GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域中的有效運(yùn)用

暢成喜（黃河水利委員會(huì)上游水文水資源局，甘肅蘭州 730030）

GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域中的有效運(yùn)用

暢成喜
（黃河水利委員會(huì)上游水文水資源局，甘肅蘭州 730030）

地理信息系統(tǒng)（GIS）是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)分析、處理為一體的地理信息系統(tǒng)。本文主要介紹GIS在水文水資源領(lǐng)域中六方面的主要運(yùn)用：水資源方面、地下水資源勘查方面、流域面雨量計(jì)算方面、水文模擬方面、水文模擬與信息查詢、防洪預(yù)警及洪水預(yù)報(bào)管理方面。

GIS技術(shù) 水文水資源 運(yùn)用地理信息系統(tǒng)（GIS）是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)分析、處理為一體的地理信息系統(tǒng)。由于GIS技術(shù)的空間特性、對(duì)于水資源的管理與處理能力以及水的時(shí)空分布特性，在流域水資源空間數(shù)據(jù)的獲取、分析、管理、模擬、顯示等方面GIS技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。

1　GIS技術(shù)及特點(diǎn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、地理科學(xué)及信息科學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r而產(chǎn)生了GIS，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、管理和分析功能，并形成可視化輸出。GIS技術(shù)的核心是對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理與分析的空間數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)，該空間數(shù)據(jù)的主要來自于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、遙感圖像數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等。GIS技術(shù)具有管理、處理海量數(shù)據(jù)能力、能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的提取、轉(zhuǎn)化及編輯功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、重構(gòu)和轉(zhuǎn)換等工作，可以對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢索與查詢，實(shí)現(xiàn)空間操作并對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)地分析，輸出檢測(cè)結(jié)果，更新數(shù)據(jù)等［1］。

2　GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域的主要運(yùn)用

2.1水資源開發(fā)與管理規(guī)劃方面的運(yùn)用

目前，我國(guó)已經(jīng)逐漸建立了相當(dāng)多有效地GIS水資源管理系統(tǒng)，不僅應(yīng)用于地表水的調(diào)查過程中，而且通過科學(xué)合理的手段對(duì)開發(fā)地下水進(jìn)行高效地調(diào)查、精確地分析，對(duì)水資源做出科學(xué)合理的規(guī)劃、使其充分利用。由于GIS系統(tǒng)能夠明確顯示個(gè)地區(qū)的水環(huán)境狀況及質(zhì)量變化趨勢(shì)，且水資源的分布、蓄量、需求、后期預(yù)測(cè)等都與地理位置有關(guān)，所以通過GIS技術(shù)可以檢測(cè)流域內(nèi)水資源分布和蓄量、查詢和管理水資源與人口分布和社會(huì)經(jīng)濟(jì)關(guān)系、對(duì)河段上下游水質(zhì)空間進(jìn)行分析并找出污染源，從而規(guī)劃水資源的應(yīng)用。

2.2地下水資源勘查方面的運(yùn)用

對(duì)于水資源科學(xué)合理地開采、規(guī)劃以及管理而言，地下水資源的勘查是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。其目的主要是勘察清楚該區(qū)域內(nèi)主要含水層的空間、地質(zhì)分布結(jié)構(gòu)以及含水層的導(dǎo)水性、每個(gè)含水層之間的水力聯(lián)系和含水層邊界等特性。對(duì)于在地表水資源的空間分布和配置這兩個(gè)層面來說，運(yùn)用GIS技術(shù)能夠比較全面地快速地掌握地表水的補(bǔ)給、地下水的埋深和蘊(yùn)藏量等相關(guān)信息。以此運(yùn)用相對(duì)比較準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)和成果細(xì)化模型來反映該區(qū)域內(nèi)地下水資源的結(jié)構(gòu)特性和其規(guī)律，進(jìn)而為地下水資源的充分合理采用、布局規(guī)劃與管理提供了科學(xué)全面的決策支撐，使得地下水資源管理越來越規(guī)范。此外，在地下水資源勘查方面，GIS主要是用于建立有關(guān)水文水資源地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料、地下水動(dòng)態(tài)資料以及開發(fā)狀況等方面的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，而且運(yùn)用此軟件可以對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地檢索、查詢與分析，對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的發(fā)展走向做出科學(xué)合理的推測(cè)，進(jìn)而可以對(duì)地下水資源規(guī)劃管理的空間起到?jīng)Q策作用［2］。

