〔摘 要〕按照安全性與開放性并重、領(lǐng)先性與成熟度并重、有效性與易用性并重原則，開發(fā)了基于GIS和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的長春市水資源可持續(xù)管理信息系統(tǒng)。系統(tǒng)平臺包括硬件條件、軟件環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)支持和管護人員，數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、方法數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)庫和多媒體數(shù)據(jù)庫，子系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)維護子系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)、動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、分析預(yù)測子系統(tǒng)和信息發(fā)布子系統(tǒng)。系統(tǒng)的應(yīng)用將使城市水資源管理由經(jīng)驗管理、定性管理轉(zhuǎn)向科學(xué)管理、定量管理，為建設(shè)節(jié)水型城市提供決策依據(jù)。

〔關(guān)鍵詞〕地理信息系統(tǒng)；水資源管理信息系統(tǒng)；可持續(xù)發(fā)展；長春市

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０８２１．２０１０．１２．０１４

〔中圖分類號〕Ｇ２５０.７４ 〔文獻標識碼〕Ａ 〔文章編號〕１００８－０８２１（２０１０）１２－００５１－０４

Sustainable Water Resource Management Information

System Based on GIS Technology in Changchun CityFang Yan Sun Gang Liu Qian

（School of Life Science，Changchun Normal University，Changchun 130032，China）

〔Ａｂｓｔｒａｃｔ〕According to the principles of both security and openness，both primacy and maturity，both effectiveness and useability，a sustainable water resource management information system based on GIS and web technology in Changchun City.The system platform includes hardware conditions，software environment，web support，and managers.The master databases include basic database，methodology database，model database，dynamic database，map database，and multimedia database.The subsystems include system control subsystem，data maintainance subsystem，system management subsystem，information inquiry subsystem，dynamic monitoring subsystem，analysis prediction subsystem，and information issue subsystem.The application of the system will turn urban water resource management from empirical management，qualitative management to scientific management，quantitative management，provide stategic evidence for construction of water-saving city.

〔Ｋｅｙｗｏｒｄｓ〕GIS;water resource management information system;sustainable development;Changchun City

水是基礎(chǔ)性的自然資源、戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源。隨著人口的不斷增長、生活水平的日益提高和社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，水資源短缺、水污染嚴重已經(jīng)成為制約可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。由于水資源管理涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科、多因素，信息量繁雜而龐大，常規(guī)管理手段無法奏效，必須利用新方法、新技術(shù)進行科學(xué)管理、優(yōu)化配置、合理開發(fā)［１］。城市水資源管理信息系統(tǒng)是以計算機、處理器為平臺，以GIS、網(wǎng)絡(luò)通信等現(xiàn)代科技為手段，進行城市水資源信息的采集、匯總、分析、計算、模擬、處理、存儲、傳輸與表達，為水資源管理工作提供信息和數(shù)據(jù)支持，為管理者提供決策依據(jù)［２］，通常包括水源管理、需水管理、供水管理、用水管理、業(yè)務(wù)查詢、水質(zhì)管理、信息發(fā)布、預(yù)測分析等內(nèi)容［３］。建立水資源可持續(xù)管理信息系統(tǒng)，可以及時掌握各取水工程的動態(tài)，對取水和用水實施有效監(jiān)測和調(diào)控，合理制定取水計劃，有利于加強用水戶的節(jié)約用水意識，提高水資源宏觀決策能力，符合水資源統(tǒng)一管理、現(xiàn)代化管理、信息化管理、自動化管理的發(fā)展方向［４］，對長春市老工業(yè)基地振興和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

１ 研究區(qū)概況

長春市是吉林省省會，是著名的汽車城、電影城、文化城和森林城。地處我國東北松遼平原腹地、東部低山丘陵向西部臺地平原的過度地帶，市區(qū)海拔250m～350m之間，地勢平坦開闊，略有起伏。屬大陸性季風(fēng)氣候，氣溫的年差較大，年平均氣溫4.8℃，最高溫度39.5℃，最低溫度-39.8℃，日照時間2 688hrs。年平均降水量522mm～615mm。春季干燥多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長，夏季降水量占全年降水量60%以上，具有四季分明、雨熱同季、干濕適中的氣候特征，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了良好條件。長春市境內(nèi)有大小河流222條，分屬第二松花江、飲馬河、拉林河3個水系。流域面積在20km2以上的江河有206條，其中流域面積在100km2以上的江河有10條，即：松花江、拉林河、飲馬河、伊通河、新凱河、卡岔河、沐石河、霧開河、雙陽河、小南河。

