王丹丹

(遼寧省盤(pán)錦水文局，遼寧 盤(pán)錦 124000)

?

基于GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

王丹丹

(遼寧省盤(pán)錦水文局，遼寧 盤(pán)錦 124000)

摘要：地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)屬于近幾年電子信息化與計(jì)算機(jī)運(yùn)用不斷發(fā)展所形成的新型技術(shù)，可通過(guò)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確收集、存儲(chǔ)、分析管理，為相關(guān)研究提供良好的可視性精準(zhǔn)信息，以此滿足各項(xiàng)研究中多功能、智能化發(fā)展趨勢(shì)。因此GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用發(fā)展也逐漸拓展至水文水資源領(lǐng)域，文章則重點(diǎn)針對(duì)GIS技術(shù)對(duì)于水文水資源領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)回顧性總結(jié)相關(guān)應(yīng)用特點(diǎn)，并探討GIS在水文水資源領(lǐng)域中的不足之處。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；GIS技術(shù)；水文水資源領(lǐng)；應(yīng)用價(jià)值

0引言

隨著近年來(lái)全球計(jì)算機(jī)信息技術(shù)迅猛發(fā)展，科研力量日益增強(qiáng)，加之水文相關(guān)研究項(xiàng)目的重視，其水文與計(jì)算機(jī)信息化相互結(jié)合的，因此各類水文水資源技術(shù)手段也在由傳統(tǒng)高消耗、低效率方式逐步走向信息化、統(tǒng)籌規(guī)范、智能化方向邁進(jìn)[1]。當(dāng)前全球環(huán)境惡化加劇，其地理水資源逐步匱乏枯竭，用水危機(jī)由此受到人們關(guān)注。而由此展開(kāi)對(duì)水資源的探索及水文相關(guān)資料的收集、整理、分析等綜合性研究也不斷增加。地理信息系統(tǒng)GIS作為當(dāng)前計(jì)算機(jī)空間信息處理分析系統(tǒng)，其能夠有效結(jié)合時(shí)空分布特點(diǎn)變化對(duì)相關(guān)空間信息、圖表數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行完善分析處理，當(dāng)水文研究領(lǐng)域應(yīng)用其中可結(jié)合水資源特點(diǎn)對(duì)水資源循環(huán)性、資源信息評(píng)估及有效利用率等發(fā)面發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2]，讓研究者準(zhǔn)確評(píng)估分析水文資源及調(diào)度。

1地理信息技術(shù)GIS及其發(fā)展?fàn)顩r

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)也可統(tǒng)稱GIS技術(shù)，屬于近幾年電子信息化與計(jì)算機(jī)運(yùn)用不斷發(fā)展所形成的新型技術(shù)，綜合信息學(xué)、地理學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與遙感技術(shù)共同發(fā)展所致[3]，在處理空間類相關(guān)信息具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。GIS通過(guò)計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)分析空間采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化信息，為相關(guān)研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)引用、提取編輯、重構(gòu)轉(zhuǎn)化等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。而近幾年GIS技術(shù)的大力發(fā)展，其功能及發(fā)展概念也有傳統(tǒng)的集成、存儲(chǔ)性應(yīng)用逐步向智能化、多功能方向轉(zhuǎn)變，為各項(xiàng)空間性研究提供高精度、實(shí)時(shí)化信息。因此GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用發(fā)展也逐漸拓展至水文水資源領(lǐng)域，為水文水資源規(guī)劃、水污染控制、水文情報(bào)預(yù)報(bào)、防洪減災(zāi)、水管網(wǎng)信息管理以及生態(tài)用水量評(píng)估等方面具有重要意義。

2GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用

當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，世界各國(guó)資源也不斷縮減，使社會(huì)發(fā)展遇到瓶頸，因此發(fā)展理念也逐步有過(guò)去開(kāi)拓型發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)穩(wěn)定型發(fā)展模式。而水資源作為當(dāng)前社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境各個(gè)環(huán)節(jié)中不可缺少的一部分，其水文水資源的合理、科學(xué)利用成為當(dāng)前發(fā)展核心之一。然而由于水資源地理分布特性，對(duì)此在水文水資源的評(píng)估、預(yù)測(cè)及配置需求等相關(guān)研究均需要與地理學(xué)息息相關(guān)。而近幾年采取地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)能夠有效準(zhǔn)確對(duì)各地區(qū)河流水資源的分布、存蓄量以及與地區(qū)人口需求關(guān)系進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)分析，為系統(tǒng)科學(xué)管理水文水資源提供便利[4-5]。例如結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)某地區(qū)地形流域水資源進(jìn)行觀測(cè)，評(píng)估水量?jī)?chǔ)蓄及開(kāi)展利用率，方便信息管理，利用剖面顯示、補(bǔ)給和開(kāi)采模擬等方式對(duì)水資源進(jìn)行細(xì)致規(guī)劃。

