淺談GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用

(四川省雅安水文水資源勘測(cè)局，四川 雅安，625000)

引言

由于我國(guó)的區(qū)域氣候特點(diǎn)與自然地理要素之間有著明顯的差異，導(dǎo)致水資源分布失衡，因此，合理進(jìn)行水資源信息化管理對(duì)人類與自然和諧相處具有重要意義。水文工作的基本資料就是水文數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)意義上的水分?jǐn)?shù)據(jù)一般是通過(guò)文字、表格的形式裝訂成冊(cè)進(jìn)行保存管理，但這樣的管理模式給水文數(shù)據(jù)收集、應(yīng)用、處理帶來(lái)了諸多問(wèn)題，比如數(shù)據(jù)信息處理繁瑣、采集的信息量龐大以及數(shù)據(jù)類型錯(cuò)綜復(fù)雜等[1]。這些問(wèn)題的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響水文工作的進(jìn)展，可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)數(shù)據(jù)回饋的內(nèi)容不準(zhǔn)確，以及工作效率下降。

地理信息系統(tǒng)[2]是基于計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備的支持下形成的空間信息系統(tǒng)，同時(shí)也是當(dāng)今信息技術(shù)包含的一項(xiàng)重要內(nèi)容。利用計(jì)算機(jī)分析和解決一部分地理空間生成的信息同時(shí)采用可視化的方式輸出，進(jìn)而為決策者和管理者提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[3]，這是GIS技術(shù)的核心內(nèi)容。因此，在水文水資源領(lǐng)域使用GIS技術(shù)，收集海量水文數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)、分析、處理和顯示這些數(shù)據(jù)，從而為水文水資源規(guī)劃管理、水資源保護(hù)、水文地質(zhì)調(diào)查、水文模型構(gòu)建和防洪減災(zāi)等提供高效準(zhǔn)確的決策依據(jù)和技術(shù)支持。

1 GIS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

加拿大Roger F.Tomlinson科學(xué)家在1963年第一次創(chuàng)建了適用于自然資源規(guī)劃與管理的地理信息系統(tǒng)；在1969年，成立了第一個(gè)環(huán)境研究機(jī)構(gòu)(ESRI)，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，該機(jī)構(gòu)發(fā)展成了全球性的GIS技術(shù)供給商。20世紀(jì)70年代以后，國(guó)外許多國(guó)家陸續(xù)把GIS技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)方面，比如美國(guó)的地質(zhì)勘查機(jī)構(gòu)研發(fā)出典型的地理信息編制；法國(guó)則建設(shè)了地理數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和深層地球物理信息編制；1974年，日本成立了地理調(diào)研機(jī)構(gòu)，研發(fā)出數(shù)字地面信息編制。從20世紀(jì)80年代至今，伴隨著計(jì)算機(jī)在價(jià)格上的下調(diào)，計(jì)算機(jī)技術(shù)便被深入推廣和使用，在圖形存儲(chǔ)設(shè)備、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，GIS技術(shù)也不斷更新?lián)Q代，對(duì)人們的生產(chǎn)、生活都產(chǎn)生了巨大影響。

與其他國(guó)家相比，我國(guó)GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的時(shí)間雖然比較晚，但發(fā)展速度十分迅猛。經(jīng)過(guò)中國(guó)科學(xué)院遙感所的細(xì)心專研，全國(guó)第一個(gè)GIS研究室[4]在1980年正式成立；與此同時(shí)，遙感所的專家們還對(duì)“數(shù)字地球原型”取得了一定的研究成果；經(jīng)過(guò)30多年的不懈努力，中國(guó)地理研究學(xué)能力有了很高的提升，陸續(xù)研發(fā)出各種GIS軟件，比如北京大學(xué)的Superstar、北京超圖的SuperMap、武漢測(cè)繪科技大學(xué)GIS研究中心的GeoStar以及武漢中地的MapGIS等等。現(xiàn)如今GIS正朝著產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，二維GIS、三維GIS、移動(dòng)GIS、WebGIS、組件式GIS的推廣和使用給人們的生產(chǎn)和生活都帶來(lái)了很大便捷。相信在不久的將來(lái)，GIS技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣，同時(shí)智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化將會(huì)成為其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 GIS在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，在一定程度上也拓展和深化了GIS在水資源與水文領(lǐng)域的使用范圍，使GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域能夠充足地發(fā)揮出對(duì)空間數(shù)據(jù)采集、分析、處理、存儲(chǔ)以及可視化的功能。