2.3流域面雨量計(jì)算方面的運(yùn)用

流域面雨量為水資源管理、城市供水、防汛抗洪、水庫調(diào)度等的決策起到輔助支持，且其在水文水資源管理中是一個(gè)必不可少的參數(shù)，測(cè)算流域面雨量經(jīng)常運(yùn)用的有逐步訂正格點(diǎn)法、泰森多邊形法、三角形法、算術(shù)平均法、等雨量線法等多種算法，但是實(shí)踐證明，流域內(nèi)站網(wǎng)密度影響流域面雨量的計(jì)算精確程度，即隨著站網(wǎng)密度越大，精度就越高。也就是說，這些計(jì)算方法都是要在一定條件下才能更加準(zhǔn)確地計(jì)算面雨量。而為了彌補(bǔ)這些傳統(tǒng)方法在計(jì)算上的缺陷，GIS逐漸被運(yùn)用到流域面雨量計(jì)算中，例如：大連理工大學(xué)為了解決傳統(tǒng)計(jì)算方法所存在的缺陷，便對(duì)模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS技術(shù)流域面流量智能預(yù)報(bào)模型進(jìn)行了分析與研究，GIS相對(duì)比較有效率、預(yù)測(cè)結(jié)果都比較精確，從而說明了利用GIS技術(shù)對(duì)流域面雨量計(jì)算的準(zhǔn)確性和先進(jìn)性。利用GIS技術(shù)是在不受主觀因素的影響、數(shù)據(jù)數(shù)量限制的情況下計(jì)算流域面雨量的，從而這樣在很大程度上提升了此區(qū)域邊界分析的質(zhì)量。

2.4水文模擬方面的運(yùn)用

在水文模擬方面，很多參數(shù)與地理結(jié)構(gòu)信息相關(guān)，如流域的河長(zhǎng)、坡度、寬度和土地的利用面積等，為了能夠更準(zhǔn)確地利用地理信息對(duì)水文水資源進(jìn)行模擬，可以基于GIS數(shù)字地形模型與高度模型，在此基礎(chǔ)上建立流域水文信息參數(shù)的數(shù)字化模擬系統(tǒng)。從而GIS技術(shù)將從此系統(tǒng)中提取的流域特性與傳統(tǒng)水文模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)流域水文模型的模擬。

在GIS流域水文模擬方面有相當(dāng)多的模型被應(yīng)用，但是通過運(yùn)用GIS進(jìn)行對(duì)水文模擬的常見模型主要有：

（1）GIS分布式流域水文物理模型。基于GIS數(shù)字地形和數(shù)字高程系統(tǒng)建立了該模型，其主要用于模擬較小流域的降雨徑流時(shí)空變化過程。（2）GIS動(dòng)態(tài)分布式降雨徑流域模型。建立此模型的目的是為了能夠詳細(xì)地分析降雨量及下墊面空間分布的不均衡性這兩方面的因素對(duì)徑流的影響。所以，運(yùn)用GIS技術(shù)建立了一個(gè)動(dòng)態(tài)分布式降雨徑流的流域模型，此模型的主要用途是對(duì)破面產(chǎn)匯流與河道匯流的數(shù)據(jù)模擬。（3）參考作物蒸散量的分布式模型。此模型是在DEM的基礎(chǔ)上建立的，主要考慮到流域空間的不確定性［3］。

