GIS在大凌河流域水資源管理中的應(yīng)用

劉革

（遼寧省水文水資源勘測局，遼寧 沈陽 110003）

1 GIS技術(shù)的優(yōu)勢

GIS是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、分析和顯示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間地理信息，輔助相關(guān)的地理研究和地理決策。由于GIS可將地理空間模型化并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，因此它還具有對研究對象進(jìn)行描述、模擬和預(yù)測的功能。相對于常規(guī)意義上的信息系統(tǒng)，GIS具有空間分析能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)來源廣泛、工作方式直觀形象等特點(diǎn)，在對空間數(shù)據(jù)的查詢和分析功能要求較高的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

水資源綜合管理是對流域水資源的開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護(hù)等方面在系統(tǒng)層次上的定量分析和綜合集成。一方面它提供了進(jìn)行流域國土規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)布局規(guī)劃的水資源基礎(chǔ)，另一方面它通過對水量時(shí)空分配的再調(diào)整和水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定，協(xié)調(diào)了抗旱防洪、節(jié)水灌溉、城鎮(zhèn)供水、水環(huán)境保護(hù)等專項(xiàng)規(guī)劃之間的關(guān)系，在水資源綜合管理的過程中占有重要地位。

由此可見，在進(jìn)行流域水資源規(guī)劃和管理過程中，非常強(qiáng)調(diào)運(yùn)用各種環(huán)境過程模型，如穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)水流模型、多維水質(zhì)模型和污染擴(kuò)散模型等。這些模型大都具有明顯的空間特性，但這些環(huán)境模型在對空間數(shù)據(jù)的操作尤其是在結(jié)果顯示方面仍顯困難。而空間分析和空間數(shù)據(jù)管理正是GIS的優(yōu)勢。GIS可以為這些環(huán)境模型提供整體的基于GIS邏輯原理的空間操作規(guī)范，用以反映具有空間分布特性的模型研究對象的移動(dòng)、擴(kuò)散、動(dòng)態(tài)變化及相互作用過程。在GIS中，基本概念是空間位置、空間分布和空間關(guān)系，而基本研究對象是被抽象成點(diǎn)、線、面的空間實(shí)體及其相關(guān)屬性。與之相對應(yīng)，在環(huán)境模型中，基本概念是物質(zhì)、能量及其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，而基本研究對象是諸如水、人口等明顯具有空間分布特性的環(huán)境要素。GIS和環(huán)境模型在概念和研究對象上的相似性、互補(bǔ)性，使得二者的結(jié)合合理，又具有實(shí)用價(jià)值。

2 GIS在水資源管理中的應(yīng)用

2.1 建立GIS系統(tǒng)

GIS軟件選用美國 Esri公司的 ArcGIS9.1。ArcView是可提供地理數(shù)據(jù)顯示、制圖、管理、分析、創(chuàng)建和編輯的 GIS桌面軟件。根據(jù)需要選擇空間分析模塊（Spatial），該模塊適合于水利行業(yè)的專業(yè)算法和分析功能，包括對柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、顯示、處理和分析功能?？赏瓿墒噶繑?shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、等值線生成、匯水分析、上游追溯分析、下游追溯分析、點(diǎn)密度圖生成、連續(xù)表面生成、坡度坡向及光照模型生成、鄰近及區(qū)域分析、柵格分類及顯示等功能。

GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)一般由空間矢量和屬性數(shù)據(jù)兩大類組成?？臻g矢量數(shù)據(jù)主要包括通用的電子地圖和根據(jù)工作內(nèi)容制作的各類圖層而產(chǎn)生的矢量數(shù)據(jù)。通用的電子地圖通常根據(jù)工作內(nèi)容選購不同比例尺的矢量數(shù)據(jù)和空間要素圖層，專題制作的矢量數(shù)據(jù)則通過數(shù)字化儀或其它數(shù)字化輸入手段來獲取，而帶有空間屬性數(shù)據(jù)的要素也可以通過GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入工具來獲取矢量數(shù)據(jù)。空間要素屬性數(shù)據(jù)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)兩種類型，靜態(tài)數(shù)據(jù)大部分是將各圖層要素相關(guān)的特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工收集、整理，錄入到圖層要素屬性數(shù)據(jù)表中。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)一般是通過圖層要素屬性數(shù)據(jù)表中建立的關(guān)聯(lián)字段與數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)表的對應(yīng)字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，達(dá)到圖層要素與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)鏈接。

根據(jù)大凌河流域上游水資源綜合管理規(guī)劃需要，同時(shí)為了更好的利用GIS空間分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、直觀展示空間數(shù)據(jù)的功能，收集了相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)，和與空間數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的各種屬性數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)、用水?dāng)?shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。

（1）基礎(chǔ)圖層數(shù)據(jù)。大凌河流域1∶5萬電子地圖，包含市、縣區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)，市、縣區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村屯駐地，水庫，大凌河流域界，大凌河流域DEM數(shù)字高程圖，Mike Basin流域模型軟件生成的規(guī)劃單元圖、用水單元圖。通過這些基礎(chǔ)圖層數(shù)據(jù)，形成了GIS成果圖底圖。用水單元與規(guī)劃單元圖層，是各種用水?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。

