GIS技術(shù)在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用—以長(zhǎng)春新立城水庫(kù)為例

趙曉敏 李本懷

（1.長(zhǎng)春市石頭口門(mén)水庫(kù)管理局，吉林長(zhǎng)春 130524；2.吉林省水文水資源局長(zhǎng)春分局，吉林長(zhǎng)春 130500）

GIS技術(shù)在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用—以長(zhǎng)春新立城水庫(kù)為例

趙曉敏1李本懷2

（1.長(zhǎng)春市石頭口門(mén)水庫(kù)管理局，吉林長(zhǎng)春 130524；2.吉林省水文水資源局長(zhǎng)春分局，吉林長(zhǎng)春 130500）

介紹了GIS技術(shù)的基本功能，結(jié)合長(zhǎng)春水庫(kù)的實(shí)例對(duì)GIS技術(shù)在水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單探討，以便于對(duì)水文情報(bào)預(yù)報(bào)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(dòng)著水文情報(bào)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的水文預(yù)報(bào)工作已經(jīng)向自動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文主要的研究方向就是GIS技術(shù)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，GIS現(xiàn)已成為水利預(yù)報(bào)中最為強(qiáng)而有力的一項(xiàng)工具。筆者以長(zhǎng)春水庫(kù)文水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為例，對(duì) GIS在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢(shì)作相關(guān)的分析。

GIS技術(shù)；水文預(yù)報(bào)；長(zhǎng)春；應(yīng)用研究

1 GIS在水文預(yù)報(bào)中應(yīng)用的重要性

1.1 地理信息系統(tǒng)類型與開(kāi)發(fā)技術(shù)

GIS是地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）的簡(jiǎn)稱，準(zhǔn)確地說(shuō) GIS 是一種系統(tǒng)，他主要是由計(jì)算機(jī)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(jì)方面比較注重對(duì)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(yùn)用模式能使復(fù)雜的規(guī)劃和管理問(wèn)題得到簡(jiǎn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、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(duì)GIS進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)。

上文中提到的工具型GIS軟件目前在國(guó)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(kāi)發(fā)語(yǔ)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(kāi)發(fā)需求等問(wèn)題。在應(yīng)用型GIS技術(shù)的開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用的主流技術(shù)為GIS功能組件的集成開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境中去的。

MapX是一種具有較強(qiáng)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(duì)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(duì)大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化開(kāi)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(yǔ)言。這就方面了工作人員，他們能夠使用自己熟悉的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言將地圖功能嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，進(jìn)而實(shí)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(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，建設(shè)元數(shù)據(jù)庫(kù)，挖掘數(shù)據(jù)，管理數(shù)據(jù)庫(kù)以及自動(dòng)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(shì)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(dòng)情況對(duì)其也有巨大的影響。只要堅(jiān)定不移地遵循以信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化的建設(shè)戰(zhàn)略方針，就能實(shí)現(xiàn)GIS在水利行業(yè)越來(lái)越廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)生的影響也會(huì)不斷擴(kuò)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(bào)的重要性

目前GIS技術(shù)在我國(guó)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(bào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有排水設(shè)施情況的管理和更新以及對(duì)排水設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃。在對(duì)城市綠地的面積和位置進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程中，GIS技術(shù)可以對(duì)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(chǔ)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(hù)和管理數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。

除此之外，GIS在水文信息的評(píng)估方面也具有重大作用，包括對(duì)基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)的管理、對(duì)空間和屬性數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及顯示、檢索等等。在水土保持功能實(shí)現(xiàn)方面，GIS的應(yīng)用也是較為全面的。具體包括對(duì)土壤是否發(fā)生侵蝕進(jìn)行判斷、劃分土壤侵蝕的程度、對(duì)土壤侵蝕量進(jìn)行計(jì)算、對(duì)水土保持效益進(jìn)行評(píng)價(jià)、研究泥沙輸移狀況以及模擬和預(yù)測(cè)土壤侵蝕過(guò)程等。進(jìn)行水土保持工作實(shí)現(xiàn)時(shí)一般采用平臺(tái)為建立的GIS模型，這一特點(diǎn)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(chǔ)等方面都提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。RS技術(shù)實(shí)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(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的聯(lián)合使用能夠?yàn)樗念A(yù)報(bào)工作提供精確的數(shù)據(jù)資料，能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)電子地圖對(duì)不同水文領(lǐng)域的信息進(jìn)行查看，同時(shí)還可以通過(guò)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用控制對(duì)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(shí)科學(xué)理論數(shù)據(jù)支持。

