GIS 技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用

孟 瑩

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020）

近年來，水文水資源研究的范圍和內(nèi)容已在一定程度上得到了廣泛擴(kuò)展，傳統(tǒng)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。引入GIS 技術(shù)首先具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于GIS 具有信息處理、分析和預(yù)測(cè)能力、決策參考等優(yōu)點(diǎn)，因此在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用GIS技術(shù)，其可以提供有關(guān)信息和數(shù)據(jù)給水文水資源的研究，以及對(duì)提升資源管理水平確實(shí)非常重要。

1 G1S技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.1 GIS 技術(shù)在水文情報(bào)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

GIS 技術(shù)在水文信息預(yù)測(cè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①建立水文模型。這是因?yàn)镚IS 技術(shù)可以提供更詳細(xì)的有關(guān)空間分布的地理數(shù)據(jù)信息。這樣，流域可以被細(xì)分為幾個(gè)不規(guī)則的單元，這些單元可以解釋降水的不均勻分布和空間中的其他因素（如降雨等），這為水文建模提供了基礎(chǔ)。②提供信息。水文信息預(yù)測(cè)系統(tǒng)主要基于數(shù)字電子地圖，而GIS 技術(shù)使查詢和檢索各種水文信息變得容易。③DEM。它是一種數(shù)字高程模型，可以與水力學(xué)模型結(jié)合使用，也可以計(jì)算流域的匯合度。該模型最顯著的特點(diǎn)是可以快速、客觀和準(zhǔn)確地分析和評(píng)估災(zāi)難。

1.2 對(duì)水資源的開發(fā)與管理

1.2.1 對(duì)水資源的開發(fā)

在調(diào)查地表水資源的空間分布時(shí)，水文部門通常使用GIS技術(shù)，可用于更準(zhǔn)確、更有效地調(diào)查地表水資源。此外，不僅可以有效地調(diào)查地表水，還可以調(diào)查地下水。GIS 技術(shù)可以科學(xué)地分析采礦中的大量地下水，并充分保護(hù)地下水資源。

1.2.2 在水資源管理方面的應(yīng)用

首先，使用GIS 技術(shù)以電子地圖的形式進(jìn)一步細(xì)分現(xiàn)有的城市區(qū)域，以獲取客觀可靠的水資源管理信息，并加強(qiáng)對(duì)水資源管理的準(zhǔn)確監(jiān)控。然后使用遙感數(shù)據(jù)庫表格將收集到的信息與基本地面數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，應(yīng)用特定的監(jiān)視技術(shù)來監(jiān)視數(shù)據(jù)，并使水資源信息盡可能合理和準(zhǔn)確，然后進(jìn)一步改進(jìn)水資源管理。

1.3 在水文資源空間管理與決策方面的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支持離不開水文資源的空間管理和決策，主要原因是使用GIS 技術(shù)生成的空間數(shù)據(jù)庫對(duì)于系統(tǒng)至關(guān)重要，并且是全面分析水文決策的參考依據(jù)。水文決策需要基于準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以確保決策是完整和科學(xué)的。除了提高水資源管理水平之外，還要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)具有水資源文獻(xiàn)和水資源特征的數(shù)據(jù)庫，最重要的是要根據(jù)水資源的時(shí)空分布進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，建立相關(guān)的決策支持系統(tǒng)，進(jìn)一步完善水資源管理功能。近年來，基于GIS 技術(shù)和常規(guī)決策技術(shù)而開發(fā)的決策支持系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合中國自然災(zāi)害的特點(diǎn)，增加對(duì)這種新型決策系統(tǒng)的投資實(shí)際上擁有至關(guān)重要的意義。

1.4 水資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃應(yīng)用

水資源評(píng)估和計(jì)劃應(yīng)用中最顯著的特征是可獲得廣泛的空間信息，包括測(cè)量的水文數(shù)據(jù)、地形以及水文站的斷面位置等。GIS 技術(shù)支持許多操作，例如實(shí)時(shí)收集和管理所有上述數(shù)據(jù)等。這簡化了許多手動(dòng)操作，避免了手動(dòng)錯(cuò)誤，并提高了工作效率。水資源評(píng)估允許使用GIS 技術(shù)創(chuàng)建評(píng)估模型，該模型包含由各種影響因素組成的主題圖層。基于GIS 技術(shù)對(duì)圖層的有效處理，可以將處理后的數(shù)據(jù)用于合理化地進(jìn)行水資源評(píng)估和規(guī)劃。