長春境內(nèi)地表水資源總量為12.90億m3，占境內(nèi)水資源總量的47.9%。其中，飲馬河為4.92億m3，占境內(nèi)水資源總量的38.1%；境內(nèi)第二松花江干流為2.87億m3，占22.2%；拉林河為3.15億m3，占24.5%；伊通河為1.96億m3，占15.2%。長春境內(nèi)地下水儲量為14.67億m3，占境內(nèi)水資源總量的52.1%，可開采量為9.02億m3，占境內(nèi)水資源總儲量的64.5%。其中，農(nóng)安縣地下水可開采量為2.67億m3，占長春地下水可開采總量的29.6%；榆樹市為1.93億m3，占21.4%；德惠縣為1.88億m3，占20.8%；九臺市為1.44億m3，占16%；長春郊區(qū)為0.84億m3，占9.4%；雙陽縣為0.16億m3，占1.7%；長春城區(qū)為0.1億m3，占1.1%。

長春市屬于極度缺水地區(qū)，人均水資源量380m3，僅為吉林省人均水資源量的25%和全國人均水資源量的17%，水資源的供需矛盾突出，預(yù)測到2010年城鎮(zhèn)年缺水1.6億m3，到2020年城鎮(zhèn)年缺水4億m3，到2030年城鎮(zhèn)年缺水5.71億m3。同時，水資源配置不合理，水資源利用率偏低，尚未實現(xiàn)污水資源化；水資源浪費嚴重，供水主干線材料80%以上由鑄鐵管道組成，管網(wǎng)年久失修，加之節(jié)水器具普及率低和人們的節(jié)水意識不強，跑、冒、滴、漏現(xiàn)象比較嚴重，供水損失率在30%以上；一些地區(qū)過度開采地下水，形成“漏斗”；水體污染嚴重，以有機污染為主；水生態(tài)環(huán)境惡化，濕地面積減少。另外，水資源管理體系不完善，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局對水資源承載能力考慮不夠，一些高耗水、高污染的產(chǎn)業(yè)沒有受到水資源承載能力和水環(huán)境承載能力的約束；經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟增長方式還沒有徹底轉(zhuǎn)變，排污許可制度還沒有完全建立起來，對飲用水水源保護區(qū)內(nèi)的入河排污口沒有采取有效的措施；促進節(jié)約用水的法規(guī)體系尚不健全，管理部門之間協(xié)調(diào)配合不夠，節(jié)水資金投入不足，節(jié)水設(shè)施建設(shè)和節(jié)水技術(shù)推廣力度不夠等。這些問題給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來很多困難，已經(jīng)成為阻礙長春市經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的重要限制因素。

２０１０年１２月第３０卷第１２期基于GIS的長春市水資源可持續(xù)管理信息系統(tǒng)Ｄｅｃ.，２０１０２ GIS與水資源管理

地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計算機軟件、硬件及網(wǎng)絡(luò)支持下，運用地理學(xué)、信息科學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、計算機科學(xué)、遙感學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)、測繪學(xué)理論與方法，對有關(guān)空間數(shù)據(jù)及其載體（文字、數(shù)據(jù)、圖表等）進行預(yù)處理、輸入、存儲、查詢、檢索、修改、量測、處理、運算、分析、顯示、輸出、更新和提供應(yīng)用，并在不同用戶、不同系統(tǒng)、不同地點之間傳輸?shù)乩頂?shù)據(jù)的計算機信息系統(tǒng)，能夠為規(guī)劃、管理、決策提供服務(wù)［５］。GIS是傳統(tǒng)科學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合、科學(xué)發(fā)展與社會需求相結(jié)合的產(chǎn)物。GIS的物理外殼是計算機化的技術(shù)系統(tǒng)，操作對象是空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，即點、線、面、體等具備三維要素的地理實體?？臻g數(shù)據(jù)的最根本特點是每一個數(shù)據(jù)都按統(tǒng)一的地理坐標進行編碼，實現(xiàn)對其定位、定性和定量的描述，這是GIS區(qū)別于其它類型信息系統(tǒng)的根本標志。

