IS在節(jié)水灌溉方面的應(yīng)用

王晉之

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙410007）

1 水資源現(xiàn)狀

地球上的水資源，廣義上是指全部自然界任何形態(tài)的水，包括氣態(tài)水、液態(tài)水和固態(tài)水的全部量；狹義上是指在一定經(jīng)濟技術(shù)條件下較容易被人類利用的、可以逐年恢復(fù)的淡水資源[1]。水資源是人類社會不斷向前發(fā)展的重要資源，在世界范圍內(nèi)，許多地區(qū)對水的需求已經(jīng)達(dá)到或者超過了水資源所能負(fù)荷的臨界點，這些地區(qū)時刻存在水資源危機爆發(fā)的風(fēng)險。我國是世界上人口最多、糧食消耗量最大的國家，又是世界上人均水資源量最貧乏的國家之一，淡水資源總量為28 000億m3，占全球水資源的6%，但人均只有2 200 m3，僅為世界平均水平的1/4[2]?？梢钥闯觯覈且粋€水資源匱乏的國家。

2 GIS 技術(shù)簡介

GIS 是英文Geographic Information System 的縮寫，即地理信息系統(tǒng)，是以計算機為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)綜合處理和空間分析的系統(tǒng)，是集計算機科學(xué)、管理科學(xué)、信息科學(xué)、空間科學(xué)、地學(xué)、環(huán)境科學(xué)等為一體的新興邊緣研究領(lǐng)域[3]。GIS 最主要的基本功能是信息收集、信息儲存、信息更新以及對所收集到的信息進行分析處理。GIS的基本原理是把實際物理的位置等特點、屬性、空間分析結(jié)果以一種簡單的可視化的形式向用戶展示，從而為研究人員提供決策依據(jù)。整體來看，GIS 是集計算機硬軟件、地理信息以及操作人員的集合體，當(dāng)每個參與部分協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作時，GIS 才能夠發(fā)揮最大的作用[4]。

水體具有空間屬性，因此可以利用地理信息系統(tǒng)對水資源進行有效的管理[5]?；贕IS 技術(shù)進行系統(tǒng)開發(fā)，能實現(xiàn)水資源管理系統(tǒng)的定量、定位、可視化管理，對于合理規(guī)劃水資源的使用、水環(huán)境分析、節(jié)水灌溉、水資源管理等都是必不可少的[6]。

3 GIS 在節(jié)水灌溉方面的應(yīng)用

通過對灌區(qū)灌溉水利用效率的研究可以發(fā)現(xiàn)，GIS參與下的灌區(qū)灌溉水利用效率與傳統(tǒng)的灌溉模式相比提升了約20%，由此可見，GIS 對我國節(jié)水戰(zhàn)略有著重大意義[4]。目前我國GIS 技術(shù)在灌區(qū)灌溉體系中的應(yīng)用只有約62%，因此今后我國需要進一步提高GIS 技術(shù)在灌區(qū)灌溉體系中的應(yīng)用率。

1）灌溉區(qū)域決策系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)建立。我國對于灌溉區(qū)域的決策系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)的建立相較于發(fā)達(dá)國家仍然相對落后，在一些偏遠(yuǎn)的農(nóng)業(yè)地區(qū)對灌溉區(qū)域決策系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)幾乎沒有什么了解，因此加快建立灌溉區(qū)域決策系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)對我國節(jié)水戰(zhàn)略有重大的現(xiàn)實意義，而GIS 系統(tǒng)將在我國灌溉區(qū)的決策系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)建立上扮演至關(guān)重要的角色，相關(guān)部門應(yīng)該加強對GIS 的應(yīng)用。

在灌溉區(qū)域決策系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)建立過程中，通常將GIS 系統(tǒng)對灌區(qū)的地理信息以及相關(guān)數(shù)據(jù)的反饋作為決策系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)開發(fā)建立的基礎(chǔ)平臺，并把GIS 系統(tǒng)作為基本的主導(dǎo)系統(tǒng)，之后可以根據(jù)用戶需求，在基礎(chǔ)平臺上添加相應(yīng)的模塊以完善系統(tǒng)功能。一般來說，灌溉區(qū)域決策系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)應(yīng)能夠計算灌溉需水量、優(yōu)化供水過程以及對數(shù)據(jù)庫進行管理，同時還應(yīng)該可以結(jié)合實際情況對當(dāng)?shù)厮Y源的基本情況作出具體、詳細(xì)、客觀的評價，從而為相關(guān)部門的改進提供參考。該系統(tǒng)的開發(fā)建立能夠很大程度上減少用于農(nóng)作物灌溉的水量，大大降低我國因水資源緊缺而造成的損失，對我國實施節(jié)水戰(zhàn)略有著促進作用。

2）節(jié)水灌溉用水信息數(shù)據(jù)庫的建立。地理因素是影響農(nóng)業(yè)灌溉模式的一個重要因素，除此之外，當(dāng)?shù)氐臍庀笏臈l件也會對灌溉模式產(chǎn)生較大的影響。在計算農(nóng)業(yè)灌溉用水量時，往往存在無法準(zhǔn)確地獲取當(dāng)?shù)氐臍庀笏臄?shù)據(jù)、地理狀況等數(shù)據(jù)的情況，這勢必會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水量的計算結(jié)果與實際農(nóng)業(yè)灌溉用水量相差甚遠(yuǎn)，阻礙我國節(jié)水灌溉目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，必須有一種方法，能夠獲取更準(zhǔn)確的氣象水文、地理等數(shù)據(jù)，從而使得計算農(nóng)業(yè)灌溉用水量的工作效率大大提升，計算的結(jié)果也更加準(zhǔn)確。為了能夠最大程度地實現(xiàn)此目標(biāo)，把與計算農(nóng)業(yè)灌溉用水量相關(guān)的數(shù)據(jù)建立成一個數(shù)據(jù)庫，并且定期地對數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容進行及時更新是不錯的選擇。

