周興全，徐煥斌，田 越

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 德陽(yáng)，618000)

GIS在德陽(yáng)市地表水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

周興全，徐煥斌，田 越

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 德陽(yáng)，618000)

本文以德陽(yáng)市為例，闡述了在水資源評(píng)價(jià)中應(yīng)用GIS的一般方法，包括獲取評(píng)價(jià)區(qū)域水系、面積和河流長(zhǎng)度等特征信息，快速準(zhǔn)確地計(jì)算出各行政區(qū)內(nèi)水資源分區(qū)的組成，完成評(píng)價(jià)區(qū)域徑流深等值線(xiàn)圖的繪制，采用等值線(xiàn)面積加權(quán)平均法計(jì)算水文站未控區(qū)間水資源量等，可有效提高水資源評(píng)價(jià)工作的分析計(jì)算精度和工作效率。

GIS水資源評(píng)價(jià) 應(yīng)用 德陽(yáng)市

1 概述

地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystems，簡(jiǎn)稱(chēng)GIS)是一種集采集、存儲(chǔ)、管理、分析和顯示地理信息為一體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要研究空間對(duì)象及其屬性信息。

在水資源評(píng)價(jià)中涉及的空間信息，主要包括行政區(qū)劃、河流水系、等高線(xiàn)等基礎(chǔ)信息，以及水資源評(píng)價(jià)區(qū)劃、水文站點(diǎn)位置、控制斷面流域界等專(zhuān)業(yè)信息。這些資料過(guò)去往往都是圖、表格或散亂的數(shù)據(jù)，對(duì)其空間分布缺乏有效的表達(dá)。本文以德陽(yáng)市地表水資源評(píng)價(jià)為例，闡述了利用GIS存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)維護(hù)功能，以及強(qiáng)大的空間信息分析能力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)純圖形、純數(shù)字的缺陷，可極大地提高水文水資源分析計(jì)算精度和工作效率。

2 GIS應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)[1，2]

2.1 空間信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

空間信息的生產(chǎn)要考慮工作底圖及其比例尺的選擇和工作底圖上各種空間信息轉(zhuǎn)換成易于計(jì)算機(jī)處理的技術(shù)途徑，將包含各種空間信息的行政區(qū)劃圖、等值線(xiàn)圖等工作底圖掃描矢量化，并利用GIS進(jìn)行地理配準(zhǔn)，形成矢量數(shù)據(jù)。地理配準(zhǔn)的關(guān)鍵問(wèn)題，是弄清工作底圖的投影體系和控制點(diǎn)的地理坐標(biāo)。

同樣，將水文站點(diǎn)位置信息、水文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS軟件易于處理的形式，也可利用地理信息系統(tǒng)創(chuàng)建點(diǎn)的功能，根據(jù)水文站點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)直接生成。

2.2 空間信息分析處理

2.2.1 空間信息的幾何量算

水資源評(píng)價(jià)中涉及大量的幾何量算，面對(duì)象的幾何量算用得最多。如各級(jí)行政區(qū)劃的面積、各級(jí)水資源評(píng)價(jià)區(qū)劃的面積、水文站控制斷面以上的流域面積等。傳統(tǒng)方法各種區(qū)劃面積大多通過(guò)求積儀來(lái)量算，其工作量較大。而現(xiàn)在用GIS來(lái)量算各種區(qū)劃面積，在電子地圖上勾繪出行政區(qū)劃和各級(jí)流域分界線(xiàn)后，可自動(dòng)計(jì)算出各區(qū)的面積，不僅快捷，而且精度也高。

2.2.2 空間信息的疊加分析

空間信息的疊加分析，是將兩層或多層空間信息疊加產(chǎn)生一個(gè)新要素的操作，其結(jié)果將原來(lái)要素分割生成新的要素。新要素綜合了原來(lái)兩層或多層空間信息所具有的屬性。疊加分析包括多邊形疊加、點(diǎn)與多邊形疊加和線(xiàn)與多邊形疊加。在水資源評(píng)價(jià)中，用得最多的是多邊形疊加，如行政區(qū)劃圖層與水資源評(píng)價(jià)區(qū)劃圖層疊加，結(jié)果表示了每個(gè)行政區(qū)劃及其對(duì)應(yīng)的水資源評(píng)價(jià)區(qū)域，或每個(gè)水資源評(píng)價(jià)區(qū)劃及其對(duì)應(yīng)的行政區(qū)域。