2.1 GIS在水資源規(guī)劃管理方面的應(yīng)用

科學(xué)合理地利用和分配水資源是非常重要的。目前，我國(guó)的水資源十分匱乏，已對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。使用GIS可以勘察和管理區(qū)域內(nèi)地下水儲(chǔ)水層的開(kāi)采程度、空間分布狀況以及地質(zhì)構(gòu)造；與此同時(shí)，GIS能夠靈活地整合水資源的各種動(dòng)態(tài)信息，利用GIS搭建與水資源有關(guān)的系統(tǒng)平臺(tái)，比如河道防汛體系、區(qū)域水資源策劃監(jiān)管體系等，采用這些系統(tǒng)可以使水資源監(jiān)管和計(jì)劃更加科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

關(guān)于GIS在水資源規(guī)劃管理方面的研究及應(yīng)用，WenMing Zhang[5]等人提出了基于網(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)的原型應(yīng)用于區(qū)域水資源的規(guī)劃和管理，是GIS、DSS和WEB技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠方便決策人員與管理人員加強(qiáng)區(qū)域水資源的計(jì)劃和監(jiān)管，從而強(qiáng)化用水方式，不僅能夠滿足與獲取利益有關(guān)的人的需求，同時(shí)水資源還能得到保護(hù)。A.V.Suresh Babu[6]等人使用GIS等一系列空間信息技術(shù)分析出灌溉性能的標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)測(cè)灌溉基礎(chǔ)設(shè)施的搭建，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)水資源、灌溉基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)管。Sami Khemiri[7]等人利用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)對(duì)突尼斯中部地區(qū)卡塞林西部的含水層展開(kāi)脆弱性評(píng)價(jià)，為研究區(qū)域地下水管理和可持續(xù)土地利用提供了科學(xué)合理的依據(jù)。

2.2 GIS在區(qū)域水資源保護(hù)方面的應(yīng)用

在現(xiàn)實(shí)生活中，把自然災(zāi)害與人類活動(dòng)對(duì)某個(gè)流域水資源生態(tài)環(huán)境造成的影響虛擬化地呈現(xiàn)出來(lái)使用的就是GIS技術(shù)，不僅如此，該技術(shù)還能分析出時(shí)間流逝后某水域水資源發(fā)生變化的趨勢(shì)[8]。通過(guò)知曉某個(gè)區(qū)域的事故發(fā)生地、周?chē)h(huán)境受到污染的范圍、排放程度以及污染源排放物質(zhì)等有關(guān)信息后，倘若該區(qū)域發(fā)生水污染事件，就可以利用GIS技術(shù)根據(jù)虛擬勘測(cè)污染源的狀態(tài)及時(shí)分析出受其影響的范圍，其不僅有助于保護(hù)水資源的生態(tài)環(huán)境[9]，還給管理人員提供了決策依據(jù)與技術(shù)支持。

Xie Hualin[10]等人參照GIS搭建了生態(tài)空間特殊的識(shí)別方式，提出了生態(tài)空間重要性的綜合指標(biāo)，同時(shí)把蘭州市作為例子論證其為生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)安全以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供了相關(guān)的理論指導(dǎo)。

Simon Nadeau[11]等人利用魁北克某地區(qū)勘測(cè)到的三個(gè)地貌參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)含水層潛力，同時(shí)分析出開(kāi)采砂石的方法，為地下水資源的監(jiān)管提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

Donglin Dong[12]等人把天津市作為案例，在分析水豐度、開(kāi)采度等影響因素后，結(jié)合GIS技術(shù)采用層次研究方案把風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分類，并實(shí)施了開(kāi)采地下水參照其風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展全面的評(píng)測(cè)，這也是維護(hù)地下水資源的工具。