2.1水污染控制規(guī)劃

水體的污染控制作為整個(gè)水資源規(guī)劃重要項(xiàng)目之一，其中控制的根本目的在于總量控制，通過(guò)“治本”為核心，將水體污染系統(tǒng)規(guī)劃于不同能區(qū)水域單元，并利用GIS技術(shù)根據(jù)水質(zhì)分布與水體污染源的排污網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行統(tǒng)籌，用地圖的形式存儲(chǔ)管理;而國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)資料、污染物的種類及數(shù)量則可用兼容的數(shù)據(jù)庫(kù)形式存儲(chǔ)管理[6]。GIS技術(shù)的區(qū)域水污染控制規(guī)劃方案可見(jiàn)圖1。

圖1GIS技術(shù)的區(qū)域水污染控制規(guī)劃方案

2.2水文情報(bào)預(yù)報(bào)及防洪減災(zāi)

GIS技術(shù)作為時(shí)空數(shù)據(jù)整合性系統(tǒng)，能夠?yàn)楦鞯貐^(qū)水文信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，讓地區(qū)性大范圍水文相關(guān)信息得到及時(shí)處理與應(yīng)用，這對(duì)于后期的水文預(yù)報(bào)有著重要作用。例如利用GIS技術(shù)將水文模型參數(shù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，由精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與細(xì)致優(yōu)化的模型設(shè)計(jì)提升水文模型質(zhì)量[7]；尤其對(duì)于數(shù)字高程模型的應(yīng)用可有效結(jié)合水力學(xué)相關(guān)技術(shù)，讓實(shí)際水文信息的監(jiān)測(cè)更加真實(shí)有效。另外準(zhǔn)確的水文信息未相關(guān)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供有效參考，通過(guò)劃分承擔(dān)相應(yīng)水域河流洪水預(yù)測(cè)，為后期防洪減災(zāi)提供真實(shí)數(shù)據(jù)。GIS技術(shù)在防洪減災(zāi)的指導(dǎo)主要在于水域信息統(tǒng)籌管理、災(zāi)情評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及區(qū)域行劃分等。首先是利用GIS技術(shù)構(gòu)建防洪信息管理平臺(tái)，讓GIS技術(shù)在短時(shí)間有效收集空間水文數(shù)據(jù)，做到實(shí)時(shí)查詢、搜索、維護(hù)更新，充分強(qiáng)化信息資源的整合利用率。GIS的空間分析能力為防洪決策提供可靠的信息輔助支持，為各類應(yīng)用模型提供數(shù)據(jù)；通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)參數(shù)，做到精準(zhǔn)評(píng)估，讓減災(zāi)防洪決策形成數(shù)據(jù)化、可視化行為，從而為災(zāi)情的調(diào)整、評(píng)估給予良好的輔助。其后則是評(píng)估災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)細(xì)致分析對(duì)應(yīng)足夠的洪水發(fā)生概率和強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的模擬計(jì)算，讓威脅與危害程度進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，計(jì)算損失，在統(tǒng)計(jì)分析中也需要注重考慮自然地理位置特性、社會(huì)因素進(jìn)行空間疊加，然后完成分析[8-9]。在這方面我國(guó)結(jié)合GIS計(jì)算特點(diǎn)，深化各項(xiàng)災(zāi)情數(shù)據(jù)模型構(gòu)建，同時(shí)結(jié)合各類環(huán)境、社會(huì)、人員等復(fù)雜因素的完善構(gòu)建，也使得GIS防災(zāi)評(píng)估系統(tǒng)不斷發(fā)展完善。不過(guò)GIS作為新興技術(shù)仍舊具有極大的研討空間，如利用GIS技術(shù)延伸空間分析，將水域上下游的相關(guān)性與GIS數(shù)據(jù)幾何多圖像疊加等方面進(jìn)行適時(shí)性防洪監(jiān)測(cè)。