由于GIS的技術(shù)優(yōu)勢在于它的數(shù)據(jù)綜合、模擬與分析評價能力，可以得到常規(guī)方法或普通信息系統(tǒng)難以得到的重要信息，實現(xiàn)地理空間過程演化的模擬和預(yù)測，因此在水資源勘察、配置、規(guī)劃、管理和利用中得到廣泛應(yīng)用?；贕IS的水資源管理信息系統(tǒng)可以生成所在區(qū)域的自然地理和社會要素底圖，并進一步繪制水資源供需圖、水資源規(guī)劃圖、水污染分布圖等，分析區(qū)域內(nèi)水資源數(shù)量、質(zhì)量與人口分布的關(guān)系、與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系、與社會進步的關(guān)系等，預(yù)測水資源動態(tài)變化趨勢，并以空間分布方式查詢和管理相關(guān)信息，為科學(xué)管理、保護、開發(fā)、規(guī)劃水資源提供有力支持［５］。

基于GIS的水資源管理信息系統(tǒng)大大提高管理效率和水平。GIS的圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的相互耦合及圖形運算能力，使得數(shù)據(jù)輸入、更新維護、檢索查詢、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出等操作非常方便，有關(guān)數(shù)據(jù)信息、分析結(jié)果、預(yù)測結(jié)果、決策結(jié)果都以圖形體現(xiàn)，直觀性和可視性極強。GIS操作是Windows標準化的，有利于非專業(yè)的管理人員直接參與水資源管理的整個過程，根據(jù)具體情況和最新數(shù)據(jù)修訂決策方案。早在20世紀70年代，美國田納西流域管理局就已經(jīng)利用GIS技術(shù)處理和分析各種流域信息，為流域管理和規(guī)劃提供決策服務(wù)。20世紀80年代后，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，GIS在水文學(xué)及水資源管理領(lǐng)域的運用日漸普及［６］。

３ 系統(tǒng)設(shè)計與集成

３.１ 總體規(guī)劃

水資源管理信息系統(tǒng)采用以客戶／服務(wù)器體系（C/S）結(jié)構(gòu)為主、以瀏覽器／服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)為輔的總體方案。在Windows NT環(huán)境，通過數(shù)據(jù)庫、GIS、水資源管理專業(yè)模型之間的耦合和集成，使其具有用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)管理、GIS分析、數(shù)值計算、實時更新、網(wǎng)絡(luò)傳輸、預(yù)測預(yù)報、成果發(fā)布等功能，能在單機或局域網(wǎng)內(nèi)運行。

３.２ 框架結(jié)構(gòu)

按照安全性與開放性并重、領(lǐng)先性與成熟度并重、有效性與易用性并重原則開發(fā)的水資源管理信息系統(tǒng)，是一個由多個模塊和子系統(tǒng)組成、具有多項功能的復(fù)雜系統(tǒng)（圖１）。圖１ 基于GIS的長春市水資源管理信息系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

３.３ 模塊組成

３.３.１ 數(shù)據(jù)庫模塊

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括水文、氣象、城市規(guī)劃、社會經(jīng)濟、工程建設(shè)、人口、排污數(shù)據(jù)等，根據(jù)時空屬性可分為時間序列數(shù)據(jù)和空間分布數(shù)據(jù)。

方法數(shù)據(jù)庫包括儲存各種標準計算方法的數(shù)據(jù)庫，包括常規(guī)統(tǒng)計分析方法，如平均值、最大值、最小值、方差、正態(tài)分布檢驗等，以及回歸分析、聚類分析、模糊數(shù)學(xué)、灰色預(yù)測、主成分分析等方法。

模型數(shù)據(jù)庫包括與水資源分析、預(yù)測、預(yù)報有關(guān)的數(shù)理和化學(xué)模型，可以編譯為執(zhí)行程序（.EXE）或動態(tài)連接庫（.DLL），連同模型參數(shù)、計算方法、相關(guān)說明、中間計算結(jié)果、最終計算結(jié)果一起存儲于系統(tǒng)中，對系統(tǒng)的性能和表現(xiàn)至關(guān)重要。