2.3 GIS在防洪減災(zāi)方面的應(yīng)用

近年來(lái)，GIS在防洪減災(zāi)中也得到了廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在防洪決策支持系統(tǒng)或信息管理系統(tǒng)的平臺(tái)、洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與區(qū)劃、災(zāi)情評(píng)估、城市防洪等4個(gè)方面。其手段主要是利用洪水演進(jìn)的真實(shí)數(shù)據(jù)分析洪水情況，同時(shí)采用GIS技術(shù)開(kāi)展災(zāi)情數(shù)據(jù)的提取與分析、洪水的危險(xiǎn)性評(píng)估、災(zāi)后重建等，最大程度上降低洪水災(zāi)害導(dǎo)致的人員、物資消耗，是開(kāi)展防洪指導(dǎo)決策強(qiáng)有力的輔助工具[8]。此外，還可以建設(shè)暴雨分布預(yù)警、險(xiǎn)情自動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)、防洪指揮系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在一定程度上會(huì)推進(jìn)提高防汛工作自動(dòng)化的進(jìn)程。

Pathak[13]等人采用GIS和遙感技術(shù)分析出伴隨時(shí)間的改變某種特殊災(zāi)害的表現(xiàn)形式，同時(shí)在預(yù)防、救援以及重建等災(zāi)害管理各個(gè)階段都采用了這種技術(shù)。不僅如此，它還是有效管理災(zāi)害的重要工具。

Guangming Yu[14]等人在地理信息系統(tǒng)和遙感的支撐下建設(shè)了LFBC模型，這種模型結(jié)合極端洪水的發(fā)生概率，在一定程度上可以用來(lái)防治區(qū)域?yàn)?zāi)害和減災(zāi)對(duì)策、洪災(zāi)損失評(píng)估以及區(qū)域發(fā)展規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

JunPing Liu[15]以Kaomen海堤為例，分析出基于GIS的海事方面的信息管理系統(tǒng)，在抗洪減災(zāi)的過(guò)程中發(fā)揮了不可替代的作用，滿足海事工作信息化管理的要求。

2.4 GIS在水資源監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用

GIS把現(xiàn)實(shí)、遙感與虛擬技術(shù)等其他的新型技術(shù)相互結(jié)合，在使用計(jì)算機(jī)的過(guò)程中可以把生態(tài)環(huán)境、土壤植被的分布狀況、氣象水文水資源空間分布等相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬化的形式展現(xiàn)出來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)地表水資源有一個(gè)合理的評(píng)價(jià)，同時(shí)給地下水資源的合理開(kāi)發(fā)與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[16]。GIS在水資源勘測(cè)評(píng)價(jià)方面應(yīng)用范圍十分廣泛，比如河海大學(xué)毛新偉開(kāi)展了水文資源勘測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)的應(yīng)用研究，謝碧云等人進(jìn)行了長(zhǎng)江流域水資源勘測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)研究。

在國(guó)外，Norsaliza Usali等人[17]探討了地理理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)在勘測(cè)水質(zhì)參數(shù)如懸浮物、溶解有機(jī)物、浮游植物、濁度等方面的應(yīng)用，是政府在制訂與水質(zhì)有關(guān)政策時(shí)使用的重要工具。Mohamed O等人[18]使用ArcGIS和ERDAS Imagine軟件規(guī)劃出了伊斯梅利亞地區(qū)地下水潛在風(fēng)險(xiǎn)圖，該圖可用于評(píng)估地下水對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和家庭污染的脆弱性，以及檢測(cè)地下水資源可能會(huì)受到的污染。Ajay Singh等人[19]利用GIS技術(shù)與遙感技術(shù)在評(píng)估和監(jiān)測(cè)土壤鹽堿化區(qū)域提供了一個(gè)良好的選擇，以及在灌溉農(nóng)業(yè)水資源問(wèn)題管理中的作用。

2.5 GIS在水文模擬方面的應(yīng)用

近年來(lái)，GIS技術(shù)在降雨——徑流分析模型模擬、水沙數(shù)值模擬、地下水資源計(jì)算與分析模型、河道演變模擬、數(shù)值模擬模型、地下水和土壤水模擬、水污染過(guò)程模擬、水質(zhì)與生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)模型和洪水模擬等多個(gè)方面的研究取得了較大進(jìn)展。GIS把相關(guān)流域數(shù)據(jù)與原有的水文模型有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而模擬出虛擬的現(xiàn)實(shí)流域，可應(yīng)用于降雨徑流時(shí)空變化、洪水預(yù)報(bào)、水庫(kù)規(guī)劃、產(chǎn)匯流計(jì)算等多個(gè)方面。

