趙曉敏 李本懷

（1.長春市石頭口門水庫管理局，吉林長春 130524；2.吉林省水文水資源局長春分局，吉林長春 130500）

GIS技術(shù)在水文預(yù)報中的應(yīng)用—以長春新立城水庫為例

趙曉敏1李本懷2

（1.長春市石頭口門水庫管理局，吉林長春 130524；2.吉林省水文水資源局長春分局，吉林長春 130500）

介紹了GIS技術(shù)的基本功能，結(jié)合長春水庫的實例對GIS技術(shù)在水庫洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用做了簡單探討，以便于對水文情報預(yù)報中 GIS技術(shù)及其組件系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行研究。科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展也帶動著水文情報預(yù)報技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的水文預(yù)報工作已經(jīng)向自動化和網(wǎng)絡(luò)化放行轉(zhuǎn)變，GIS作為一種集綜合分析和數(shù)據(jù)空間處理為一體的新技術(shù)，如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。本文主要的研究方向就是GIS技術(shù)在洪水預(yù)報中的應(yīng)用，GIS現(xiàn)已成為水利預(yù)報中最為強而有力的一項工具。筆者以長春水庫文水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)為例，對 GIS在水文預(yù)報中的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢作相關(guān)的分析。

GIS技術(shù)；水文預(yù)報；長春；應(yīng)用研究

1 GIS在水文預(yù)報中應(yīng)用的重要性

1.1 地理信息系統(tǒng)類型與開發(fā)技術(shù)

GIS是地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）的簡稱，準(zhǔn)確地說 GIS 是一種系統(tǒng)，他主要是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)。一般而言，GIS在系統(tǒng)設(shè)計方面比較注重對空間數(shù)據(jù)的收集、管理、處理、分析、建模以及顯示等處理模塊，這一系列的運用模式能使復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題得到簡化，進(jìn)而為深入的分析和決策提供理論基礎(chǔ)。

地理信息系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)基本功能分為兩大基本類型，分別為工具型地理信息系統(tǒng)和應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)，前者主要包括以GIS為工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲、處理、分析以及輸出等處理。后者則是注重具體的應(yīng)用，主要包括地理信息系統(tǒng)和區(qū)域綜合地理信息系統(tǒng)，需要根據(jù)具體的專業(yè)、領(lǐng)域或工作內(nèi)容對GIS進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計。

上文中提到的工具型GIS軟件目前在國際上的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但是其提供的功能卻比較有限，尤其在二次開發(fā)語言的功能方面尤為薄弱，除此之外，工具性GIS還具有程序移植性差和難以滿足應(yīng)用型GIS的開發(fā)需求等問題。在應(yīng)用型GIS技術(shù)的開發(fā)中，應(yīng)用的主流技術(shù)為GIS功能組件的集成開發(fā)，其主要以COM和ActiveX技術(shù)為基礎(chǔ)，GIS組件是被直接嵌入到通用可視化開發(fā)環(huán)境中去的。

MapX是一種具有較強地圖分析能力的ActiveX控件產(chǎn)品，它的主要功能為繪制專題地圖繪制、綁定數(shù)據(jù)、圖層化、柵格圖像、選取對象、地圖編輯以及鏈接遠(yuǎn)程空間服務(wù)器等。由于它是一種基于Windows操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)控件，因此對大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化開發(fā)環(huán)境都能提供支持，例如Visual C++、PowerBuilder以及Visual Basic、Visual等程序語言。這就方面了工作人員，他們能夠使用自己熟悉的開發(fā)語言將地圖功能嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，進(jìn)而實現(xiàn) MapInfo Professional擁有的大多數(shù)地圖編輯功能和空間分析功能[1]。

