侯景偉，孔云峰，劉潔心

（1.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川750021；2. 河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封475004；3. 鎮(zhèn)平縣水利局，河南 鎮(zhèn)平 474250）

解決飲水安全問題，涉及到飲水安全現(xiàn)狀分析、用水量預(yù)測、飲用水水源保護和規(guī)劃、飲水工程規(guī)劃等多個環(huán)節(jié)。而這些環(huán)節(jié)在不同的區(qū)域具有明顯的空間差異，用GIS技術(shù)解決飲水安全問題成為社會發(fā)展的必然趨勢。在國內(nèi)外，GIS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飲水安全的調(diào)查、分析、管理、規(guī)劃和決策中，為實現(xiàn)飲水安全的可視化和智能化帶來了生機。

1 GIS在飲水安全中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，利用GIS研究飲水安全問題，主要集中于水質(zhì)監(jiān)測與評價、用水量預(yù)測、飲水安全系統(tǒng)開發(fā)、水源保護和規(guī)劃等方面。

GIS在水質(zhì)監(jiān)測與評價中，可以處理大量的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以分層形式存儲，從不同側(cè)面、不同層次展現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，從宏觀的角度對各地區(qū)的水質(zhì)進行評價，分析飲用水中超標污染物的空間分布規(guī)律，揭示污染物與某些疾病的關(guān)系，為制定地方病防治策略提供了基礎(chǔ)資料，為飲水安全管理和規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐[1-4]。

GIS為具有空間差異的飲水量預(yù)測與分析帶來極大的方便。根據(jù)研究區(qū)的實際情況，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，建立最高日用水量預(yù)測模型，并把相關(guān)地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)輸入GIS軟件，制作最高日用水量預(yù)測分布圖和缺水分布圖。圖1是以河南省鎮(zhèn)平縣409個行政村為研究對象，利用上述模型在Arc/Info9.2平臺上預(yù)測的鎮(zhèn)平縣各行政村10 a的最高日缺水程度分布情況。圖中深紅色的23個行政村為缺水最嚴重的村，是飲水安全和工程規(guī)劃優(yōu)先要解決的村。根據(jù)最高日缺水量，可以合理確定工程設(shè)計規(guī)模和數(shù)量，確立飲水安全資金重點流向和飲水工程規(guī)劃重點區(qū)域，從而為飲水工程規(guī)劃提供了較為準確的空間決策支持[5]。

圖1 鎮(zhèn)平縣各村最高日缺水程度分布圖

與飲水安全相關(guān)的GIS軟件得到了開發(fā)和應(yīng)用[6-8]。通過建立飲水安全地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、圖層管理、漫游顯示和專題圖制作等基本功能，以及數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計報表、評價分析和水質(zhì)預(yù)測等應(yīng)用功能；實現(xiàn)圖文雙向查詢、空間分析、水質(zhì)評價與模擬，飲用水源保護在線信息發(fā)布、查詢、統(tǒng)計和飲用水源污染分析等功能，達到飲用水源在線檢測與信息共享的目的。

GIS在水源保護和規(guī)劃中得到了廣泛的應(yīng)用[9-13]。利用GIS技術(shù)可以分析水源利用類型及其分布規(guī)律、水質(zhì)分布規(guī)律及其原因，評估水源保護區(qū)現(xiàn)狀，預(yù)測水源保護區(qū)的生態(tài)安全等。利用GIS可以對無飲水設(shè)施區(qū)、引泉區(qū)、集中式供水區(qū)和分散式供水區(qū)等進行科學(xué)合理的規(guī)劃，并能繪制水源分布和規(guī)劃圖；可以在備選水源類型中優(yōu)選最佳水源類型，在備選水源地中優(yōu)選最佳水源地及最佳水源路線等。

盡管GIS在飲水安全中被廣泛應(yīng)用，但目前還存在一些問題：飲水安全數(shù)據(jù)獲得的精度和手段有待進一步提高；基于GIS的應(yīng)用分析算法、模型、軟件工具的發(fā)展還比較薄弱，信息分析的自動化、業(yè)務(wù)化水平有待進一步提高；根據(jù)研究目的和對象的不同，時空尺度的合理選擇比較困難；GIS技術(shù)優(yōu)勢特別是在數(shù)據(jù)分析和輔助決策方面的功能尚未充分發(fā)揮。

2 GIS在飲水安全應(yīng)用中的展望

GIS在飲水安全中的應(yīng)用日益廣泛和深入，再加上新技術(shù)、新方法的出現(xiàn)和發(fā)展，必將促進飲水安全工程規(guī)劃的科學(xué)化、規(guī)范化、自動化和可視化。

1）實現(xiàn)飲水安全多維GIS技術(shù)是飲水安全研究的新焦點。飲水安全多維GIS的建立是一個復(fù)雜的過程，必須根據(jù)水資源學(xué)原理，選擇合適的模擬方法，建立多維空間數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)對多維空間現(xiàn)象的有效、完整描述。利用飲水安全三維GIS可視化技術(shù)，可以實現(xiàn)在三維虛擬世界中對具有空間特征的飲水安全信息進行操作和分析，主要包括：飲水安全三維空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的訪問和關(guān)聯(lián)，圖示查詢、信息查詢、圖數(shù)互查、條件查詢等靈活多樣的查詢方式，飲水實體間相互關(guān)系分析，三維網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系分析，根據(jù)實際要求對各種飲水實體的定量分析等。

