吳凌穎，郭旭寧，趙紅莉，成建國(guó)，蔣云鐘

（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；

2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；

3.水利部水利信息中心，北京 100053）

地理信息系統(tǒng)在水資源監(jiān)控與管理實(shí)踐中的應(yīng)用

吳凌穎1，郭旭寧2，趙紅莉2，成建國(guó)3，蔣云鐘2

（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；

2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；

3.水利部水利信息中心，北京 100053）

從地理信息系統(tǒng)（GIS）特點(diǎn)和水資源監(jiān)控與管理業(yè)務(wù)對(duì) GIS 技術(shù)需求的分析入手，梳理 GIS 技術(shù)在我國(guó)水資源監(jiān)控與管理工作中應(yīng)用的發(fā)展和現(xiàn)狀，指出當(dāng)前 GIS 技術(shù)在水資源監(jiān)控與管理中的應(yīng)用已得到極大的發(fā)展，未來(lái)可在應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)劃統(tǒng)籌和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、信息安全保障和智能服務(wù)等方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究和實(shí)踐，為 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應(yīng)用發(fā)展和提高水資源監(jiān)控及管理系統(tǒng)建設(shè)水平提供借鑒。

地理信息系統(tǒng)；水資源；監(jiān)控；管理；應(yīng)用

0 引言

2011 年中央 1 號(hào)文件和中央水利工作會(huì)議提出“加強(qiáng)水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，為強(qiáng)化監(jiān)督考核提供技術(shù)支撐”[1]；2012 年《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》明確要求“加強(qiáng)取水、排水、入河湖排污口計(jì)量監(jiān)控設(shè)施建設(shè)，加快建設(shè)國(guó)家水資源管理系統(tǒng)，逐步建立中央、流域和地方水資源監(jiān)控管理平臺(tái)，加快應(yīng)急機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，全面提高監(jiān)控、預(yù)警和管理能力”[2]。因此，應(yīng)該加強(qiáng)水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，逐步建立中央、流域和地方水資源監(jiān)控管理平臺(tái)，形成與實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度相適應(yīng)的水資源監(jiān)控能力，為最嚴(yán)格水資源管理制度考核提供手段和依據(jù)。

由于水資源時(shí)空分布不均，人類影響水資源的能力不斷增加，人類認(rèn)識(shí)水資源規(guī)律能力的局限，使得水資源監(jiān)控與管理工作的難度越來(lái)越大，常規(guī)監(jiān)控管理手段的局限性日顯突出。地理信息系統(tǒng)（GIS）以其顯著的多學(xué)科交叉特征和處理空間數(shù)據(jù)的獨(dú)特功能，被廣泛應(yīng)用于眾多的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，在水資源綜合開(kāi)發(fā)利用中的應(yīng)用發(fā)展也很迅速。為系統(tǒng)了解 GIS 技術(shù)在水資源監(jiān)控與管理中的應(yīng)用情況，加強(qiáng)我國(guó)水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)能力的建設(shè)，本文就地理信息系統(tǒng)在水資源監(jiān)控與管理實(shí)踐中的應(yīng)用情況進(jìn)行梳理與總結(jié)、展望。

1 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應(yīng)用需求

GIS 是采集、存貯、分析、再現(xiàn)空間信息的信息系統(tǒng)，它不僅利用屬性數(shù)據(jù)， 更重要的是利用空間數(shù)據(jù)。GIS 將地理空間信息模型化并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，便于對(duì)地理信息及以地理信息為載體的信息進(jìn)行查詢、空間分析，以達(dá)到對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行描述、模擬和預(yù)測(cè)的目的[3]。相對(duì)于常規(guī)意義上的信息系統(tǒng)，GIS 能進(jìn)行空間分析，且更能全面、直觀、動(dòng)態(tài)地采集和利用信息[4]。