1.5 生態(tài)用水量計(jì)算中的應(yīng)用

所謂的生態(tài)用水量也稱為生態(tài)需水量或由于生態(tài)環(huán)境而用水量。隨著生態(tài)環(huán)境逐漸惡化而產(chǎn)生，這是一個(gè)新概念。從廣義上講，生態(tài)用水必須保持全球生態(tài)系統(tǒng)的水平衡，實(shí)際所需要的水量，例如河流、沼澤等維持其獨(dú)特功能所需的水量。當(dāng)前，生態(tài)用水是水文水資源領(lǐng)域的主要研究主題之一。使用GIS 將環(huán)境調(diào)查結(jié)果與相關(guān)數(shù)據(jù)集成在一起，可以為環(huán)境評(píng)估、管理控制和其他應(yīng)用研究提供詳細(xì)的特定數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用地理信息系統(tǒng)按區(qū)域獲取不同類型的土地被覆蓋植被的面積，并結(jié)合生態(tài)用水量計(jì)算模型，可以對(duì)生態(tài)耗水量進(jìn)行準(zhǔn)確定量。

1.6 水污染控制規(guī)劃

在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也導(dǎo)致了水資源的污染，進(jìn)入了以治理為主流的歐美發(fā)展的老道路。水污染嚴(yán)重影響了我國人民的生活、健康和安全。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展，才遭受了水污染。因此，水環(huán)境的合理管理目前是我國的可持續(xù)發(fā)展的重要部分。為了更好地保護(hù)水環(huán)境，有必要制定水污染防治計(jì)劃。適當(dāng)規(guī)劃水污染的主要任務(wù)是確保全面控制。

水污染控制計(jì)劃是地域環(huán)境計(jì)劃的重要組成部分之一，正確規(guī)劃水污染控制最重要的是適當(dāng)?shù)目傮w管理。在規(guī)劃水污染控制時(shí)，使用地圖作為存儲(chǔ)方法，包括按水域功能單位劃分的水質(zhì)分布以及區(qū)域內(nèi)城市下水道網(wǎng)絡(luò)的分布都?xì)w到存儲(chǔ)范圍。兼容的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)形式將以國家經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及污染物的數(shù)量和類型進(jìn)行儲(chǔ)存。

1.7 在水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)在水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用體現(xiàn)在三個(gè)方面：再開發(fā)、自主開發(fā)和綜合再開發(fā)。其中，獨(dú)立開發(fā)并沒有那么復(fù)雜，不使用GIS 技術(shù)也能進(jìn)行，但是集成二次開發(fā)依賴于GIS 技術(shù)對(duì)空間數(shù)據(jù)的處理。再開發(fā)主要利用GIS 技術(shù)，其比集成的二次開發(fā)要簡單一些。GIS技術(shù)在綜合性二次開采中的應(yīng)用優(yōu)化了信息的編輯、收集和獲取，提高了水利管理等計(jì)算能力，并為管道網(wǎng)絡(luò)制定了合理的建設(shè)計(jì)劃，提供了可靠的支持。

1.8 GIS 在流域水文模型中的應(yīng)用

正確使用GIS 技術(shù)可以開展流域水文模型有關(guān)的更多工作。流域內(nèi)的降水分布不均勻，技術(shù)員工可以利用此功能，使用DEM 技術(shù)細(xì)分成多個(gè)子流域，并使用TOPMODE 技術(shù)根據(jù)本地的地質(zhì)條件創(chuàng)建并完成產(chǎn)流和匯流過程的分布，虛擬徑流模型計(jì)算出準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。該技術(shù)充分利用了區(qū)域降水的布局特征，并將DEM 技術(shù)與TOPMODEL 結(jié)合在一起以細(xì)分區(qū)域降水模型項(xiàng)目，同時(shí)根據(jù)水庫汛期信息執(zhí)行更準(zhǔn)確的模型計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)。