A.A Devendran[20]提出，由于現(xiàn)實(shí)世界里地表特征是實(shí)時(shí)變化著的，怎樣才能分析出它們發(fā)生改變的來(lái)源以及它們基于GIS的變現(xiàn)中的操作形式尤為關(guān)鍵，比如運(yùn)用泛義上類似卻不能肯定的評(píng)估手段解決掉因使用SWAT模型似的水文模型存在的不穩(wěn)定性。在W.C.Zhang[21]的文章中涉及到在網(wǎng)絡(luò)自行形成的地理空間流域評(píng)測(cè)GIS系統(tǒng)可以自行轉(zhuǎn)換有關(guān)數(shù)據(jù)的程序，其中主要涵蓋了在流域站點(diǎn)收集到的水文和氣象數(shù)據(jù)資料、遙感數(shù)據(jù)、水文氣象站地理位置數(shù)字地圖以及土地的使用或覆蓋情況，在這個(gè)基礎(chǔ)上為了便于用戶理解，該成果還會(huì)提供一個(gè)可視化的工具。M.Varga等人[22]在使用GIS方法上講述了在操作過(guò)程中對(duì)農(nóng)村流域的模擬仿真的動(dòng)態(tài)過(guò)程模型，并利用這個(gè)模型在匈牙利巴拉頓湖某流域的盆地進(jìn)行檢驗(yàn)，在支持對(duì)不同類型土地使用情況開(kāi)展研究的同時(shí)，還可以將環(huán)境因素考慮的很全面。

3 GIS在水文水資源領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢(shì)

GIS技術(shù)是一個(gè)綜合環(huán)境下的數(shù)據(jù)平臺(tái)，同時(shí)其還是針對(duì)于不同區(qū)域的信息資源和信息技術(shù)展開(kāi)調(diào)解的目標(biāo)技術(shù)?，F(xiàn)如今，GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)由多種功能、多個(gè)層次與多樣化的目標(biāo)相互融合形成的空間決策支撐體系以及創(chuàng)建評(píng)估模型。該技術(shù)應(yīng)用于水文資源領(lǐng)域的功能也在實(shí)時(shí)更新。

3.1 空間決策支持系統(tǒng)是GIS應(yīng)用的重要分支

GIS的新型系統(tǒng)與常規(guī)決策支持系統(tǒng)上誕生出來(lái)的系統(tǒng)則是空間決策支持系統(tǒng)(SDSS)，從近些年的發(fā)展來(lái)看，其發(fā)展前景十分廣闊。現(xiàn)如今，GIS技術(shù)在空間數(shù)據(jù)的分析與監(jiān)管上表現(xiàn)都很良好，但同時(shí)，該系統(tǒng)本身缺乏針對(duì)繁瑣對(duì)象空間解決能力的問(wèn)題也呈現(xiàn)出來(lái)，比如：功能分區(qū)、區(qū)域規(guī)劃等問(wèn)題的決策能力，該應(yīng)用對(duì)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要存在一定的困難。所以，在空間決策支持系統(tǒng)方面使用GIS技術(shù)還有很大的提升空間。

3.2 GIS是數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展的重要手段

現(xiàn)如今大部分主流GIS應(yīng)用軟件都是把數(shù)據(jù)庫(kù)作為核心內(nèi)容，同時(shí)把應(yīng)用模型和模型管理技術(shù)以及應(yīng)用模型同GIS技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，這種研究將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。這些復(fù)雜繁瑣的應(yīng)用模型將能夠給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有價(jià)值的信息，可以推進(jìn)GIS技術(shù)漸漸發(fā)展成高效精準(zhǔn)的決策支持體系。