在飲水安全中利用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，能夠充分反映三維飲水的水質(zhì)、水量等形態(tài)，加強人機交互的能力，為三維飲水安全的動態(tài)顯示提供新的研究思路，實現(xiàn)了全方位、多視角的動態(tài)觀察，多種實時數(shù)據(jù)的漫游和瀏覽，多樣化的圖形顯示控制方式。

2）基于GIS的應(yīng)急管理是飲水安全研究的新內(nèi)容。飲水安全應(yīng)急管理是指政府及水利等公共機構(gòu)在供水事故和飲用水污染事故處置過程中，通過建立必要的應(yīng)急機制，采取一系列必要措施，保障公眾生命財產(chǎn)安全，促進社會和諧健康發(fā)展的有關(guān)活動。利用GIS技術(shù)可以及時、直觀地提供重大事故隱患信息、重點污染源信息以及搶險救援信息，形成對重大飲水安全事故的可靠預(yù)防、監(jiān)測監(jiān)控、快速預(yù)警與快速響應(yīng)的運行機制，提高飲水安全應(yīng)急管理的保障能力，構(gòu)筑公共安全保障體系，預(yù)防和減少事故造成的損失。

飲水安全應(yīng)急管理是對飲水安全事件的全過程管理，需要各種人力、物力、財力等資源保障和3S技術(shù)保障。根據(jù)飲水安全事件的發(fā)展階段，飲水安全應(yīng)急管理可分為應(yīng)急準備、應(yīng)急處置和善后處理3個過程，見圖2。

圖2 飲水安全應(yīng)急管理流程圖

3）在飲水工程規(guī)劃中應(yīng)用GIS技術(shù)是飲水安全研究的新挑戰(zhàn)。飲水工程系統(tǒng)可分為取水工程、水處理（凈水）工程和輸配水工程3部分。應(yīng)用GIS技術(shù)將減少飲水工程規(guī)劃的工作量，強化可視化和動態(tài)分析功能，增強空間區(qū)域的綜合能力。例如，根據(jù)節(jié)點、管線、水泵、閥門、水池等設(shè)計管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫；以飲水管道的總費用函數(shù)作為目標函數(shù)，確定最優(yōu)管徑、最優(yōu)管網(wǎng)和管網(wǎng)輻射半徑；通過計算工程一次性投資和運行費用之和年最小值來確定飲水安全工程的最佳規(guī)劃方案[14]。

4）實現(xiàn)基于GIS的人工智能技術(shù)是飲水安全研究的新難點。人工智能（AI）在飲水安全中有著廣闊的應(yīng)用前景，為實現(xiàn)飲水安全的智能化和自動化提供了可能。通過AI可以進行空間信息智能化處理，從而發(fā)現(xiàn)新的知識，描述各類地理因素主要特征并預(yù)測系統(tǒng)將來的發(fā)展趨勢。基于GIS和AI的飲水安全系統(tǒng)概念模型如圖3所示。用戶用自然語言輸入要解決的飲水問題，通過分析查詢，依據(jù)提取的查詢特征屬性，在已優(yōu)化案例庫中進行檢索、匹配，利用模糊綜合評判，計算相似度。根據(jù)問題需要，從專家知識庫中調(diào)用相關(guān)專家知識，從模型庫中調(diào)用相關(guān)模型，從GIS中調(diào)用相關(guān)的時空數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，進行飲水現(xiàn)狀分析、用水量預(yù)測、水源規(guī)劃和工程規(guī)劃等，通過推理、解譯，組合出若干優(yōu)化方案，再使用綜合評判的方法選出最佳的方案。

圖3 基于GIS和AI的飲水安全系統(tǒng)概念模型

5）多種技術(shù)和方法的綜合應(yīng)用是飲水安全研究的新趨勢。3S技術(shù)可解決飲水安全的相關(guān)問題。利用RS可獲得大量的遙感影像數(shù)據(jù)源，從而發(fā)現(xiàn)水質(zhì)、水量等的變化；利用GPS則提供精確的空間定位數(shù)據(jù),從而測量水質(zhì)、水量等的變化區(qū)域；利用GIS強大的空間分析功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

各種理論和算法的綜合應(yīng)用是飲水安全研究的發(fā)展趨勢。管網(wǎng)計算理論、系統(tǒng)優(yōu)化理論與GIS相結(jié)合，可以進行管網(wǎng)水力工況分析和給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計。遺傳算法（GA）、模擬退火算法（SA）和Tabu搜索等技術(shù)不要求目標函數(shù)及約束條件可導(dǎo)或連續(xù)，就能產(chǎn)生全局最優(yōu)解。最小成本規(guī)劃（LCP）、綜合資源規(guī)劃（IRP）、綜合價值規(guī)劃（IVP）等優(yōu)化模型結(jié)合運籌學(xué)、系統(tǒng)論、決策論等領(lǐng)域的研究成果，在GIS技術(shù)的支持下，應(yīng)用計算機程序求解，可使經(jīng)驗性因素大大減少，增強規(guī)劃的科學(xué)性。

3 結(jié) 語

用GIS來解決飲水安全問題，具有省時、省力、成本低的優(yōu)點，在可視化、規(guī)范化、智能化和科學(xué)化方面優(yōu)于常規(guī)的解決方案，是社會發(fā)展的必然趨勢。飲水安全的研究和發(fā)展需要全新的理論體系、關(guān)鍵技術(shù)和方法。特別是在飲水安全的多維可視化、應(yīng)急管理、飲水工程規(guī)劃的綜合研究方面，有待于和GIS有機結(jié)合，做進一步研究。

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