水資源監(jiān)控與管理是指對(duì)天然和社會(huì)二元水資源系統(tǒng)的來(lái)水、水源、供水、取用水、耗水和排水等各環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制的活動(dòng)。及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取信息，有效地管理信息，合理地利用信息是水資源監(jiān)控與管理的基礎(chǔ)內(nèi)容和重要支撐。水資源管理系統(tǒng)以“取水—輸水—供水—用水—排水—回用水”等環(huán)節(jié)構(gòu)成的社會(huì)水循環(huán)過(guò)程為主要監(jiān)控對(duì)象，通過(guò)對(duì)點(diǎn)（水源地、取用水戶、入河排污口、地下水監(jiān)測(cè)井等）和線（河流、水功能區(qū)等）的信息監(jiān)測(cè)，掌握面（行政區(qū)、水資源分區(qū)和地下水分區(qū)等）的情況；通過(guò)取用水戶的取水和排水、行政分區(qū)的入境和出境水量、地下水等數(shù)據(jù)的互相校核，以及監(jiān)測(cè)信息、統(tǒng)計(jì)信息、流域及區(qū)域水循環(huán)模型等數(shù)據(jù)信息的互相校驗(yàn)，為實(shí)行“總量控制，定額管理”提供支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的科學(xué)調(diào)配和管理[5]。水資源系統(tǒng)的各類信息均具有空間分布特性[6-7]，需要依托 GIS 技術(shù)和工具進(jìn)行信息的獲取、管理、分析和應(yīng)用，按照信息獲取處理流程劃分，GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的主要應(yīng)用需求可以分為以下幾個(gè)方面：

1）信息獲取。水資源監(jiān)控與管理的對(duì)象是具有地理位置、形狀、范圍等特征的地理實(shí)體，如天然水循環(huán)系統(tǒng)中的降雨、蒸散發(fā)、徑流等有空間分布的特征，河流、湖泊、流域具有位置，長(zhǎng)度，形狀，范圍等特征；社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)中的水利工程、取用水戶、排污口、管理分區(qū)、控制斷面等，都具有位置、形狀、范圍等特征，這些信息的采集需要GIS 技術(shù)和工具的支撐，才能形成規(guī)范化組織和表達(dá)的水資源專題地理空間信息，與基礎(chǔ)地理空間信息和水資源屬性信息集成，支撐水資源監(jiān)控與管理活動(dòng)的實(shí)施。

2）信息管理。水資源專題空間信息描述的空間實(shí)體如河流、流域、測(cè)站、斷面等之間的相互關(guān)系，除了依附于空間實(shí)體的屬性之間的主外鍵關(guān)系外，還有上下游、干支流、左右岸、包含、相交等空間拓?fù)潢P(guān)系，管理水資源專題空間信息的工具和平臺(tái)需要具備存儲(chǔ)和維護(hù)點(diǎn)線關(guān)系、線面和空間拓?fù)涞汝P(guān)系的功能。

3）信息應(yīng)用。水資源管理活動(dòng)中包含大量對(duì)地理空間信息的應(yīng)用，如基于二、三維地圖的各類水資源監(jiān)測(cè)信息的可視化表達(dá)，水資源專題地圖的繪制與輸出，水資源信息的空間分析等，需要利用 GIS技術(shù)和特定的 GIS 工具和平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應(yīng)用綜述

GIS 技術(shù)具備解決水資源監(jiān)控與管理中空間信息的獲取和管理、基于空間信息的信息集成與應(yīng)用問(wèn)題的能力[8]，在國(guó)內(nèi)外有許多成功的研究和應(yīng)用案例。

國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家在水資源監(jiān)控管理信息化方面的起步較早，相應(yīng)地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用也較早。20 世紀(jì) 70 年代起，美國(guó)田納西州開(kāi)始用 GIS 技術(shù)處理和分析各種流域空間數(shù)據(jù)，為水資源管理和規(guī)劃決策提供服務(wù)；90 年代，GIS 在水資源管理中的應(yīng)用成為多個(gè)會(huì)議的主題或?qū)ｎ}[9-10]。歐洲一些國(guó)家隨后建立了具有 GIS 功能的水資源管理決策支持系統(tǒng) WaterWare，并在英國(guó)泰晤士河流域和墨西哥的Rielerma 流域得到較成功的應(yīng)用[11]。

