流域水文模型和GIS集成技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望

王辰鵬

摘 要：目前，流域式水文模型成為了水文重點關(guān)注的熱點，而現(xiàn)在也研發(fā)出了一項新技術(shù)—GIS集成技術(shù)，它是解決跨平臺、跨地域的遠近程數(shù)據(jù)與系統(tǒng)相互操作的技術(shù)手段。本文將該兩項技術(shù)結(jié)合起來，分析了流域水文模型的研究現(xiàn)狀，并論述了這類模型在GIS集成技術(shù)操作下的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：流域水文模型；GIS集成技術(shù)；技術(shù)手段

1 流域水文模型和GIS集成技術(shù)的應(yīng)用前提

流域水文模型，簡單的來說就是通過數(shù)學(xué)的計算方式去解釋并模擬重現(xiàn)水文循環(huán)的過程，通過數(shù)學(xué)函數(shù)對水文模式構(gòu)造一種數(shù)學(xué)物理模型。目前水文現(xiàn)象存在許多的問題沒有解決，GIS集成技術(shù)能夠?qū)ο嚓P(guān)的信息進行獲取，存儲和操作等，在一定程度上能解決水文的問題。

2 流域水文模型和GIS集成技術(shù)的探討背景

2.1 流域水文模型的概念

這是一個對水文流域進行模擬的數(shù)學(xué)模型，簡單的來說，就是利用了數(shù)學(xué)方法對水循環(huán)過程進行模擬。與此同時，流域水文模型生成流量過程線以及徑流系列。例如對水文的計算，可以在計算機的輔助下，對徑流進行模擬，從而生成日、月、年流量；水文預(yù)報可以進行實時預(yù)報，在國內(nèi)外，其功能是使用最多的。對人類活動產(chǎn)生的影響進行估計也是其中功能之一，可以通過活動變化來適當(dāng)?shù)母淖兯哪Ｐ汀Ｗ詈笏€能對水質(zhì)的各種因素進行計算，從而對水質(zhì)進行控制。

2.2 GIS集成技術(shù)概述

GIS集成技術(shù)擁有強大地空間數(shù)據(jù)和管理能力，是流域水文模型進行數(shù)據(jù)管理和處理的重要基礎(chǔ)。所以當(dāng)把流域水文模型和GIS集成技術(shù)結(jié)合起來時，流域水文模型的管理就更上了一層樓。但是在目前，將兩者很好的結(jié)合起來也是個不小的挑戰(zhàn)，甚至有時候會對資源造成不必要的浪費。流域水文模型的功能其實可以看作是一個服務(wù)性的功能，這恰巧跟GIS集成技術(shù)的計算服務(wù)宗旨相一致。現(xiàn)在就是需要相關(guān)研究人員充分利用GIS集成技術(shù)的優(yōu)勢，使流域水文模型更好的發(fā)展，從而更好的激發(fā)出流域水文模型的應(yīng)用和管理潛力。

3 流域水文模型和GIS集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 流域水文模型目前發(fā)展中的問題

流域水文方面一直是比較復(fù)雜的，即使現(xiàn)在科技發(fā)展如此先進，但是人們還是不能通過數(shù)學(xué)物理對其中的每個過程進行嚴格的描述。所以，在目前，很多流域水文模型都是很依賴傳統(tǒng)的經(jīng)典函數(shù)關(guān)系描述。但是這樣就會出現(xiàn)水文模型包含的許多參數(shù)都沒有具體的物理意義，對所求的數(shù)據(jù)有了一定的經(jīng)驗籠統(tǒng)性。

目前，就算流域水文模型與計算機技術(shù)發(fā)展不可分割，但是計算機系統(tǒng)總是以離散凡是僅從模擬流域徑流的處理。雖然有效的計算方法很重要，但是流域匯流過程是一個連續(xù)的過程，即使是在數(shù)學(xué)模型的模擬下，還是會帶來很多的離散誤差。而且計算機的數(shù)字位數(shù)總量有限，這必然也會或多或少帶來很多誤差。當(dāng)誤差很嚴重時，會出現(xiàn)背離物理圖景的計算結(jié)果。

3.2 流域水文模擬理論上的發(fā)展現(xiàn)狀

目前的水文模型發(fā)展算是比較的成熟的，也對一些經(jīng)典的模型的進行了廣泛的應(yīng)用，但是很多的特殊地區(qū)，還是缺乏了相應(yīng)的模擬模型。大多數(shù)水文模型大多數(shù)是根據(jù)水文地質(zhì)的條件來進行的模擬。

例如，大多數(shù)巖溶地下水都是通過大氣降水來補給。因此水文模型就會采取灌入性的補給，或者滲入型的補給。但是巖溶地下水的變化比較迅速，而且反應(yīng)時間也會滯后，所以往往會出現(xiàn)流域水量的峰值時間比真正降水的時候要延后。并且，巖溶地下水的介質(zhì)有多重性的特點，管道流和裂隙流是并存的。因此，面對巖溶地區(qū)如此復(fù)雜的水文現(xiàn)象，對目前的水文模型來說，大部分水文模型只能考慮那些地區(qū)的滲透和地下徑流的問題。而對巖溶地區(qū)的水文規(guī)律進行如實的反應(yīng)目前還是很困難的。