3.3 多維GIS技術(shù)是在水資源領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展方向

最近幾年，三維GIS在研究水資源方面逐漸變成了熱點(diǎn)的專研項(xiàng)目，但由于礦山和地下水文等真實(shí)的三維現(xiàn)象，很多的GIS軟件都不能對(duì)其開(kāi)展合理化的分析，只有SGM系統(tǒng)和IVM系統(tǒng)等極少數(shù)的GIS軟件可以對(duì)真三維現(xiàn)象開(kāi)展分析，但在幾何建模與功能分析上仍存在著一定程度上的缺陷。因此，三維GIS技術(shù)的發(fā)展具有廣闊的應(yīng)用前景。

在開(kāi)展水資源研究時(shí)，著重分析某一時(shí)間的水文地質(zhì)情況，即把時(shí)間序列補(bǔ)充在三維上，將會(huì)產(chǎn)生四維GIS，其對(duì)暴雨、水災(zāi)、地震、泥石流和滑坡等自然災(zāi)害都具有十分重要的意義。只有將三維模型與獲取時(shí)間序列數(shù)據(jù)的能力有機(jī)結(jié)合，才能最大程度上滿足社會(huì)發(fā)展的需要，在三維GIS發(fā)展成熟的基礎(chǔ)上，才能更加完善四維GIS的建設(shè)。

3.4 人工智能化的GIS技術(shù)是構(gòu)建智慧水文的重要技術(shù)支撐

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)飛速發(fā)展，水資源監(jiān)控、水利普查、防汛抗旱、水利建設(shè)等為水利行業(yè)存儲(chǔ)了大量的數(shù)據(jù)資源，水利大數(shù)據(jù)正一步步向我們走來(lái)。如何合理地監(jiān)管這些海量的數(shù)據(jù)資源，充分挖掘數(shù)據(jù)中隱藏的信息，給水利建設(shè)提供參照和支持，這將是非常有意義的事情。

在“智慧水文”建設(shè)的框架下，需要以GIS為核心的“智慧采集”技術(shù)，“智慧分析”技術(shù)和“智慧顯示”技術(shù)作為重要技術(shù)支撐，構(gòu)建智慧水利“一張圖”，形成水文信息共享與服務(wù)的統(tǒng)一門(mén)戶，進(jìn)一步提升水文整體服務(wù)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今時(shí)代在信息技術(shù)快速發(fā)展的大環(huán)境下，GIS技術(shù)也得到了一定程度上的發(fā)展，其功能將更加強(qiáng)大、應(yīng)用空間也會(huì)更加廣泛，同時(shí)GIS技術(shù)在水資源管理與專研中實(shí)際應(yīng)用的成效將更顯著。創(chuàng)建一種GIS與水資源綜合性較強(qiáng)的信息系統(tǒng)是一件非常困難的事情。GIS技術(shù)不僅在水資源合理利用中的作用很顯著，還在對(duì)水資源展開(kāi)管理與專研領(lǐng)域的發(fā)展具有必不可少的推動(dòng)性作用。同時(shí)，水資源領(lǐng)域的專研與監(jiān)管對(duì)GIS技術(shù)方面的需求具有明顯的推動(dòng)作用。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)需求的不斷改變，越來(lái)越多的人都能意識(shí)到地理信息系統(tǒng)與水資源科學(xué)是一個(gè)十分關(guān)鍵的且持續(xù)發(fā)展的概念，它們所蘊(yùn)含的意義也將隨之發(fā)生改變。

水文是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)重要的公益性事業(yè)，是水利建設(shè)的“尖兵”，防汛抗旱的“耳目”，新時(shí)代對(duì)水文的發(fā)展提出更豐富的業(yè)務(wù)要求，賦予水文更多樣化的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、預(yù)報(bào)責(zé)任。因勢(shì)而謀，瞬時(shí)而為，在科技發(fā)展如此迅速的今天，以政府、公眾需求為導(dǎo)向，將GIS、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)水文有機(jī)結(jié)合，無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)水文對(duì)內(nèi)對(duì)外的資源共享和智能化應(yīng)用，加快調(diào)優(yōu)水文服務(wù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，調(diào)精水文服務(wù)品質(zhì)結(jié)構(gòu)，不斷探索需求牽引、科技引領(lǐng)的“智慧水文”應(yīng)用服務(wù)新模式。