2 GIS技術(shù)在長(zhǎng)春水庫(kù)水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

以長(zhǎng)春市為例，對(duì)GIS在城市水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用做簡(jiǎn)單的探討，目的是為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)的安全運(yùn)行和水資源的優(yōu)化調(diào)度提供科學(xué)的理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)集數(shù)據(jù)處理、查詢顯示、洪水預(yù)報(bào)以及水庫(kù)調(diào)度等功能為一體的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

長(zhǎng)春市新立城水庫(kù)位于長(zhǎng)春市東南部，與長(zhǎng)春市中心相距16km，其主要功能為向長(zhǎng)春市提供供水、防洪以及灌溉等綜合服務(wù)。新立城水庫(kù)壩址以上河長(zhǎng)為90.2km，擁有總計(jì)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(kù)容約達(dá)5.92億km3，設(shè)計(jì)供水量為8880萬(wàn)km3，洪水河灘寬1～3km。整個(gè)新立城水庫(kù)略成長(zhǎng)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(kù)流域面積不大，但是由于防洪庫(kù)容較小，且流域暴洪具有降雨歷時(shí)久、強(qiáng)度大以及洪水陡漲陡落等特點(diǎn)，因此對(duì)水庫(kù)流域的水文特性盡心深入研究顯得尤為迫切，需要開(kāi)發(fā)一個(gè)適用于長(zhǎng)春新立城水庫(kù)水文預(yù)報(bào)的計(jì)算機(jī)模型，以確保正常供水、水庫(kù)安全以及下游防洪等功能的正常實(shí)現(xiàn)，提高水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度和管理水平[3]。

在對(duì)長(zhǎng)春市新立城水庫(kù)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)降雨產(chǎn)流模型時(shí)，我們可以采用雙拋物線改進(jìn)型新安江模型，對(duì)地下徑流匯流采用地下線性水庫(kù)的方法，將遞推數(shù)值濾波技術(shù)應(yīng)用于對(duì)實(shí)測(cè)流量過(guò)程的分割，采用模擬慢退火法對(duì)模型進(jìn)行最優(yōu)率定。對(duì)歷年暴雨之前的水庫(kù)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(kù)水位以及泄流的流量過(guò)程等相關(guān)的水文資料，來(lái)對(duì)雨量進(jìn)行觀測(cè)并推斷出全流域的平均降雨量。進(jìn)行這樣的模型研究時(shí)，需要注意的是由于數(shù)據(jù)的漏測(cè)和測(cè)定時(shí)間間隔長(zhǎng)等因素，水庫(kù)水位觀測(cè)上的誤差限制了流量過(guò)程線推流的質(zhì)量，因此選取數(shù)據(jù)時(shí)就應(yīng)當(dāng)選取相對(duì)比較完整的挖場(chǎng)洪水進(jìn)行本項(xiàng)研究。

盡管長(zhǎng)春市的大部分地方都不同程度地發(fā)生過(guò)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(shí)較長(zhǎng)，雨量較大，因此往往對(duì)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(jì)顯示，長(zhǎng)春歷年來(lái)的大范圍區(qū)域性暴雨或特大暴雨，發(fā)生地點(diǎn)多為飲馬河中上游。此模型將1991年的特大暴雨投入了長(zhǎng)春新立城水庫(kù)的水文預(yù)報(bào)，將那次特大暴雨進(jìn)行入庫(kù)流量還原計(jì)算，并對(duì)這次特大暴雨預(yù)報(bào)情況進(jìn)行分析[4]。

GIS技術(shù)在水文預(yù)報(bào)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(jī)地將流域地形分布特征和地面徑流匯流機(jī)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(duì)長(zhǎng)春新立城水庫(kù)的流域水文預(yù)報(bào)進(jìn)行的模型應(yīng)用表明，GIS技術(shù)在水文預(yù)報(bào)工作中具有較高的精度，能夠滿足長(zhǎng)春新立城水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度和控制的要求，可以被投入到實(shí)際應(yīng)用中去。

[1] 王光明,粱秀娟,肖長(zhǎng)來(lái),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(shì)[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(bào).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(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,（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。