面做了大量的工作。趙紅莉，蔣云鐘等[12]在廣東省水資源管理系統(tǒng)基礎上，基于 GIS 控件技術開發(fā)了廣東省水資源管理地理信息系統(tǒng)，將水資源管理中的行政分區(qū)、水資源分區(qū)、河流、取水口、排污口、水利工程等空間和屬性信息進行了集成，基于 GIS 技術為水資源管理提供空間和屬性綜合的信息查詢和制圖平臺，并在廣東省的省、地市、縣三級水資源管理部門進行了推廣應用。李云等[13]結合數(shù)據(jù)庫與 GIS技術開發(fā)了適用于城市水資源管理的計算機軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了基礎信息查詢、地表水和地下水運動模擬、用水量統(tǒng)計、水質監(jiān)測和水環(huán)境評價等功能。張保祥等[14]在 MapGIS 平臺基礎上，開發(fā)了山東省地下水回灌補源現(xiàn)狀和前景預測及評價系統(tǒng)。雷慶玲等[15]以地下水取水許可管理系統(tǒng)為例，研究和探討了基于 GIS Web Services 的分布式電子政務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。方瓊等[16]結合 WebGIS，應用 ArcIMS及 Internet 的 WWW 服務模式，建立了山西省臨汾盆地地下水水資源信息管理的 WebGIS 服務。鄭名等[17]在 GIS 平臺提供的空間分析功能基礎上，集成開發(fā)了水資源管理決策系統(tǒng)。桑穩(wěn)嬌等[18]以 GIS 為技術支撐，結合在線監(jiān)測技術，利用 GIS 控件進行二次開發(fā)建立了污水管網(wǎng)信息系統(tǒng)。陳興等[19]針對南京市六合區(qū)水資源特點，提出了基于 GIS 技術的一整套水資源優(yōu)化配置決策支持系統(tǒng)解決方案。天津市水利局、天津市水資源研究管理中心經(jīng)過 10 年的探索，現(xiàn)已初步建立起一套在現(xiàn)行水資源管理機制環(huán)境下可以方便應用的地理信息系統(tǒng)，并取得了較好的效果[20]。賈仰文，趙紅莉[21]等研究開發(fā)的“北京市降雨產(chǎn)流測報系統(tǒng)”，將基于 WebGIS 的空間分析技術與分布式水文模型技術相結合，建立了 B/S 體系結構的降雨產(chǎn)流模型系統(tǒng)，實現(xiàn)了 GIS 高級分析和專業(yè)模型計算等功能的網(wǎng)絡共享。

2001 年 4 月，水利部在北京召開了全國水利信息化工作座談會，提出“水利信息化是水利現(xiàn)代化的基礎和重要標志，要把水利信息化作為一項戰(zhàn)略任務，抓緊抓好，通過國家防洪指揮系統(tǒng)、全國水質信息系統(tǒng)和水資源實時監(jiān)控與管理系統(tǒng)等一系列應用系統(tǒng)的建設，提高信息采集、傳輸?shù)臅r效性和自動化水平，為實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置提供手段，為防汛抗旱決策提供依據(jù)，為水利更好地服務經(jīng)濟社會發(fā)展創(chuàng)造條件”[22]。為了保障最嚴格水資源管理制度的貫徹落實，改變水資源監(jiān)控手段缺乏的現(xiàn)狀，水利部組織編制了《國家水資源項目監(jiān)控能力建設項目實施方案》，計劃自 2012 年起，用 3 年時間完成近期建設，基本建立國家水資源管理系統(tǒng)框架，初步形成與實行最嚴格水資源管理制度相適應的水資源監(jiān)控能力，逐步增強支撐水資源科學管理和“三條紅線”監(jiān)督考核的能力[23]。

在此背景下，全國各流域、行政區(qū)相繼開展了水資源監(jiān)控管理信息系統(tǒng)的建設?；春恿饔驈?012 年開始，計劃用 3 年左右時間基本建成包含GIS 軟件系統(tǒng)的淮河流域水資源監(jiān)控管理信息平臺，完成流域水環(huán)境監(jiān)測中心的建設，形成與實行最嚴格水資源管理制度相適應的水資源監(jiān)控能力[24]?！斑|寧省太子河流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)”是“遼寧省區(qū)域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)”的一部分，是以 GIS 平臺為支撐，進行 3 座水庫的防洪與興利統(tǒng)一調度、地表水與地下水的聯(lián)合運用管理，實現(xiàn)太子河流域水資源的優(yōu)化配置與科學管理，為我國北方地區(qū)的水資源實時監(jiān)控管理，提供理論技術和實踐經(jīng)驗等方面的參考[25]。

此外，2008—2013 年在由國家發(fā)展和改革委員會牽頭建設的國家“自然資源和地理空間基礎信息庫”工程中，采用面向對象的屬性空間一體化數(shù)據(jù)模型，進行水資源專題數(shù)據(jù)庫的建設，對已有水資源空間和屬性數(shù)據(jù)進行整合改造和入庫，依托水利分中心建設形成國家級水資源和地理空間數(shù)據(jù)庫集群，可對水資源資源開發(fā)與利用、配置與管理、節(jié)約與保護等一系列涉水重大事項提供決策支持。同時，在實施過程中進行了水資源專題信息獲取、處理、更新，共享信息流程標準體系，水資源專題制圖內容、模式、方法，以及數(shù)據(jù)組織與共享模式的大量探索，形成了一系列水資源空間信息建設與共享應用技術方法上里程碑性的成果。