動態(tài)數(shù)據(jù)庫包括地下水信息、地表水信息、水污染信息、供水信息、需水信息、年度用水計劃信息、工程信息、規(guī)劃信息等，要根據(jù)實時信息對水資源的動態(tài)變化情況及時更新和補充，保證數(shù)據(jù)庫的時效性和準確性。

地圖數(shù)據(jù)庫包括圖形數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，如GIS數(shù)據(jù)、矢量化數(shù)據(jù)、遙測遙感數(shù)據(jù)及影像、GPS數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)等。

多媒體數(shù)據(jù)庫包括影像、視頻、圖片、聲音、文字等，涉及政策法規(guī)、管理條例、成果展示、國家標準、規(guī)劃方案、工程描述等等。

３.３.２ 子系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)控制子系統(tǒng)：借助人機對話，管理數(shù)據(jù)庫之間、子系統(tǒng)之間的集成，驗證用戶身份，保證系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)和正常使用，負責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出等。

數(shù)據(jù)維護子系統(tǒng)：在地理信息系統(tǒng)的支持下，進行數(shù)據(jù)的維護。

系統(tǒng)管理子系統(tǒng)：包括水資源供需的管理、水環(huán)境質(zhì)量的管理、取水許可管理、水資源繳費管理、文件管理等。

信息查詢子系統(tǒng)：包括水資源、水文、氣象、水污染、經(jīng)濟社會發(fā)展等信息的查詢。

動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)：包括地下水水位監(jiān)測、地表水水位監(jiān)測、地下水水質(zhì)監(jiān)測、地表水水質(zhì)監(jiān)測、排污監(jiān)測、地下水取水預(yù)警、地表水取水預(yù)警等。

分析預(yù)測子系統(tǒng)：根據(jù)模型計算和仿真模擬結(jié)果，進行水資源現(xiàn)狀分析和預(yù)測預(yù)報，包括生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、林牧副漁業(yè)用水、生態(tài)用水等，為水資源科學(xué)規(guī)劃、合理配置和高效利用提供決策支持。

信息發(fā)布子系統(tǒng)：包括水資源公報和成果發(fā)布，對水資源各種指標及變化情況分析統(tǒng)計，撰寫、編輯水資源公報，把政策法規(guī)、地方條例、國家標準、管理成果等通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布）等［７］。

３.３.３ 計算機模塊

單機模式由基本外設(shè)、處理設(shè)備和輸出設(shè)備構(gòu)成。局域網(wǎng)模式有專線連接，適用于部門或單位內(nèi)部GIS建設(shè)。廣域網(wǎng)模式由公共通訊連接。

系統(tǒng)軟件關(guān)系到GIS和開發(fā)語言使用的有效性，是GIS的重要組成部分，主要包括計算機操作系統(tǒng)以及各種標準外設(shè)的驅(qū)動軟件，目前流行的有DOS、Windows98/NT/2000/XP、UNIX等?；A(chǔ)軟件包括數(shù)據(jù)庫軟件和圖形平臺。數(shù)據(jù)庫軟件用來管理空間數(shù)據(jù)，包括圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。流行的數(shù)據(jù)庫軟件主要有Oracle、Sybase、Informix、DB2、SQL Server、Ingress等。目前GIS軟件中主要采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理屬性數(shù)據(jù)。圖形平臺有AutoDesk公司開發(fā)的基于AutoCAD的AutoMap GIS軟件、Intergraph公司的基于MicroStation的MGE GIS軟件等。

４ 系統(tǒng)特點

４.１ 強大的查詢功能

系統(tǒng)支持海量信息的查詢，包括相關(guān)工程（供水工程、蓄水工程、引水工程等）、水質(zhì)監(jiān)測、空間遙感、污染排放、水文氣象、經(jīng)濟增長、社會發(fā)展等數(shù)據(jù)，而且還可以將各個要素的空間屬性疊加起來，獲得綜合分析結(jié)果。

４.２ 便于更新和維護

系統(tǒng)具有開放式結(jié)構(gòu)和實時動態(tài)的功能，在軟硬件方面保證良好的擴展能力，便于與其它相關(guān)系統(tǒng)對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和融合，完成系統(tǒng)的升級。