我國(guó)水資源信息化起步較晚，但行動(dòng)迅速。我國(guó)學(xué)者在基于 GIS 的水資源管理系統(tǒng)方面做了大量的工作。趙紅莉，蔣云鐘等[12]在廣東省水資源管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于 GIS 控件技術(shù)開(kāi)發(fā)了廣東省水資源管理地理信息系統(tǒng)，將水資源管理中的行政分區(qū)、水資源分區(qū)、河流、取水口、排污口、水利工程等空間和屬性信息進(jìn)行了集成，基于 GIS 技術(shù)為水資源管理提供空間和屬性綜合的信息查詢和制圖平臺(tái)，并在廣東省的省、地市、縣三級(jí)水資源管理部門(mén)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。李云等[13]結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)與 GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)了適用于城市水資源管理的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)信息查詢、地表水和地下水運(yùn)動(dòng)模擬、用水量統(tǒng)計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水環(huán)境評(píng)價(jià)等功能。張保祥等[14]在 MapGIS 平臺(tái)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了山東省地下水回灌補(bǔ)源現(xiàn)狀和前景預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)系統(tǒng)。雷慶玲等[15]以地下水取水許可管理系統(tǒng)為例，研究和探討了基于 GIS Web Services 的分布式電子政務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。方瓊等[16]結(jié)合 WebGIS，應(yīng)用 ArcIMS及 Internet 的 WWW 服務(wù)模式，建立了山西省臨汾盆地地下水水資源信息管理的 WebGIS 服務(wù)。鄭名等[17]在 GIS 平臺(tái)提供的空間分析功能基礎(chǔ)上，集成開(kāi)發(fā)了水資源管理決策系統(tǒng)。桑穩(wěn)嬌等[18]以 GIS 為技術(shù)支撐，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用 GIS 控件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)建立了污水管網(wǎng)信息系統(tǒng)。陳興等[19]針對(duì)南京市六合區(qū)水資源特點(diǎn)，提出了基于 GIS 技術(shù)的一整套水資源優(yōu)化配置決策支持系統(tǒng)解決方案。天津市水利局、天津市水資源研究管理中心經(jīng)過(guò) 10 年的探索，現(xiàn)已初步建立起一套在現(xiàn)行水資源管理機(jī)制環(huán)境下可以方便應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)，并取得了較好的效果[20]。賈仰文，趙紅莉[21]等研究開(kāi)發(fā)的“北京市降雨產(chǎn)流測(cè)報(bào)系統(tǒng)”，將基于 WebGIS 的空間分析技術(shù)與分布式水文模型技術(shù)相結(jié)合，建立了 B/S 體系結(jié)構(gòu)的降雨產(chǎn)流模型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 GIS 高級(jí)分析和專業(yè)模型計(jì)算等功能的網(wǎng)絡(luò)共享。

2001 年 4 月，水利部在北京召開(kāi)了全國(guó)水利信息化工作座談會(huì)，提出“水利信息化是水利現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志，要把水利信息化作為一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)，抓緊抓好，通過(guò)國(guó)家防洪指揮系統(tǒng)、全國(guó)水質(zhì)信息系統(tǒng)和水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理系統(tǒng)等一系列應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，提高信息采集、傳輸?shù)臅r(shí)效性和自動(dòng)化水平，為實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置提供手段，為防汛抗旱決策提供依據(jù)，為水利更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展創(chuàng)造條件”[22]。為了保障最嚴(yán)格水資源管理制度的貫徹落實(shí)，改變水資源監(jiān)控手段缺乏的現(xiàn)狀，水利部組織編制了《國(guó)家水資源項(xiàng)目監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施方案》，計(jì)劃自 2012 年起，用 3 年時(shí)間完成近期建設(shè)，基本建立國(guó)家水資源管理系統(tǒng)框架，初步形成與實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度相適應(yīng)的水資源監(jiān)控能力，逐步增強(qiáng)支撐水資源科學(xué)管理和“三條紅線”監(jiān)督考核的能力[23]。

