地理信息系統(tǒng)在遼陽灌區(qū)現(xiàn)代化管理中的應(yīng)用

楊 靜

(遼陽灌區(qū)管理中心，遼寧 遼陽 111000)

1 灌區(qū)概況

遼陽灌地處E122°35′-123°41′，N40°42′-41°26′之間，位于太子河中游的平原沿河地區(qū)，南北寬6.5km，東西長28km，總面積約為185km2，實(shí)際灌溉面積67.3km2。灌溉范圍為遼小公路與沈大公路兩測、北地河以北、柳壕河西岸、太子河以南、遼陽城郊以西，渠首建在城東鵝房，利用護(hù)城河為引水總干，穿城而過，灌溉城西廣大平原沿河土地。灌溉受益單位跨一縣一區(qū)，即遼陽縣和太子河區(qū)，主要涉及太子河區(qū)太子河鄉(xiāng)、祁家鎮(zhèn)、望水臺(tái)街道和遼陽縣的柳壕鎮(zhèn)、沙嶺鎮(zhèn)、劉二堡鎮(zhèn)、黃泥洼鎮(zhèn)等7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和駐軍部隊(duì)農(nóng)場。灌區(qū)始建于1955年，骨干工程完建于1958年，原設(shè)計(jì)灌溉面積10000hm2，有效灌溉面積8000hm2，目前實(shí)際灌溉面積6733hm2，有效灌溉面積衰減1267hm2。灌區(qū)渠系工程包括總干、分干、支渠和斗渠，全長515.74km，其中渠系布置設(shè)總干渠一條長13.69km；支渠6條，總長度49.85km；農(nóng)渠432條，總長度345.6km；斗渠71條，總長度106.6km。骨干配套水工建筑物150座，其中各級(jí)閘、渠系建筑物104座，主要有渠首進(jìn)水閘1座，渠首攔河壩1座，跌水1座，渡槽3座，節(jié)制閘21座，分水閘73座，泄洪閘3座，倒虹吸3座，橋46座[1-2]。

遼陽市農(nóng)業(yè)發(fā)展相關(guān)部門本著注重實(shí)效、重點(diǎn)突出、鞏固提高的原則，將亟待改造的骨干項(xiàng)目和在灌區(qū)發(fā)揮關(guān)鍵作用設(shè)施納入節(jié)水改造范圍。同時(shí)，考慮便于管理、綜合開發(fā)、集中連片等原則，針對(duì)制約水利設(shè)施功能效益和灌區(qū)發(fā)展的主要問題，對(duì)嚴(yán)重漏水的渠段、老化破損的建筑物采取防滲護(hù)砌和節(jié)水配套改造措施，恢復(fù)與改善原有灌溉面積，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、高效益、低成本的預(yù)期目標(biāo)。另外，為降低工程成本和提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，在節(jié)水改造中盡可能的利用原有水利設(shè)施。為了系統(tǒng)、全面的掌握各項(xiàng)水利設(shè)施的運(yùn)行管理狀況，文章對(duì)遼陽灌區(qū)現(xiàn)代化管理方法和系統(tǒng)開展研究，以期為提高灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平和后續(xù)工程方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 地理信息系統(tǒng)功能

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為灌區(qū)管理現(xiàn)代化奠定了重要的基礎(chǔ)，通過采取計(jì)算機(jī)、信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建現(xiàn)代化信息監(jiān)控平臺(tái)，促進(jìn)現(xiàn)代化技術(shù)在灌區(qū)管理中的應(yīng)用。其中，形成一套完整的灌區(qū)配水、渠系信息管理及水情監(jiān)控系統(tǒng)為地理信息系統(tǒng)的主要目標(biāo)，其中灌區(qū)配水子系統(tǒng)是對(duì)各支渠、分干渠、干渠的流量及水位利用渠道信息和水情監(jiān)測子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，由此實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的自動(dòng)化管理；渠道信息子系統(tǒng)是建立一個(gè)能夠完成查詢、錄入等渠系信息管理的數(shù)據(jù)庫；水情監(jiān)測子系統(tǒng)是在DBMS數(shù)據(jù)庫中匯總及存儲(chǔ)支渠、分干渠、干渠、總干渠等流量的測量、水位控制的模塊。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)主要由現(xiàn)場測控層、數(shù)據(jù)交換層、信息處理層、管理層4個(gè)層次，所對(duì)應(yīng)的分層為第四、三、二、一層，其實(shí)現(xiàn)依據(jù)為面向?qū)ο缶幊袒A(chǔ)和GIS技術(shù)。見圖1。

圖1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)管理子模塊和主控模塊為系統(tǒng)第一層的主要構(gòu)成，而配水管理子模塊、渠道綜合信息管理子模塊及其下屬子模塊共同組成了第二層次，數(shù)據(jù)通信交換子模塊為第三層的主要內(nèi)容，第四層主要包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)控制與采集模塊、水情監(jiān)控子模塊，圖2反映了各子模塊之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)模塊構(gòu)成