4 流域水文模型和GIS集成技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用

4.1 GIS概述

它是通過系統(tǒng)和科學(xué)的理論，對相關(guān)的地理數(shù)據(jù)進行綜合的處理和分析。也是為相關(guān)的技術(shù)人員提供了他們所需的合理并且全面的數(shù)據(jù)。GIS集成技術(shù)在流域水文模型領(lǐng)域主要是對與模型相關(guān)的空間數(shù)據(jù)或優(yōu)秀成果進行獲取信息，操作和展示，借助GIS集成系統(tǒng)可以提取流域的墊面特征，水系等基本特征，并且進行網(wǎng)格化劃分或者是子流域化的劃分。這樣能使傳統(tǒng)的概念性和流域水文模型融合起來，對流域水文模型的基本數(shù)據(jù)信息進行分析和管理。

4.2 GIS在流域水文模型方面的應(yīng)用

在當(dāng)前的研究成果來看，流域水文模型與GIS集成技術(shù)的結(jié)合方式主要分為這三種：

4.2.1 GIS集成技術(shù)中嵌入水文模型

目前流行的水文流域模型軟件多基于Windows平臺，可視化程度較高。但是，這種方式的集成其空間數(shù)據(jù)處理分析功能有限，還需要借助其他GIS工具軟件實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的輸入和前處理。

4.2.2 流域水文模型中嵌入GIS集成技術(shù)

目前流行的部分GIS平臺嵌入了專業(yè)應(yīng)用模塊，方便了用戶直接應(yīng)用于專門流域的開發(fā)。

4.2.3 兩個相互進行嵌套的模式

目前這種模式是通過各種工具軟件，將二者連接起來，開發(fā)數(shù)據(jù)接口程序，通過共享數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件交換的方式進行連接。通過GIS提供的宏語言或二次開發(fā)4GL高級語言，將水流數(shù)值模擬模型和GIS緊密連接的方式。一般情況下，GIS在后臺運行，但模擬模型可充分利用GIS的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)處理功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)水流動態(tài)的實時模擬和演示。

在應(yīng)用上，GIS集成技術(shù)主要是對水文流域的空間信息進行有效的管理。在氣候和地理要素空間方面，它們這些氣象地理因素，如氣溫、降水、濕度等，通常都市利用GIS集成技術(shù)的空間技術(shù)進行觀測的。因此，近來GIS集成系統(tǒng)對多站點的降水?dāng)?shù)據(jù)進行空間技術(shù)的內(nèi)插也引起了流域水文模型的重點關(guān)注。

地形也是控制流域水文模型的重要因素之一，所以GIS集成技術(shù)為了對其進行更好的分析，設(shè)立了以DEM為基礎(chǔ)的數(shù)字地形分析。它能夠確定水源單位的水流方向，流域邊界和河網(wǎng)水系以及河流比降等一系列的地質(zhì)參數(shù)。從而能獲得水文流域的空間信息和數(shù)字化信息。但是雖然國內(nèi)外以及做了大量的研究，但是能夠?qū)ζ淞饔蚩臻g特征信息進行準(zhǔn)確獲取，恐怕還需要很大的努力。但是不管怎樣，以DEM為基礎(chǔ)的數(shù)字地形分析系統(tǒng)還是在越來越完善的過程中。GIS集成技術(shù)還對水文模擬單位進行劃分，并采用了目前較為成熟的FLUEL模式，利用GIS集成技術(shù)來進行較為深入的研究，雖然目前與HRU劃分的標(biāo)準(zhǔn)有較大的差異，存在著很多的不確定性，但是隨著FLUEL模式的快速興起，這樣的問題很快就會被解決。

5 結(jié)論與展望

流域水文模型一直是我國比較重要的水文處理模式，雖然目前廣泛存在的水文模型絕大多數(shù)都仍然處于概念性的狀態(tài)，它們具備一定的物理基礎(chǔ)，對模型的適用性也很強，對水文模擬的發(fā)展起到了很大的作用。但是隨著各種生態(tài)水文，人類活動和氣候等因素的快速變化，水文流域也因此有了很大的變化。因此流域水文模型的問題就缺乏及時的解決方案，希望研究人員能進行進一步的完善。

流域水文模型與GIS集成技術(shù)相互嵌套的模式應(yīng)用最為廣泛。常見的水利設(shè)施調(diào)度就是在這種模式應(yīng)用下實現(xiàn)的。不過，如今的水文信息采集傳感器種類較多，生成的文件格式千差萬別。這就導(dǎo)致很多技術(shù)相對區(qū)域化，不同地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)文件無法共用。這極大地影響了設(shè)施建設(shè)和水文模型的發(fā)展。所以在流域水文模型與GIS集成技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用的過程中，開放源代碼，統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)才是刻不容緩、急需解決的問題。

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