GIS與計算機硬件、計算機操作系統(tǒng)，建設(shè)元數(shù)據(jù)庫，挖掘數(shù)據(jù)，管理數(shù)據(jù)庫以及自動化成像等技術(shù)都有著緊密的聯(lián)系，且由于上述的各中技術(shù)都處于不斷發(fā)展變化中，因此也給GIS注入了變化活力，使其發(fā)生深刻的變化。GIS在水利行業(yè)的應(yīng)用程度和發(fā)展趨勢不僅取決于GIS技術(shù)本身的發(fā)展，水利行業(yè)數(shù)字化的進(jìn)程推動情況對其也有巨大的影響。只要堅定不移地遵循以信息化帶動水利現(xiàn)代化的建設(shè)戰(zhàn)略方針，就能實現(xiàn)GIS在水利行業(yè)越來越廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)生的影響也會不斷擴大進(jìn)而成為管理和決策的支撐技術(shù)。

1.2 GIS應(yīng)用于水文預(yù)報的重要性

目前GIS技術(shù)在我國的應(yīng)用還是非常廣泛的，具體包括在減災(zāi)防汛、水環(huán)境以及水土保持等水文領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)于GIS在上述的幾種水文領(lǐng)域中的應(yīng)用描述如下。

在減災(zāi)防汛的領(lǐng)域之中，使用GIS技術(shù)能夠?qū)Τ鞘械姆e水狀況和退水狀況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報，并實現(xiàn)對現(xiàn)有排水設(shè)施情況的管理和更新以及對排水設(shè)施進(jìn)行設(shè)計和規(guī)劃。在對城市綠地的面積和位置進(jìn)行規(guī)劃的過程中，GIS技術(shù)可以對暴雨的空間特征、街道積水以及暴雨的分布等情況進(jìn)行可視化的顯示和儲存，且其具有高分辨度、多層次、高頻率地更新數(shù)據(jù)以及維護和管理數(shù)據(jù)等優(yōu)點。

除此之外，GIS在水文信息的評估方面也具有重大作用，包括對基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)的管理、對空間和屬性數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及顯示、檢索等等。在水土保持功能實現(xiàn)方面，GIS的應(yīng)用也是較為全面的。具體包括對土壤是否發(fā)生侵蝕進(jìn)行判斷、劃分土壤侵蝕的程度、對土壤侵蝕量進(jìn)行計算、對水土保持效益進(jìn)行評價、研究泥沙輸移狀況以及模擬和預(yù)測土壤侵蝕過程等。進(jìn)行水土保持工作實現(xiàn)時一般采用平臺為建立的GIS模型，這一特點是區(qū)別GIS在其他領(lǐng)域中應(yīng)用的最大標(biāo)準(zhǔn)[2]。

地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等技術(shù)的使用為空間信息的管理分析、應(yīng)用更新以及存儲等方面都提供了強大的技術(shù)支持。RS技術(shù)實現(xiàn)圖像信息的采集，GPS技術(shù)為處理環(huán)節(jié)提供位置信息，而GIS則負(fù)責(zé)最后階段的技術(shù)手段處理，如圖像處理和分析應(yīng)用等等。這三項先進(jìn)技術(shù)的聯(lián)合使用能夠為水文預(yù)報工作提供精確的數(shù)據(jù)資料，能夠通過動態(tài)電子地圖對不同水文領(lǐng)域的信息進(jìn)行查看，同時還可以通過對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用控制對洪峰流量以及降水等水文要素進(jìn)行合理分析，為減災(zāi)防汛提供真實科學(xué)理論數(shù)據(jù)支持。

2 GIS技術(shù)在長春水庫水文預(yù)報中的應(yīng)用

以長春市為例，對GIS在城市水庫洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用做簡單的探討，目的是為實現(xiàn)水庫的安全運行和水資源的優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)的理論依據(jù)，實現(xiàn)集數(shù)據(jù)處理、查詢顯示、洪水預(yù)報以及水庫調(diào)度等功能為一體的計算機控制系統(tǒng)。