2.5水文模擬與信息查詢方面的運(yùn)用

（1）實(shí)現(xiàn)水情信息檢索與空間信息分析功能。以數(shù)字化電子地圖為主要背景的水文情報(bào)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通過運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)水情信息進(jìn)行相應(yīng)的檢索、查詢、分析與預(yù)算，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)的效果。（2）分布式水文模型的開發(fā)。通過利用GIS技術(shù)對(duì)地理信息空間分布提供相對(duì)比較詳細(xì)的分析資料，并根據(jù)流域下墊面的地理?xiàng)l件和數(shù)值分析，對(duì)達(dá)到流域滿足分辨率要求的情況進(jìn)行區(qū)分，并要充分考慮一些因素的不均勻分布狀況，如空間內(nèi)降雨、下墊面等。（3）確定流域水文模型參數(shù)。該模型的主要參數(shù)有：該流域內(nèi)河道的長(zhǎng)度坡度、流域的坡度、重心等。這些參數(shù)都與流域的地理結(jié)構(gòu)信息有關(guān)，并且能夠直接通過GIS技術(shù)來對(duì)所有的地理結(jié)構(gòu)信息分析確定，而且GIS也可以間

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接的計(jì)算流域地貌單位線、流域下滲能力等地理信息。除此之外，可以通過利用GIS的數(shù)據(jù)編輯和處理功能，有效快速地處理流域的特征參數(shù)。并且通過其圖形處理能力可以將流域內(nèi)幾乎所有的特征用圖形完全顯示出來。

在水文模擬分析方面，GIS技術(shù)主要作用是為水文模型輸入數(shù)據(jù)作好充分準(zhǔn)備，為地下水模型的有限元格網(wǎng)設(shè)計(jì)、模擬結(jié)果的可視化分析和最后結(jié)果的輸出提供科學(xué)依據(jù)［4］。

2.6防洪預(yù)警及洪水預(yù)報(bào)管理方面的運(yùn)用

將GIS技術(shù)和實(shí)時(shí)水雨情信息數(shù)據(jù)庫有機(jī)聯(lián)接，并將此技術(shù)與圖像處理、航空攝影和遙感等技術(shù)相銜接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道和水庫的水位、遙測(cè)站運(yùn)行故障等實(shí)時(shí)水情在電子地圖上及時(shí)報(bào)警。同時(shí)也可以運(yùn)用GIS技術(shù)與水文和水力學(xué)模型相結(jié)合來預(yù)測(cè)洪水淹沒范圍。如當(dāng)某水庫水位超出定義的不同等級(jí)水位時(shí)，那么電子地圖上相應(yīng)的水庫立即變化相對(duì)應(yīng)等級(jí)的顏色，并報(bào)警；同時(shí)可以根據(jù)自身的需求和地理?xiàng)l件設(shè)置報(bào)警方式，如：手機(jī)短信報(bào)警、聲音報(bào)警等。在洪水預(yù)報(bào)管理方面，可以通過利用GIS空間分析擴(kuò)展模板來剖析流域地形特征，獲取相關(guān)數(shù)值，此數(shù)值將會(huì)作為地表徑流模型的輸入?yún)?shù)。將此模型的計(jì)算結(jié)果與河道斷面信息結(jié)合，運(yùn)用到水力模型中，就能預(yù)測(cè)該區(qū)域的水深。并將此水深輸入到GIS中，就能預(yù)測(cè)出洪水淹沒范圍。再根據(jù)其他專題圖和淹沒范圍圖進(jìn)行整理分析，從而推測(cè)出洪水可能造成的影響，便于采取預(yù)防措施。

3　結(jié)語

在水文水資源的運(yùn)用中，GIS為水文水資源的開采、運(yùn)用和保護(hù)提供了科學(xué)、合理、有效的依據(jù)。GIS地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用為水文水資源應(yīng)用科學(xué)的起到了推動(dòng)作用。

［1］梁永萬.GIS在水文水資源研究領(lǐng)域中的應(yīng)用分析［J］.信息技術(shù)，2012（22）：125.

［2］趙娟.GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.吉林水利，2014（10）：46.

［3］王華月.基于GIS技術(shù)的水文水資源應(yīng)用研究［J］.氣象水文海洋儀器，2014（4）：27.

［4］王宏彥，崔麗潔.GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.東北水利水電，2002（10）：38.