在此背景下，全國(guó)各流域、行政區(qū)相繼開(kāi)展了水資源監(jiān)控管理信息系統(tǒng)的建設(shè)?；春恿饔驈?012 年開(kāi)始，計(jì)劃用 3 年左右時(shí)間基本建成包含GIS 軟件系統(tǒng)的淮河流域水資源監(jiān)控管理信息平臺(tái)，完成流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的建設(shè)，形成與實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度相適應(yīng)的水資源監(jiān)控能力[24]?！斑|寧省太子河流域水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)”是“遼寧省區(qū)域水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)”的一部分，是以 GIS 平臺(tái)為支撐，進(jìn)行 3 座水庫(kù)的防洪與興利統(tǒng)一調(diào)度、地表水與地下水的聯(lián)合運(yùn)用管理，實(shí)現(xiàn)太子河流域水資源的優(yōu)化配置與科學(xué)管理，為我國(guó)北方地區(qū)的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，提供理論技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方面的參考[25]。

此外，2008—2013 年在由國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)牽頭建設(shè)的國(guó)家“自然資源和地理空間基礎(chǔ)信息庫(kù)”工程中，采用面向?qū)ο蟮膶傩钥臻g一體化數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行水資源專題數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，對(duì)已有水資源空間和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整合改造和入庫(kù)，依托水利分中心建設(shè)形成國(guó)家級(jí)水資源和地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)集群，可對(duì)水資源資源開(kāi)發(fā)與利用、配置與管理、節(jié)約與保護(hù)等一系列涉水重大事項(xiàng)提供決策支持。同時(shí)，在實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行了水資源專題信息獲取、處理、更新，共享信息流程標(biāo)準(zhǔn)體系，水資源專題制圖內(nèi)容、模式、方法，以及數(shù)據(jù)組織與共享模式的大量探索，形成了一系列水資源空間信息建設(shè)與共享應(yīng)用技術(shù)方法上里程碑性的成果。

2012 年建設(shè)的全國(guó)水利普查空間信息系統(tǒng)，既是一個(gè)基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)建立的多主題數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[26]，也是空間和屬性數(shù)據(jù)的綜合管理系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基于地理空間信息的水利普查信息的可視化組織與表達(dá)。水利普查空間信息系統(tǒng)為水利普查提供了基于國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪的 1∶50 000 更新數(shù)據(jù)和全國(guó)陸域 2.5 m 正射影像，建設(shè)了水利專題空間信息采集的平臺(tái)，基于平臺(tái)采集了包括河流、水利工程、河湖開(kāi)發(fā)治理保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水等相關(guān)的空間信息；在信息的組織管理上，將水利和地理信息全面深度融合，實(shí)現(xiàn)了空間、業(yè)務(wù)、關(guān)系和時(shí)態(tài)等特征信息的一體化管理；基于系統(tǒng)，整編完成了全國(guó)水利普查區(qū)域 24 182 幅 1∶50 000 標(biāo)準(zhǔn)分幅電子工作底圖數(shù)據(jù)，供全國(guó)水利普查機(jī)構(gòu)的近百萬(wàn)普查人員使用。

3 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應(yīng)用展望

在水資源監(jiān)控與管理中，GIS 的應(yīng)用無(wú)論在技術(shù)上，還是數(shù)據(jù)積累和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上都已成熟和日益豐富。依托一些大的水利行業(yè)地理信息建設(shè)項(xiàng)目，已較為系統(tǒng)地采集了水資源監(jiān)控與管理業(yè)務(wù)相關(guān)的空間數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)存貯、管理上形成了一些特有的技術(shù)方法和項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。在對(duì)空間信息的應(yīng)用上，也由簡(jiǎn)單的信息展示和查詢，發(fā)展為能利用GIS 的空間分析功能進(jìn)行專業(yè)分析與決策支持，基于GIS 的水利行業(yè)應(yīng)用也已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代。為更好地支撐水資源監(jiān)控與管理的日常業(yè)務(wù)和決策支持，對(duì)GIS 技術(shù)的應(yīng)用和系統(tǒng)的建設(shè)，還可以從以下幾個(gè)方面予以加強(qiáng)：