地理信息系統(tǒng)的各子模塊功能如下：

1) 將4個(gè)子模塊集成構(gòu)成主控模塊，根據(jù)管理運(yùn)行要求在主控模板界面中進(jìn)入相應(yīng)的子系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)管理子模塊的主要功能為管理與維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，因此它只能由管理員訪問。

2) 灌區(qū)受益灌溉面積、總面積、人口規(guī)模、行政區(qū)劃、交通狀況等方面的屬性和空間信息的查詢主要通過灌區(qū)綜合信息查詢子模塊實(shí)現(xiàn)，按照相關(guān)信息繪制專題地圖，同時(shí)可對(duì)各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表和日常管理記錄打印。

3) 灌區(qū)內(nèi)河流、配水站、管理所、閘門、渠道等屬性和空間信息的查詢主要通過渠道信息查詢子模塊實(shí)現(xiàn)，依據(jù)查詢結(jié)果繪制相應(yīng)的專題地圖。

4) 空間分析子模塊具有面積、距離計(jì)算和空間搜索功能。

5) 灌區(qū)春、秋兩季的用水分配主要通過配水管理子模塊來實(shí)現(xiàn)，通過統(tǒng)計(jì)比較灌區(qū)歷年的用水情況，專家系統(tǒng)分析降水分布、地下水位、農(nóng)作物收成和用水效益等情況，最終提出最優(yōu)的配水方案。

6) DBMS數(shù)據(jù)庫自動(dòng)匯總并存儲(chǔ)水情監(jiān)控模塊收集的數(shù)據(jù)，該功能主要依據(jù)數(shù)據(jù)通信交換子模塊實(shí)現(xiàn)。其中，水情監(jiān)控子模塊的主要功能為實(shí)時(shí)發(fā)送和接受控制模塊、數(shù)據(jù)采集所需的信息，用于查詢各測點(diǎn)閘門位置、水位等在秋灌和春灌時(shí)的信息。而閘門電機(jī)控制器、閘門位置及水位傳感器直接與控制模塊、數(shù)據(jù)采集相連接，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)閘門升降實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)的及時(shí)采集。

系統(tǒng)的二次開發(fā)工具和開發(fā)平臺(tái)選用Delphi6.0、MapX4.5和地理信息系統(tǒng)的MapInfo6.5軟件，其中系統(tǒng)主界面的編寫由Delphi6.5實(shí)現(xiàn)，主要打印輸出各種地圖、報(bào)表以及主界面與子界面的接口；電子地圖的調(diào)用控件為MapX4.5，其主要功能為選擇、縮小、放大、查詢、漫游及輸出灌區(qū)內(nèi)各種電子地圖，同時(shí)完成制作專題地圖、空間分析等操作。

2.2 地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

GIS技術(shù)主要是運(yùn)用遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地圖學(xué)、地理學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)，對(duì)地理數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存、輸入、查詢、顯示和分析，由此實(shí)現(xiàn)區(qū)域地理信息的計(jì)算、輸出、管理、數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)化采集與處理等操作。GIS技術(shù)具有多要素綜合功能和區(qū)域空間分析的能力，可管理多種空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系，另外該技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的空間信息處理和分析的工具。通過分析和成圖反映地球上發(fā)生的事件與存在的現(xiàn)象，綜合集成了地理數(shù)據(jù)庫、分析功能以及地球的視覺化效果，在處理系統(tǒng)中各種復(fù)雜現(xiàn)象的管理、決策與規(guī)劃問題方面具有較好的科學(xué)性，因此也被稱為地理信息服務(wù)系統(tǒng)。

GIS技術(shù)運(yùn)用的核心為系統(tǒng)中的地理數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的內(nèi)涵可將其分為屬性和空間數(shù)據(jù)。采用矢量和柵格兩種形式表達(dá)它們的數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)反映了空間實(shí)體的方向、形狀、大小、位置及幾何拓?fù)潢P(guān)系；屬性數(shù)據(jù)主要用于描述和分析目標(biāo)空間特征以外的特性，即反映目標(biāo)的具體情況和描述目標(biāo)的類型。

地理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫實(shí)體為組成地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要模塊，其中數(shù)據(jù)的查詢檢索、操作、維護(hù)功能主要由地理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；地理數(shù)據(jù)庫涉及到的環(huán)節(jié)較多，其維護(hù)與建立工作量較大、過程復(fù)雜，它是應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)和資源，且為當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