2.2.3 數(shù)字地面模型(DTM)

在實(shí)際應(yīng)用中，DTM最常用的表達(dá)方式有三類(lèi)：規(guī)則格網(wǎng)(GRID)、不規(guī)則格網(wǎng)(TIN)和數(shù)字等值線(xiàn)圖。TIN數(shù)據(jù)的最大優(yōu)點(diǎn)之一，就是可以非常方便地生成等值線(xiàn)。

在水資源評(píng)價(jià)中，首先計(jì)算出站點(diǎn)降水量、徑流深多年平均值；再用GIS空間分析生成TIN；將帶降水量、徑流深屬性的TIN繪制出等值線(xiàn)圖；主要研究和評(píng)價(jià)降水量、水資源量等水文變量的空間分布和時(shí)間變化特性。

根據(jù)區(qū)域水文站點(diǎn)坐標(biāo)文件繪制的站點(diǎn)分布圖，并賦予各站點(diǎn)多年平均徑流深的屬性值，導(dǎo)出帶屬性的GIS文件，應(yīng)用空間分析模塊克里金插值方法初步生成徑流深等值線(xiàn)圖。參照歷史成果，根據(jù)地形地貌、降雨、蒸發(fā)等影響因素，對(duì)初步生成的等值線(xiàn)進(jìn)行交互修改，使之符合本區(qū)域的降水空間分布特性。

2.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

當(dāng)區(qū)域面積較大、分布不均勻時(shí)，通常采用等值線(xiàn)面積加權(quán)平均法計(jì)算多年平均水資源量。

采用GIS中的空間分析模塊進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析，可利用已生成的GRID得出研究區(qū)域內(nèi)的水資源量。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以德陽(yáng)市為例，說(shuō)明GIS在水資源評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用。

3.1 電子地圖及相關(guān)數(shù)據(jù)錄入

本次水資源評(píng)價(jià)以1∶25萬(wàn)電子地圖為工作底圖，為提高后續(xù)工作中大量面積計(jì)算的精度，統(tǒng)一將電子地圖投影為北京54坐標(biāo)系。其次，將包含各種空間信息的行政區(qū)劃圖、等值線(xiàn)圖等底圖掃描矢量化，并進(jìn)行地理配準(zhǔn)，形成矢量數(shù)據(jù)。同時(shí)將水文站點(diǎn)位置信息、水文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS軟件易于處理的形式。

3.2 水資源分區(qū)及分區(qū)面積

水資源分區(qū)面積的量算精度，對(duì)于地表水資源評(píng)價(jià)的成果影響很大。首先根據(jù)自然地理?xiàng)l件的差異進(jìn)行水資源分區(qū)；再應(yīng)用GIS軟件在電子地圖上勾繪出行政區(qū)劃和各級(jí)水資源分區(qū)界限后，通過(guò)對(duì)電子地圖構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系，自動(dòng)計(jì)算出各分區(qū)面積；最后利用GIS的疊加分析工具，快速準(zhǔn)確地計(jì)算出各行政區(qū)內(nèi)水資源分區(qū)的組成。

德陽(yáng)市面積5981km2，主要河流水系劃為五級(jí)水資源分區(qū)，三級(jí)區(qū)為沱江區(qū)和涪江區(qū)，四級(jí)區(qū)為盆地邊緣區(qū)、丘陵區(qū)、平原區(qū)，五級(jí)區(qū)為綿遠(yuǎn)河、石亭江、湔江、青白江、沱江支流。本次共劃分了22個(gè)計(jì)算分區(qū)，最大評(píng)價(jià)分區(qū)面積928km2，最小評(píng)價(jià)分區(qū)面積9km2。德陽(yáng)市水資源分區(qū)成果見(jiàn)表1，水資源分區(qū)圖見(jiàn)圖1。

表1 德陽(yáng)市水資源分區(qū)成果

圖1 德陽(yáng)市水資源分區(qū)圖

3.3 年徑流深等值線(xiàn)