1）信息系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。水資源監(jiān)控與管理涉及的業(yè)務(wù)面寬，參與的業(yè)務(wù)部門(mén)眾多，各部門(mén)為提高管理水平，紛紛從自身需求出發(fā)，開(kāi)發(fā)和建設(shè)了大量的應(yīng)用系統(tǒng)，相互之間統(tǒng)籌不足，在數(shù)據(jù)和應(yīng)用上有項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)，但缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成信息孤島，導(dǎo)致信息交互和共享困難，應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)劃統(tǒng)籌和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

2）信息安全保障。隨著 GIS 應(yīng)用的不斷深入，大比例尺空間數(shù)據(jù)的采集和使用越來(lái)越多，數(shù)據(jù)安全問(wèn)題比以往任何時(shí)候都更為突出，需要加強(qiáng)信息安全教育，科學(xué)地研究和制定信息安全保障的規(guī)章制度，明確界定涉密信息的范圍，為涉密信息的使用建立安全通道，做到既能保障信息安全，又能為精細(xì)化的水資源管理提供便利支撐。

3）智能服務(wù)。進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)、智慧化和大數(shù)據(jù)的信息時(shí)代，水資源監(jiān)控與管理空間和屬性集成信息也已達(dá)到海量規(guī)模，需要加強(qiáng)海量數(shù)據(jù)的管理、信息挖掘、智能服務(wù)等方面的研究和應(yīng)用建設(shè)，才能應(yīng)對(duì)潛在的數(shù)據(jù)爆炸性增長(zhǎng)、水資源高效管理的業(yè)務(wù)要求和用戶預(yù)期不斷升高帶來(lái)的難題。

4 結(jié)語(yǔ)

水資源監(jiān)控與管理的各類信息均具有空間分布特性，可依托 GIS 技術(shù)和工具進(jìn)行空間信息的獲取、管理，以及空間和屬性綜合的分析和應(yīng)用。隨著地理信息系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的成熟與發(fā)展，GIS 技術(shù)在水資源監(jiān)控與管理中已得到廣泛應(yīng)用。在加強(qiáng)水利信息化、國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)，落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度等推動(dòng)下，GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應(yīng)用得到了極大的發(fā)展。未來(lái)可在應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)劃統(tǒng)籌和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、信息安全保障和智能服務(wù)等方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究和實(shí)踐，一方面使 GIS 在水資源監(jiān)控與管理中的應(yīng)用持續(xù)發(fā)展，另一方面也能更有效地支撐水資源監(jiān)控、管理與決策。

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Application of Geographic Information System in Water Resources Monitoring and Management

WU Lingying1, GUO Xuning2, ZHAO Hongli2, CHENG Jianguo3, JIANG Yunzhong2

（1.Earth Science and Engineering College of Hohai University, Nanjing 210098, China;
2.China Water Resources and Hydropower Research Institute, Beijing 100038, China;
3.Information Center, the Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China)

Based on the analysis of features of the geographic information system (GIS) and the GIS technology needs of water monitoring and management, the development process of GIS technology applied in water resources monitoring and management of our country is reviewed and the current status is summarized.It points out that current GIS application in the monitoring and management of water resources has been tremendous development.The suggestion is put forward to further strengthen the research and practice in the overall planning of system construction and related industry standard construction, information security and intelligence services in the future.This paper can provide reference for GIS application development in the monitoring and management of water resources and improve the level of water resources monitoring and management system.

geographic information system; water resources; monitoring; management; application

P208.2

A

1674-9405(2014)04-0001-04

2014-07-10

國(guó)家重大科技專項(xiàng)（08-Y30B07-9001-13/15-01）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2013BAB05B01）

吳凌穎（1992－），女，福建莆田人，河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院 2011 級(jí)地理信息系統(tǒng)專業(yè)本科生。