2012 年建設的全國水利普查空間信息系統(tǒng)，既是一個基于地理信息系統(tǒng)技術建立的多主題數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[26]，也是空間和屬性數(shù)據(jù)的綜合管理系統(tǒng)，同時實現(xiàn)了基于地理空間信息的水利普查信息的可視化組織與表達。水利普查空間信息系統(tǒng)為水利普查提供了基于國家基礎測繪的 1∶50 000 更新數(shù)據(jù)和全國陸域 2.5 m 正射影像，建設了水利專題空間信息采集的平臺，基于平臺采集了包括河流、水利工程、河湖開發(fā)治理保護和社會經(jīng)濟用水等相關的空間信息；在信息的組織管理上，將水利和地理信息全面深度融合，實現(xiàn)了空間、業(yè)務、關系和時態(tài)等特征信息的一體化管理；基于系統(tǒng)，整編完成了全國水利普查區(qū)域 24 182 幅 1∶50 000 標準分幅電子工作底圖數(shù)據(jù)，供全國水利普查機構的近百萬普查人員使用。

3 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應用展望

在水資源監(jiān)控與管理中，GIS 的應用無論在技術上，還是數(shù)據(jù)積累和應用經(jīng)驗上都已成熟和日益豐富。依托一些大的水利行業(yè)地理信息建設項目，已較為系統(tǒng)地采集了水資源監(jiān)控與管理業(yè)務相關的空間數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)存貯、管理上形成了一些特有的技術方法和項目標準與規(guī)范。在對空間信息的應用上，也由簡單的信息展示和查詢，發(fā)展為能利用GIS 的空間分析功能進行專業(yè)分析與決策支持，基于GIS 的水利行業(yè)應用也已進入網(wǎng)絡化時代。為更好地支撐水資源監(jiān)控與管理的日常業(yè)務和決策支持，對GIS 技術的應用和系統(tǒng)的建設，還可以從以下幾個方面予以加強：

1）信息系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃和標準建設。水資源監(jiān)控與管理涉及的業(yè)務面寬，參與的業(yè)務部門眾多，各部門為提高管理水平，紛紛從自身需求出發(fā)，開發(fā)和建設了大量的應用系統(tǒng)，相互之間統(tǒng)籌不足，在數(shù)據(jù)和應用上有項目標準，但缺乏行業(yè)標準，形成信息孤島，導致信息交互和共享困難，應加強系統(tǒng)建設的規(guī)劃統(tǒng)籌和相關行業(yè)標準建設。

2）信息安全保障。隨著 GIS 應用的不斷深入，大比例尺空間數(shù)據(jù)的采集和使用越來越多，數(shù)據(jù)安全問題比以往任何時候都更為突出，需要加強信息安全教育，科學地研究和制定信息安全保障的規(guī)章制度，明確界定涉密信息的范圍，為涉密信息的使用建立安全通道，做到既能保障信息安全，又能為精細化的水資源管理提供便利支撐。

3）智能服務。進入物聯(lián)網(wǎng)、智慧化和大數(shù)據(jù)的信息時代，水資源監(jiān)控與管理空間和屬性集成信息也已達到海量規(guī)模，需要加強海量數(shù)據(jù)的管理、信息挖掘、智能服務等方面的研究和應用建設，才能應對潛在的數(shù)據(jù)爆炸性增長、水資源高效管理的業(yè)務要求和用戶預期不斷升高帶來的難題。

4 結語

水資源監(jiān)控與管理的各類信息均具有空間分布特性，可依托 GIS 技術和工具進行空間信息的獲取、管理，以及空間和屬性綜合的分析和應用。隨著地理信息系統(tǒng)及相關技術的成熟與發(fā)展，GIS 技術在水資源監(jiān)控與管理中已得到廣泛應用。在加強水利信息化、國家水資源監(jiān)控能力建設，落實最嚴格水資源管理制度等推動下，GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應用得到了極大的發(fā)展。未來可在應用系統(tǒng)建設的規(guī)劃統(tǒng)籌和相關行業(yè)標準建設、信息安全保障和智能服務等方面進一步加強研究和實踐，一方面使 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應用持續(xù)發(fā)展，另一方面也能更有效地支撐水資源監(jiān)控、管理與決策。

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Application of Geographic Information System in Water Resources Monitoring and Management

WU Lingying1, GUO Xuning2, ZHAO Hongli2, CHENG Jianguo3, JIANG Yunzhong2

（1.Earth Science and Engineering College of Hohai University, Nanjing 210098, China;
2.China Water Resources and Hydropower Research Institute, Beijing 100038, China;
3.Information Center, the Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China)

Based on the analysis of features of the geographic information system (GIS) and the GIS technology needs of water monitoring and management, the development process of GIS technology applied in water resources monitoring and management of our country is reviewed and the current status is summarized.It points out that current GIS application in the monitoring and management of water resources has been tremendous development.The suggestion is put forward to further strengthen the research and practice in the overall planning of system construction and related industry standard construction, information security and intelligence services in the future.This paper can provide reference for GIS application development in the monitoring and management of water resources and improve the level of water resources monitoring and management system.

geographic information system; water resources; monitoring; management; application

P208.2

A

1674-9405(2014)04-0001-04

2014-07-10

國家重大科技專項（08-Y30B07-9001-13/15-01）；國家科技支撐計劃（2013BAB05B01）

吳凌穎（1992－），女，福建莆田人，河海大學地球科學與工程學院 2011 級地理信息系統(tǒng)專業(yè)本科生。