地理信息系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)為其他相關(guān)數(shù)據(jù)的主要來源，而最常用的空間數(shù)據(jù)為地圖數(shù)據(jù)。不同種類的地圖，其應(yīng)用部門、研究對(duì)象以及圖件編制的內(nèi)容存在較大的差異，按照內(nèi)容的不同可將其分為各種比例尺度的專題地圖和普通地圖。專題地圖重點(diǎn)反映不同比例尺的專題地圖、集中或某一種專門的要素，提供土地利用、植被、土壤類型、地貌特征、地質(zhì)條件等初始資料。普通地圖對(duì)地球表面的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然地理要素以相對(duì)平衡的詳細(xì)程度描述，主要描述植被、土地、境界、地貌、水系、交通網(wǎng)和居民地等。比例尺較大或?qū)崪y的地形圖能夠真實(shí)的體現(xiàn)區(qū)域地理特征要素，其幾何精度較高。另外，空間數(shù)據(jù)的輸入往往還要講地圖數(shù)據(jù)數(shù)字化處理。

一般情況下，采用鍵盤輸入屬性數(shù)據(jù)。采取的輸入方式主要包括如下兩種：其一為直接輸入圖形；其二是從其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入屬性或預(yù)先建立屬性表輸入屬性，利用圖形數(shù)據(jù)與關(guān)鍵字自動(dòng)連接，一般用數(shù)字或字符串作為屬性數(shù)據(jù)?？萍嫉陌l(fā)展和多媒體技術(shù)的進(jìn)步，使得空間目標(biāo)的特性描述方式有文本說明、聲音、錄像和圖片等，因此屬性數(shù)據(jù)的處理與收集也可采用以上方式。資料的收集統(tǒng)計(jì)為獲取屬性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在詳細(xì)調(diào)查用戶信息的基礎(chǔ)上建立的地理信息系統(tǒng)，不僅需要將這些屬性信息存儲(chǔ)，而且還要正確選擇這些屬性數(shù)據(jù)的收集單位。

行政區(qū)劃的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)見表1所示，在輸入過程中要具備相應(yīng)的字段名且能夠與圖形數(shù)據(jù)相連接。管理所、交通、水系等其他數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)也必須具備相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式，在輸入過程中與圖形數(shù)據(jù)相連接。

表1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)類型

2.3 系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)流程，建立了能夠提供圖形操作、空間查詢功能的系統(tǒng)以及專題地圖，實(shí)現(xiàn)了分析和查詢遼陽灌區(qū)內(nèi)存在的基本交通信息情況、行政區(qū)劃情況等，為灌區(qū)水利現(xiàn)代化管理和宏觀決策提供相應(yīng)的指導(dǎo)。灌區(qū)管理相應(yīng)的功能主要由各子模塊來實(shí)現(xiàn)，具體如下：

灌區(qū)內(nèi)分布的主要水系狀況可通過渠道信息管理模塊展示，從而實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)內(nèi)閘房、管理所、配水站、分干渠、干渠、總干渠等地理分布狀況以及其他相關(guān)信息的詳細(xì)描述，為用戶及時(shí)直觀的了解閘房、配水站、管理所、各骨干渠系等情況提供了有效的方法。根據(jù)MapX提供的空間分析功能可確定某特定區(qū)域內(nèi)開采井、閘房、配水站、管理所的數(shù)量，并且空間分析子模塊還可計(jì)算出作物種植面積、某一河流至某一口徑之間最短距離等。

灌區(qū)內(nèi)的基本歷史數(shù)據(jù)的查詢由歷史數(shù)據(jù)查詢子模塊實(shí)現(xiàn)，其功能有查詢水費(fèi)、配水計(jì)劃、水量、各配水站秋灌與春灌測點(diǎn)水位、灌溉面積內(nèi)摻量等；灌區(qū)信息查詢系統(tǒng)還可完成灌溉面積、總面積、灌區(qū)人口規(guī)模、行政區(qū)劃、交通信息等綜合信息的查詢，同時(shí)還可查詢礦化度分帶專題圖、灌區(qū)年均降雨量分布圖等信息。

3 結(jié) 論

對(duì)灌區(qū)現(xiàn)代化管理中GIS技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)分析，然后以遼陽灌區(qū)為例構(gòu)建了適用于該灌區(qū)的地理信息系統(tǒng)，由此實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水利設(shè)施與水資源的現(xiàn)代化管理。由于信息量較大且需要考慮數(shù)據(jù)的空間特性，使得水資源管理中GIS技術(shù)發(fā)揮著不可替代的作用。依據(jù)先進(jìn)性、適用性、針對(duì)性目標(biāo)，遵循模塊化、分層化設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)，同時(shí)考慮了灌區(qū)未來發(fā)展需要和灌區(qū)實(shí)際情況，有利于系統(tǒng)的省級(jí)、擴(kuò)充和維護(hù)。

遼陽灌區(qū)屬于典型中型自流灌區(qū)，為實(shí)現(xiàn)水利現(xiàn)代化管理建立了包含輔助決策、量測準(zhǔn)確、調(diào)度科學(xué)、水資源優(yōu)化配置的地理信息系統(tǒng)，在實(shí)踐應(yīng)用和系統(tǒng)運(yùn)行中可顯著提升灌區(qū)管理工作效率和管理水平。