長春市新立城水庫位于長春市東南部，與長春市中心相距16km，其主要功能為向長春市提供供水、防洪以及灌溉等綜合服務(wù)。新立城水庫壩址以上河長為90.2km，擁有總計為1970km2的控制流域面積，其基本河槽寬約10～20m，河深約3～5m，坡降千分之一至兩千分之一，總庫容約達(dá)5.92億km3，設(shè)計供水量為8880萬km3，洪水河灘寬1～3km。整個新立城水庫略成長方形形狀，擁有20.7km的平均寬度，流域內(nèi)山地約占三分之二，其余為河谷低平地。

盡管新立城水庫流域面積不大，但是由于防洪庫容較小，且流域暴洪具有降雨歷時久、強度大以及洪水陡漲陡落等特點，因此對水庫流域的水文特性盡心深入研究顯得尤為迫切，需要開發(fā)一個適用于長春新立城水庫水文預(yù)報的計算機模型，以確保正常供水、水庫安全以及下游防洪等功能的正常實現(xiàn)，提高水庫運行調(diào)度和管理水平[3]。

在對長春市新立城水庫進(jìn)行水文預(yù)報降雨產(chǎn)流模型時，我們可以采用雙拋物線改進(jìn)型新安江模型，對地下徑流匯流采用地下線性水庫的方法，將遞推數(shù)值濾波技術(shù)應(yīng)用于對實測流量過程的分割，采用模擬慢退火法對模型進(jìn)行最優(yōu)率定。對歷年暴雨之前的水庫水位及降雨情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉并分析，獲得包括降雨量、水庫水位以及泄流的流量過程等相關(guān)的水文資料，來對雨量進(jìn)行觀測并推斷出全流域的平均降雨量。進(jìn)行這樣的模型研究時，需要注意的是由于數(shù)據(jù)的漏測和測定時間間隔長等因素，水庫水位觀測上的誤差限制了流量過程線推流的質(zhì)量，因此選取數(shù)據(jù)時就應(yīng)當(dāng)選取相對比較完整的挖場洪水進(jìn)行本項研究。

盡管長春市的大部分地方都不同程度地發(fā)生過暴雨，但是大多數(shù)情況下都屬于小范圍局部暴雨，造成的危害性不大，而少數(shù)大范圍區(qū)域性暴雨或特大暴雨由于其歷時較長，雨量較大，因此往往對暴雨發(fā)生地或下游地區(qū)造成巨大的危害。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，長春歷年來的大范圍區(qū)域性暴雨或特大暴雨，發(fā)生地點多為飲馬河中上游。此模型將1991年的特大暴雨投入了長春新立城水庫的水文預(yù)報，將那次特大暴雨進(jìn)行入庫流量還原計算，并對這次特大暴雨預(yù)報情況進(jìn)行分析[4]。

GIS技術(shù)在水文預(yù)報中的應(yīng)用研究為地面徑流匯流提供了一種有效的方法，它能有機地將流域地形分布特征和地面徑流匯流機理進(jìn)行結(jié)合，使得各參數(shù)都擁有很明確的物理意義。對長春新立城水庫的流域水文預(yù)報進(jìn)行的模型應(yīng)用表明，GIS技術(shù)在水文預(yù)報工作中具有較高的精度，能夠滿足長春新立城水庫運行調(diào)度和控制的要求，可以被投入到實際應(yīng)用中去。

[1] 王光明,粱秀娟,肖長來,于景錄.GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].吉林水利,2009（6）

[2] 李志家.基于GIS的DEM和分布式水文模型的應(yīng)用比較[J].水利學(xué)報.2006（08）

[3] 劉佳,于福亮.GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展[J].水電能源科學(xué).2007（02）

[4] 鄭作偉.GIS在水文情報預(yù)報中的應(yīng)用[J].山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2007,（04）

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1008-1305（2013）02-0064-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.02.019

趙曉敏（1978年-），女，工程師。