４.３ 具有電子地圖功能

水資源管理信息系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)、圖像處理、航空攝影、遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，具有電子地圖功能，與水資源相關(guān)的節(jié)點均可直觀地得以圖示，包括城市邊界、區(qū)縣邊界、各級流域分區(qū)邊界、居民生活區(qū)、工業(yè)區(qū)、農(nóng)業(yè)區(qū)、公園、綠地、氣象站、水文站、蒸發(fā)站、雨量站、排污口、水庫、湖泊、河流、濕地、鐵路、公路、環(huán)保監(jiān)測站、排污口等。

４.４ 標準化設(shè)計

水資源管理信息系統(tǒng)的開發(fā)和建設(shè)，盡量采用標準化方法，包括軟件、數(shù)據(jù)庫、計算規(guī)則、編碼代碼、評價手段、硬件配套、系統(tǒng)集成等。凡是已經(jīng)頒布了國家、行業(yè)標準或條例的，都嚴格執(zhí)行，尚沒有統(tǒng)一標準或條例的，則采用慣例標準。

４.５ 可視化設(shè)計

系統(tǒng)以鏈接屬性數(shù)據(jù)庫的形式在Windows平臺查詢圖形上各點的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過提取某些圖層，增減專題圖件。設(shè)計制作用于打印輸出的報告級專題圖件。

４.６ 具有保密功能

用戶使用時，要經(jīng)過身份認證，系統(tǒng)將檢驗用戶的合法性，如賬號、密碼等。對用戶的使用權(quán)限進行分級和授權(quán)，不同級別的用戶所能使用的軟件資源和獲得的數(shù)據(jù)資源不同。數(shù)據(jù)庫管理員擁有全部權(quán)限，開發(fā)維護使用人員擁有數(shù)據(jù)的增、刪、改、查，數(shù)據(jù)庫備份和恢復(fù)等權(quán)限，瀏覽訪問用戶只有數(shù)據(jù)查詢權(quán)限。無授權(quán)的用戶無法進入該系統(tǒng)。系統(tǒng)對操作軟件進行加密處理，非法用戶無法使用該軟件，如果強行破譯該軟件，系統(tǒng)將自動毀掉［８］。

５ 展 望

我國多個城市已經(jīng)嘗試了GIS技術(shù)在水資源管理領(lǐng)域中的應(yīng)用，但與國外發(fā)達國家相比，還處于初級應(yīng)用階段，無論是數(shù)據(jù)采集、存儲、管理和查詢檢索，還是動態(tài)監(jiān)測、空間分析、模型計算、預(yù)測預(yù)報、信息發(fā)布、決策支持功能都還處于較低水平。建立一個功能齊備的水資源管理信息系統(tǒng)需要投入大量的人力、物力和財力，因此在系統(tǒng)的開發(fā)過程中應(yīng)根據(jù)實際情況量力而行，建設(shè)規(guī)模適宜的水資源管理信息系統(tǒng)，并逐步提高應(yīng)用水平［９］。保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的可靠性，及時、全面、準確地獲取水文、氣象、水資源、相關(guān)自然資源、水污染、社會經(jīng)濟、環(huán)境質(zhì)量的基本數(shù)據(jù)并實時更新，加強數(shù)據(jù)的集成化程度和共享度。進一步研究復(fù)合系統(tǒng)的計算方法和模型集成，提高各種系統(tǒng)模型（如監(jiān)測模型、管理模型、動態(tài)模型、規(guī)劃模型、污染模型、評價模型等）的預(yù)測精準度，建立實用的信息管理系統(tǒng)、專家智能系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)［５］?；贕IS的水資源可持續(xù)管理信息系統(tǒng)投入使用后，將會大大改善長春市水資源管理的手段，使水資源行政管理部門能夠借助先進的科學(xué)技術(shù)更好地履行管理職責(zé)，使城市水資源管理由傳統(tǒng)的經(jīng)驗管理、定性管理轉(zhuǎn)向現(xiàn)代的科學(xué)管理、定量管理，更好地適應(yīng)信息化發(fā)展和社會公眾的要求，為長春市建設(shè)節(jié)水型城市提供決策依據(jù)，促進長春市進一步改善人居環(huán)境、增強核心競爭力、實現(xiàn)社會——經(jīng)濟——環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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