1.9 GIS 在防洪減災(zāi)的應(yīng)用

我國頻繁發(fā)生的洪災(zāi)不僅危害到人們的生命，而且影響社會(huì)和經(jīng)濟(jì)增長。當(dāng)前，防洪和減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是最重要的問題之一。在應(yīng)用GIS 技術(shù)時(shí)必須謹(jǐn)慎，以有效提高防洪和減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的效率。當(dāng)今GIS 技術(shù)的應(yīng)用已廣泛用于管理平臺(tái)、災(zāi)難評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)分析和分區(qū)以及城市洪水管理中。GIS具有一個(gè)決策支持平臺(tái)，該平臺(tái)集成了相關(guān)的時(shí)間和空間數(shù)據(jù)，同時(shí)利用GIS 技術(shù)獨(dú)特的空間分析功能為洪水控制和救災(zāi)決策提供參考信息，使其決策的得出更可靠。從災(zāi)難評(píng)估的角度來看，主要依靠GIS 技術(shù)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理功能來集成不同類型的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上使用不同數(shù)據(jù)對(duì)自然災(zāi)害進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，為災(zāi)難數(shù)據(jù)提供了信息支持。對(duì)于災(zāi)難風(fēng)險(xiǎn)分析，相關(guān)員工需要使用建模技術(shù)來計(jì)算各種洪水的概率和強(qiáng)度，并使用GIS技術(shù)來分析洪水以確保結(jié)果有效。

2 地理信息系統(tǒng)（G1S）的概述以及缺點(diǎn)

2.1 GIS 的概述

地理信息系統(tǒng)（GIS）是地理信息研究中的一種通用計(jì)算機(jī)技術(shù)。它基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，收集、組織和分析不同類型的數(shù)據(jù)，為這些數(shù)據(jù)添加特定的空間含義，最后將它們轉(zhuǎn)換為研究所需的地理信息。最初，GIS 技術(shù)僅用于相關(guān)地理信息的研究，但近年來隨著GIS 在其他研究領(lǐng)域的成功應(yīng)用，中國已開始將該技術(shù)整合到水文資源研究中。地理信息系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)水文監(jiān)測(cè)與管理中的各種問題，其不僅為研究人員進(jìn)一步探索地面信息提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，而且還有助于確保全面保護(hù)水資源。這是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求，也是遷移理念和了解概念的全面應(yīng)用，必須在當(dāng)今激烈的競爭環(huán)境中掌握這些知識(shí)和概念。這是幫助建設(shè)社會(huì)主義生態(tài)文明的重要一步。

2.2 GIS 的缺點(diǎn)

GIS 技術(shù)具有某些優(yōu)點(diǎn)，例如非常強(qiáng)大的存儲(chǔ)、管理、輸出和數(shù)據(jù)輸入功能，但缺點(diǎn)是其充當(dāng)數(shù)據(jù)的中心為工作原理并需要改進(jìn)的決策能力。造成這種狀況的原因是GIS 數(shù)據(jù)模型存在缺陷，無法清晰、準(zhǔn)確地表示地理空間的水文特征。當(dāng)前使用的GIS 軟件不能完全正常運(yùn)行，并且缺少用于研究水資源的軟件，需要開發(fā)人員進(jìn)行全面開發(fā)。這給使用GIS 的研究人員帶來極大的不便，并且對(duì)研究結(jié)果的可靠性產(chǎn)生重大影響，但是不可能完全解決水資源管理問題。

3 G1S技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用趨勢(shì)

將GIS 技術(shù)應(yīng)用于水文資源通常具有在管理和分析空間數(shù)據(jù)方面良好應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，但是缺乏解決復(fù)雜對(duì)象的空間問題（如區(qū)域規(guī)劃中的決策等）的相應(yīng)功能，其能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的真正需求。因此，GIS 技術(shù)在空間決策領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前，水文水資源研究需要以特定的順序向三維添加不同的信息，以便形成在各種自然災(zāi)害的研究中發(fā)揮積極作用的四維圖像。事實(shí)證明，將GIS 技術(shù)與三維模型相結(jié)合可以滿足現(xiàn)代水文水資源管理的具體需求。

3.1 GIS 研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化

目前，在GIS 技術(shù)的研究和開發(fā)領(lǐng)域尚未建立統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。因此，GIS 開發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)模型具有多種特征，不能滿足水文水資源領(lǐng)域?qū)IS 技術(shù)研究和開發(fā)的要求。為了有效解決此問題，允許GIS 提供大量的水文信息交換和技術(shù)支持，以創(chuàng)建用于水文水資源信息管理的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其需要開發(fā)集成的GIS 應(yīng)用程序規(guī)范和研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)[1]。