2.3供水管網(wǎng)信息管理

目前結(jié)合GIS技術(shù)來(lái)規(guī)劃供水工程中的管網(wǎng)設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)呈3類形式，①獨(dú)立性開(kāi)放設(shè)計(jì)；②集成二次開(kāi)發(fā)；③單純二次開(kāi)發(fā)。這其中又屬獨(dú)立性開(kāi)發(fā)模式最為簡(jiǎn)單，其開(kāi)發(fā)過(guò)程可做到完全獨(dú)立性，對(duì)于GIS技術(shù)及數(shù)據(jù)依賴性較低；而集成二次開(kāi)發(fā)則必須嚴(yán)格按照GIS技術(shù)信息及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)規(guī)劃，需借助GIS技術(shù)優(yōu)秀的空間信息處理技術(shù)來(lái)達(dá)到可視化供水管網(wǎng)的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也是難度最高的開(kāi)發(fā)模式[10]；單純二次開(kāi)發(fā)則是基于GIS技術(shù)提供信息適當(dāng)調(diào)整供水管網(wǎng)，其開(kāi)發(fā)難度僅處于中位水平。在供水管網(wǎng)信息規(guī)劃中運(yùn)用GIS技術(shù)提取編輯水文水資源信息，結(jié)合水利計(jì)算能力與優(yōu)化選泵點(diǎn)等積極因素為供水管網(wǎng)開(kāi)發(fā)建設(shè)提供良好的指導(dǎo)，有效改善優(yōu)化管網(wǎng)建設(shè)方案。如美國(guó)羅拉多州利曾通過(guò)GIS技術(shù)支撐完成科羅拉多河的供水決策，給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)較之前更加科學(xué)，為灌溉區(qū)域的水資源應(yīng)用和管理帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.4生態(tài)用水量計(jì)算

選擇和收集數(shù)據(jù)源,根據(jù)了解的土地覆被分布狀況及其變化規(guī)律,對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理,提取各種專題信息,如土地建設(shè)情況、植被覆蓋率、農(nóng)作物產(chǎn)量和水深等。利用GPS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)修正與精度檢驗(yàn)。利用GIS集成生態(tài)環(huán)境遙感調(diào)查結(jié)果及其他數(shù)據(jù)源,為生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)、調(diào)控與管理及其他應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)資料。通過(guò)獲取不同土地覆被類型的面積,應(yīng)用生態(tài)用水量計(jì)算模型,計(jì)算出生態(tài)用水量。如中國(guó)長(zhǎng)江流域最大湖泊之一的洞庭湖，其水文水資源對(duì)于長(zhǎng)江及湘、資、沅、澧等四水的流量調(diào)節(jié)具有重要作用。有水文學(xué)者曾在1999年對(duì)洞庭湖水資源進(jìn)行評(píng)估，其平均調(diào)蓄水量1.23×1010m3；不過(guò)隨著自然環(huán)境變遷(見(jiàn)圖2)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件影響，洞庭湖面積和容積大大減少，而近幾年通過(guò)采取GIS技術(shù)對(duì)洞庭湖水資源進(jìn)行檢測(cè)、管理，為黨中央提出的“平烷行洪、退田還湖、移民建鎮(zhèn)”治水方針的實(shí)施提供了有效的數(shù)據(jù)參考[11]，通過(guò)GIS技術(shù)對(duì)2009一2010年洞庭湖面積進(jìn)行量測(cè)發(fā)現(xiàn)，洞庭湖調(diào)蓄水量有所增長(zhǎng)，表明國(guó)家“退田還湖”方案的實(shí)施,增加洞庭湖調(diào)蓄面積和調(diào)蓄量,進(jìn)而降低高洪水位,發(fā)揮了重要作用。詳見(jiàn)表1。