3.3.1 徑流資料

選用質(zhì)量好、觀測(cè)系列長(zhǎng)的漢王場(chǎng)、高景關(guān)、關(guān)口、三皇廟、觀音場(chǎng)、胡家壩、涌泉、大馬口、大邑及都江堰管理局渠道進(jìn)口站的資料。為了滿(mǎn)足本次評(píng)價(jià)對(duì)資料系列的要求，對(duì)徑流系列不足45年同步期的站，一律插補(bǔ)延長(zhǎng)至45年(即1966～2010年)。采用數(shù)學(xué)期望公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，以矩法估算統(tǒng)計(jì)參數(shù)，再通過(guò)P-Ⅲ型頻率曲線(xiàn)適線(xiàn)確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，求得各水文站徑流設(shè)計(jì)成果。主要水文站設(shè)計(jì)徑流成果見(jiàn)表2。

表2 主要水文站設(shè)計(jì)徑流成果

3.3.2 等值線(xiàn)

根據(jù)區(qū)域水文站點(diǎn)坐標(biāo)文件繪制的站點(diǎn)分布圖，并賦予各站點(diǎn)多年平均徑流深的屬性值，導(dǎo)出帶屬性的GIS文件，參照矢量化處理后的《四川省水文手冊(cè)》(1979年)徑流深等值線(xiàn)圖及四川省水文水資源勘測(cè)局2008年完成的四川省1956～2005年平均年徑流深等值線(xiàn)圖，應(yīng)用空間分析模塊克里金插值方法生成徑流深等值線(xiàn)圖。

通過(guò)空間分析模塊生成區(qū)域徑流深的柵格數(shù)據(jù)，量算兩相鄰等值線(xiàn)間的面積，采用面積加權(quán)法求得各水文站斷面以上徑流深。反復(fù)調(diào)整等值線(xiàn)分布，使等值線(xiàn)法計(jì)算的平均徑流深與水文站控制面積法計(jì)算結(jié)果相差3%左右。德陽(yáng)市多年平均徑流深439.8mm。

表3 徑流深等值線(xiàn)合理性檢查

3.4 分區(qū)地表水資源量

采用GIS中的統(tǒng)計(jì)分析模塊進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)各水文站實(shí)測(cè)資料，求得相應(yīng)控制區(qū)的水資源量。水文站未控區(qū)間水資源量，按徑流深等值線(xiàn)面積加權(quán)平均計(jì)算各水資源分區(qū)的多年平均徑流深，再乘以各水資源分區(qū)面積，得到各水資源分區(qū)多年平均水資源量。

表4 各區(qū)縣地表水資源量

德陽(yáng)市多年平均地表水資源量26.3億m3，折合徑流深439.8mm。全市主要江河屬沱江水系，集水面積為3667km2，多年平均徑流深562.0mm，集水面積和水量分別占61.3%和78.3%。涪江水系的集水面積為2314km2，多年平均徑流深246.1mm。

3.5 水資源量評(píng)價(jià)

德陽(yáng)市降水產(chǎn)流關(guān)系變化較小，水資源量的變化原因主要是氣候條件變化導(dǎo)致降水量變化。20世紀(jì)60年代前降水相對(duì)偏豐，90年代以來(lái)局部地區(qū)降水量明顯減少，造成持續(xù)干旱河川徑流急劇減少。2000年以后的10年，全市水資源處于1966年以來(lái)的最枯階段，近25年平均地表水資源量較前20年減少15%。

4 結(jié)語(yǔ)

GIS軟件可以方便地獲取流域水系、流域面積和河流長(zhǎng)度等特征信息，疊加分析工具快速準(zhǔn)確地計(jì)算出各級(jí)行政區(qū)內(nèi)水資源分區(qū)的組成，完成等值線(xiàn)圖繪制和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，解決了因等值線(xiàn)分布不均勻時(shí)量算兩相鄰等值線(xiàn)間流域面積的難題，采用等值線(xiàn)面積加權(quán)平均法計(jì)算水文站未控區(qū)間水資源量。

在水資源評(píng)價(jià)中，應(yīng)用GIS極大地提高了計(jì)算精度和工作效率，提供了強(qiáng)有力的水資源分析、評(píng)價(jià)及計(jì)算功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

〔1〕劉九夫，張建云.GIS在水資源評(píng)價(jià)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究.水文，2002，(6).

〔2〕湯國(guó)安，楊 昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程(第二版).北京：科學(xué)出版社，2014.

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TP399∶TV

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2095-1809(2016)01-0046-04

周興全(1983-)，男，工程師，主要從事水文與水資源、水環(huán)境保護(hù)等工作。