實(shí)際上，GIS研究主要基于部門的實(shí)際情況。另外，由于大量的數(shù)據(jù)模型和開發(fā)平臺(tái)，不一致的GIS 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)使大規(guī)模的水文信息交換變得困難。因此，我國需要借鑒西方的成功經(jīng)驗(yàn)，制定和完善統(tǒng)一的GIS標(biāo)準(zhǔn)，為GIS的發(fā)展和研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 不斷完善水文水資源空間決策系統(tǒng)

近年來，與傳統(tǒng)決策支持系統(tǒng)的有機(jī)集成已成為GIS 技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是其具有廣泛的應(yīng)用范圍，并為將來的使用提供了一些動(dòng)力。但是，其缺點(diǎn)是這種發(fā)展理念在發(fā)展中存在一些困難，需要大量的資本和人力資源投資。因此，大規(guī)模推廣中存在某些問題。目前，它已在某些領(lǐng)域用于試點(diǎn)項(xiàng)目，集中精力，并正在分階段實(shí)施。在獲得成功經(jīng)驗(yàn)后做大規(guī)模的應(yīng)用。

根據(jù)我國水文水資源實(shí)際情況而言，首先需要為長江和黃河建立水資源水文空間決策系統(tǒng)。從人道主義或自然的角度來看，這兩條河是最合適的地區(qū)。同時(shí)，全面加強(qiáng)對(duì)于未來水資源的信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)極為重要[2]。

3.3 建立水文水資源地理空間數(shù)據(jù)庫

利用GIS 技術(shù)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)化的水文水資源地理空間數(shù)據(jù)庫，例如洪水和干旱數(shù)據(jù)庫、降雨數(shù)據(jù)庫和水文數(shù)據(jù)庫等。該數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)更新，以確保完整性和準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)庫內(nèi)包括有關(guān)水文資源的信息、生態(tài)環(huán)境的信息、自然資源的信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的信息以及有關(guān)流域的其他信息等。數(shù)據(jù)和信息要及時(shí)維護(hù)，給水文水資源管理提供決策框架[3]。

3.4 建立水文水資源空間決策支持系統(tǒng)

近年來，已經(jīng)開發(fā)了將傳統(tǒng)的決策支持系統(tǒng)和GIS 相結(jié)合的新型信息系統(tǒng)空間決策支持系統(tǒng)（SDSS）。其建立的程度相對(duì)復(fù)雜，需要大量的人力和物力。 為了充分保證重點(diǎn)，逐步引入并完善再到后期的加大推廣的力度，有必要集中資金。從我國目前的情況來看，黃河水資源調(diào)度系統(tǒng)以及黃河和長江洪水管理決策支持系統(tǒng)應(yīng)該更加緊急地建立和逐步完善。

3.5 GIS 與水文水資源專業(yè)模型的融合

現(xiàn)有的大多數(shù)專業(yè)GIS 模型都具有管理和存儲(chǔ)功能，但不足以支持決策和地理空間的表示。因此，在將來有必要最大化利用GIS 系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)管理功能，并加強(qiáng)水文水資源模型與GIS的集成，以便可以充分利用該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和功能[4]。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展，中國的水文水資源管理項(xiàng)目正在升級(jí)。為了進(jìn)一步促進(jìn)水文管理項(xiàng)目的發(fā)展，有必要繼續(xù)促進(jìn)水文水資源管理項(xiàng)目的信息化發(fā)展。GIS技術(shù)的應(yīng)用和水資源處理相結(jié)合不僅是大勢(shì)所趨，而且對(duì)發(fā)展水文水資源的需求也很大。GIS技術(shù)可用于有效提高水文資源處理和水文數(shù)據(jù)分析的效率。通過有針對(duì)性的信息收集渠道加強(qiáng)對(duì)水資源的保護(hù)。因此，GIS在水文資源領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V泛的應(yīng)用和發(fā)展，并將繼續(xù)為中國經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)“中國夢(mèng)”具有現(xiàn)實(shí)意義。