（2）水文數(shù)據(jù)及站點(diǎn)信息。具有地理位置信息的空間數(shù)據(jù)主要包括，灌溉用水戶地下水站、城市供水地下水站、工業(yè)地下水站、土壤含水量觀測站、河流水質(zhì)站、水文站、雨量站、地下水觀測站、大量用水的企業(yè)用水戶、蒸發(fā)站、水文局水質(zhì)站等。主要的屬性數(shù)據(jù)為各站的站名、位置、經(jīng)緯度、所在子流域。然后將這些數(shù)據(jù)信息，通過GIS典型操作，散點(diǎn)圖地圖化功能，將這些站點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成ArcGIS圖層。

2.2 建立用水?dāng)?shù)據(jù)庫

主要包括用水量數(shù)據(jù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

（1）城鎮(zhèn)生活用水，包括水源代碼、水源名稱、單元代碼、供水機(jī)構(gòu)、年份、居民人口、用水定額、居民年用水量、公共年用水量、資料來源、備注。

（2）工業(yè)用水，包括水源代碼、水源名稱、單元代碼、企業(yè)名稱、年份、年產(chǎn)量、萬元產(chǎn)值用水量、年?。ㄓ茫┧?、重復(fù)利用率、最大日取水量、年耗水量、回歸系數(shù)、年排水量、資料來源、備注。

工業(yè)用水基本信息。水源代碼、水源名稱、單元代碼、用水地點(diǎn)、企業(yè)名稱、企業(yè)性質(zhì)、年份、主要產(chǎn)品、主要生產(chǎn)工藝、工藝的先進(jìn)程度、排入河名、排入地點(diǎn)、排入方式、主要污染物、資料來源、備注。

（3）農(nóng)村生活畜牧業(yè)用水。單元代碼、年份、鄉(xiāng)、居民人口、居民用水量定額、大牲畜頭數(shù)、大牲畜用水定額、大牲畜用水量、小牲畜頭數(shù)、小牲畜用水定額、小牲畜用水量、家禽只數(shù)、家禽用水定額、家禽用水量。

（4）農(nóng)業(yè)用水。水源名稱、單元代碼、灌溉耕地所在鄉(xiāng)、灌溉耕地所在村、年份、作物種類、實(shí)灌面積、用水定額、灌溉水量、資料來源、備注。

根據(jù)數(shù)據(jù)量情況，考慮到ArcGIS能直接對MS Access數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)用，因此選用MS Access數(shù)據(jù)庫，來進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)的查詢。

2.3 GIS與用水?dāng)?shù)據(jù)庫的連接應(yīng)用

由于大凌河流域水資源綜合管理規(guī)劃中，水資源量部分的主體是由ArcGIS平臺下的流域水資源模型Mike Basin來完成的。GIS在大凌河流域水資源綜合管理規(guī)劃中的主要功能是數(shù)據(jù)的分析、與成果圖生成。生成的主要成果圖，包括朝陽市大凌河流域范圍圖、規(guī)劃單元分區(qū)圖、降水等值線圖、雨量站圖、徑流深等值線圖、徑流水質(zhì)含水量站（河流水質(zhì)站、蒸發(fā)站、土壤含水量觀測站、水文站），企業(yè)用水圖、用水量圖（農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、農(nóng)村生活用水、城鎮(zhèn)生活用水）、自來水廠水源地圖、工業(yè)產(chǎn)值圖、糧食產(chǎn)量圖、農(nóng)業(yè)面積圖、人口分布圖、牲畜數(shù)量圖。

通過關(guān)鍵字段將用水?dāng)?shù)據(jù)庫信息與GIS圖層屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，直接將用水?dāng)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)直觀的通過各種統(tǒng)計(jì)圖，專題圖的形式表現(xiàn)出來，便于空間數(shù)據(jù)的分析，使得更容易對各類數(shù)據(jù)清晰地理解。以專題地圖為例：專題圖是GIS從各種角度挖掘和分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效、科學(xué)管理的重要功能。它是使用各種圖形樣式(如顏色或填充模式)圖形化地顯示地圖基礎(chǔ)信息的一類地圖。專題圖是分析和表現(xiàn)數(shù)據(jù)的一種強(qiáng)有力的方式，用戶可以通過使用專題地圖的方式將數(shù)據(jù)圖形化，使數(shù)據(jù)以更直觀的形式在地圖上體現(xiàn)出來。當(dāng)使用專題渲染在地圖上顯示數(shù)據(jù)時(shí)，用戶就可以清楚地看出在數(shù)據(jù)記錄中難以發(fā)現(xiàn)的模式和趨勢，為決策支持提供依據(jù)。

大凌河流域水資源綜合管理中所涉及到的有社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水文地質(zhì)等諸多因素，具有數(shù)據(jù)種類多數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，同時(shí)需要處理大量的圖形和文字資料，這是一項(xiàng)非常復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。由于GIS能夠管理屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，能將數(shù)據(jù)與圖形有機(jī)結(jié)合，具有圖形表示綜合數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在圖上定位的特點(diǎn)。而且GIS中的專題地圖不僅可以具有普通地圖的功能，還可以進(jìn)行不同的專題圖的任意組合，以及對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行各種空間分析，向用戶提供圖形、表格、圖象及多媒體等直觀的結(jié)果，所以在此項(xiàng)目中GIS技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。