GIS 系統(tǒng)可以為研究開發(fā)人員提供一種構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的簡單方法，并且由GIS 系統(tǒng)構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫效果非常好。此外，GIS 向用戶提供了基于空間關(guān)系、屬性特征和地址匹配進行信息查詢的查詢方式，并且GIS 在空間查詢上的能力更加強大[2]。以GIS 所建立的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，不同級別的用戶可以通過不同的查詢方式從數(shù)據(jù)庫中獲取所需的數(shù)據(jù)，這使得不同級別的用戶可以及時準(zhǔn)確地掌握其所負(fù)責(zé)地區(qū)的農(nóng)業(yè)以及節(jié)水信息，并且做出相應(yīng)的調(diào)整，以達(dá)到節(jié)水的目的。

在節(jié)水灌溉用水信息數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)該要盡可能包含所有對農(nóng)業(yè)灌溉用水量產(chǎn)生影響的因素，并且根據(jù)因素的類型對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行歸檔分類，也可將同一類型的因素重新構(gòu)建成一個新的數(shù)據(jù)庫，這樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速查找、增加、刪除與更新。在對節(jié)水灌溉用水信息數(shù)據(jù)庫的建立過程中，往往會存在數(shù)據(jù)收集不完整即數(shù)據(jù)缺失的情況，但是像氣象水文數(shù)據(jù)庫、地形數(shù)據(jù)庫等最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫是必須構(gòu)建的。數(shù)據(jù)庫構(gòu)建完成之后，可以使用GIS 軟件工具等將所需要的數(shù)據(jù)信息等以空間的形式可視化地呈現(xiàn)出來，對使用者來說，這是一種更加直觀的感受，從而使未來工作的開展更加順利。

3）灌溉用水模型的建立。我國地域遼闊，不同地區(qū)的氣象、水文、地形等因素可能大不相同，同樣，不同的灌區(qū)由于其所處位置不同，其氣象、水文、地形等也存在較大差異。對于存在較大差異的灌區(qū)，使用同一種灌溉用水模型顯然是不合適也是不正確的，因此，針對不同條件的灌區(qū)建立特定的灌溉用水模型是必要的，也是節(jié)水灌溉向前發(fā)展所必須的。灌溉用水模型的建立過程中，可以單獨考慮一個灌區(qū)，也可將氣象水文等條件類似的灌區(qū)歸為一類，之后通過GIS 對灌區(qū)的基本情況進行合理分析，并計算得到此灌區(qū)或者是該類灌區(qū)單位面積上的灌溉水量，最后根據(jù)該灌區(qū)的種植種類、種植結(jié)構(gòu)等設(shè)計出針對此灌區(qū)或該類灌區(qū)最優(yōu)的灌溉模式。一種灌溉模式的建立在某些條件下可以解決同一類灌區(qū)的節(jié)水問題，這種灌溉模式可以為之前從沒有建立過灌溉模式的灌區(qū)提供一種灌溉模式的參考，這對節(jié)水灌溉的發(fā)展有顯著的促進作用。

以雙季稻為例，水資源充足是我國傳統(tǒng)的水稻灌溉模式發(fā)揮作用的基本假設(shè)，但是，無論是現(xiàn)在還是未來，始終完全滿足水稻的需水量是困難的，對于大多數(shù)灌區(qū)也基本是不可能的。因此在水資源有限的情況下，在水稻的灌溉用水模型建立過程中需要考慮的是如何以最小單位的水量得到更多的產(chǎn)值，這就需要明確作物種植面積以及作物的灌溉制度等基本信息。明確作物種植面積以及作物的灌溉制度等基本信息之后，即可根據(jù)作物的生長周期與來水分布情況，設(shè)計出節(jié)水與經(jīng)濟效益雙贏的最優(yōu)解，從一定程度上緩解我國水資源緊缺的局面。經(jīng)過多年的探索與實踐，發(fā)現(xiàn)“淺薄濕曬”的灌溉模式可以實現(xiàn)以最小的水量達(dá)到最好的灌溉效果，產(chǎn)生最大的經(jīng)濟價值，這種灌溉模式對于節(jié)水灌溉有重大意義。當(dāng)面對沒有建立過灌溉模式或者實行的灌溉模式效果較差的雙季稻時，適當(dāng)調(diào)整“淺薄濕曬”的灌溉模式并加以利用，可大大加快節(jié)水灌溉工作推行的速度。

4 結(jié) 語

農(nóng)作物的灌溉用水在我國水資源消耗總量上的占比較大，因此節(jié)水灌溉對我國實施節(jié)水戰(zhàn)略有著重大的意義。地理信息是水資源最重要的特征之一，而GIS向我們提供了管理空間數(shù)據(jù)最有效、最直接的手段,為節(jié)水灌溉信息管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、空間化提供了有效的工具。除此之外，GIS 在灌溉區(qū)域決策系統(tǒng)和信息系統(tǒng)建立、灌溉用水信息數(shù)據(jù)庫的建立、灌溉用水模型的建立以及水資源管理中都扮演了重要角色，為提升灌溉水利用效率、節(jié)約水資源、科學(xué)指導(dǎo)灌溉提供了科學(xué)途徑，這對我國農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水有著重大意義。目前我國GIS 的應(yīng)用仍不廣泛并且不太成熟，為了更好地在農(nóng)業(yè)灌溉方面快速有效地推進節(jié)水工作，應(yīng)加強GIS 的應(yīng)用。