圖2洞庭湖面積和容積的演變

表1　洞庭湖2009年4月—2010年4月基于GIS技術(shù)估算水面面積表

注：監(jiān)測(cè)期間需考慮時(shí)節(jié)氣候及洪峰闕值對(duì)于GIS數(shù)據(jù)的影響。

3水文水資源應(yīng)用GIS技術(shù)存在問(wèn)題

雖然當(dāng)前大部分GIS技術(shù)應(yīng)用在水文水資源領(lǐng)域具有較為良好的數(shù)據(jù)信息共享、存儲(chǔ)、規(guī)劃能力，不過(guò)其GIS技術(shù)也優(yōu)于數(shù)據(jù)化形式受限，導(dǎo)致在水文地理的空間化、時(shí)間化以及決策支撐方面仍舊尚有不足，造成這樣的狀態(tài)因素在于GIS數(shù)據(jù)模型并不能準(zhǔn)確地表達(dá)地理空間水文對(duì)象特征[12]。而數(shù)據(jù)耦合差異性，導(dǎo)致在水流與水質(zhì)等相關(guān)時(shí)間序列信息數(shù)據(jù)與地理周圍環(huán)境空間數(shù)據(jù)的耦合形成一定的誤差。另外由于不同的開(kāi)發(fā)單位對(duì)水文空間數(shù)據(jù)組織方式和設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的模式的差異性導(dǎo)致GIS技術(shù)互相操作轉(zhuǎn)換性較差，如不同的地理信息系統(tǒng)操作區(qū)別可導(dǎo)致水文地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)層次不盡相同，進(jìn)而造成信息數(shù)據(jù)資源共享與通用效果降低，減少可拓展作用。因此解決GIS水文水資源信息數(shù)據(jù)模型的通用構(gòu)建及地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性與共同性成為當(dāng)前尚待解決的問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

盡管GIS技術(shù)應(yīng)用在水文水資源領(lǐng)域仍舊存在諸多不足，不過(guò)隨著近年來(lái)GIS技術(shù)與水文水資源領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用融合，二者間的發(fā)展也在不斷優(yōu)化，而隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)需求的變化，其含義也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。如當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了“全球信息”、“數(shù)據(jù)地理”、“數(shù)字水利”等新鮮概念，讓傳統(tǒng)的工程型水利逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化資源型水利發(fā)展，讓水資源得到可持續(xù)發(fā)展，因此GIS技術(shù)與水文水資源緊密結(jié)合的應(yīng)用前景將非常遠(yuǎn)大。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫娟,張雙翼.現(xiàn)代信息技術(shù)在水文領(lǐng)域中的應(yīng)用分析[J].科技資訊,2011(36):19-19.

[2]梁永萬(wàn).GIS在水文水資源研究領(lǐng)域中的應(yīng)用分析[J].科技與企業(yè),2012(22):125.

[3]張犁,林暉,李斌，等.互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的地理信息系統(tǒng)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1998,27(01):9-15.

[4]張翰華.探析GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào),2014(21):55-56.

[5]姬鴻鑫,李坤,宋鳳蕊，等.關(guān)于GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用探析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(13):135.

[6]鄭麗波,史利江,俞立中，等.水污染控制規(guī)劃的GIS輔助技術(shù)研究[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2009,18(2):175-179.

[7]鄭作偉,李文訓(xùn).GIS在水文情報(bào)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,21(4):52-55.

[8]閻俊愛(ài).基于GIS城市智能型防洪減災(zāi)決策支持系統(tǒng)研究[J].水利水電技術(shù),2006,37(8):77-79.

[9]楊瑞.探究GIS地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于防洪減災(zāi)工作[J].科學(xué)導(dǎo)報(bào),2015(17):240.

[10]張穎,余新曉,謝寶元，等.水資源合理配置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2004,2(4):92-97.

[11]張旭,蔣衛(wèi)國(guó),周廷剛，等.GIS支持下的基于DEM的水文響應(yīng)單元?jiǎng)澐帧远赐ズ槔齕J].地理與地理信息科學(xué),2009,25(4):17-21.

[12]趙軍凱,趙慶良,趙秉棟，等.地理信息系統(tǒng)及其在水文水資源方面的應(yīng)用[J].天中學(xué)刊,2005,20(2):30-32.

Analysis of GIS Application in Hydrology and Water Resources

WANG Dan-dan

(Panjin Hydrological Bureau，Liaoning Province，Panjin 124000,China)

Abstract：Geographic information system (GIS) is a new technology formed by constant development of electric informatization and computer application，may collect，store，analyze and manage the spatial data correctly to supply good，visual and correct information for relating research，so as to meet the demands of the multi-functions and intelligent developing tendency of each study. Therefore,GIS technology applied and developed widely also expands to the field of hydrology and water resources. The paper summarizes retrospectively the GIS application' advantages in the field of hydrology and water resources and the correlative application characteristics，discussing the shortages of GIS application in the field of hydrology and water resources.

Key words：geographic information system；GIS technology；hydrology and water resources；application value

文章編號(hào)：1007-7596(2016)02-0095-04

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡(jiǎn)介]王丹丹(1979-)，女，遼寧臺(tái)安人，工程師，從事水文水資源和地下水等相關(guān)業(yè)務(wù)研究。

中圖分類號(hào)：P208.2；TV213

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B