基于GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

王丹丹

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124000)

?

基于GIS在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

王丹丹

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 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算機運用不斷發(fā)展所形成的新型技術(shù)，可通過對空間數(shù)據(jù)進行準確收集、存儲、分析管理，為相關(guān)研究提供良好的可視性精準信息，以此滿足各項研究中多功能、智能化發(fā)展趨勢。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，文章則重點針對GIS技術(shù)對于水文水資源領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢回顧性總結(jié)相關(guān)應(yīng)用特點，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)用價值

0引言

隨著近年來全球計算機信息技術(shù)迅猛發(fā)展，科研力量日益增強，加之水文相關(guān)研究項目的重視，其水文與計算機信息化相互結(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[1]。當前全球環(huán)境惡化加劇，其地理水資源逐步匱乏枯竭，用水危機由此受到人們關(guān)注。而由此展開對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作為當前計算機空間信息處理分析系統(tǒng)，其能夠有效結(jié)合時空分布特點變化對相關(guān)空間信息、圖表數(shù)據(jù)等信息進行完善分析處理，當水文研究領(lǐng)域應(yīng)用其中可結(jié)合水資源特點對水資源循環(huán)性、資源信息評估及有效利用率等發(fā)面發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2]，讓研究者準確評估分析水文資源及調(diào)度。

1地理信息技術(shù)GIS及其發(fā)展狀況

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算機運用不斷發(fā)展所形成的新型技術(shù)，綜合信息學(xué)、地理學(xué)、計算機技術(shù)與遙感技術(shù)共同發(fā)展所致[3]，在處理空間類相關(guān)信息具有無可替代的優(yōu)勢。GIS通過計算機預(yù)測分析空間采集數(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。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、存儲性應(yīng)用逐步向智能化、多功能方向轉(zhuǎn)變，為各項空間性研究提供高精度、實時化信息。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、水文情報預(yù)報、防洪減災(zāi)、水管網(wǎng)信息管理以及生態(tài)用水量評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

當前全球經(jīng)濟高速發(fā)展，世界各國資源也不斷縮減，使社會發(fā)展遇到瓶頸，因此發(fā)展理念也逐步有過去開拓型發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)穩(wěn)定型發(fā)展模式。而水資源作為當前社會、生態(tài)、環(huán)境各個環(huán)節(jié)中不可缺少的一部分，其水文水資源的合理、科學(xué)利用成為當前發(fā)展核心之一。然而由于水資源地理分布特性，對此在水文水資源的評估、預(yù)測及配置需求等相關(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)能夠有效準確對各地區(qū)河流水資源的分布、存蓄量以及與地區(qū)人口需求關(guān)系進行精準預(yù)測分析，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)對某地區(qū)地形流域水資源進行觀測，評估水量儲蓄及開展利用率，方便信息管理，利用剖面顯示、補給和開采模擬等方式對水資源進行細致規(guī)劃。

2.1水污染控制規(guī)劃

水體的污染控制作為整個水資源規(guī)劃重要項目之一，其中控制的根本目的在于總量控制，通過“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)劃進行統(tǒng)籌，用地圖的形式存儲管理;而國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料、污染物的種類及數(shù)量則可用兼容的數(shù)據(jù)庫形式存儲管理[6]。GIS技術(shù)的區(qū)域水污染控制規(guī)劃方案可見圖1。

圖1GIS技術(shù)的區(qū)域水污染控制規(guī)劃方案

2.2水文情報預(yù)報及防洪減災(zāi)

GIS技術(shù)作為時空數(shù)據(jù)整合性系統(tǒng)，能夠為各地區(qū)水文信息進行實時監(jiān)測預(yù)報，讓地區(qū)性大范圍水文相關(guān)信息得到及時處理與應(yīng)用，這對于后期的水文預(yù)報有著重要作用。例如利用GIS技術(shù)將水文模型參數(shù)準確預(yù)測，由精準的數(shù)據(jù)與細致優(yōu)化的模型設(shè)計提升水文模型質(zhì)量[7]；尤其對于數(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)，讓實際水文信息的監(jiān)測更加真實有效。另外準確的水文信息未相關(guān)預(yù)測預(yù)報提供有效參考，通過劃分承擔相應(yīng)水域河流洪水預(yù)測，為后期防洪減災(zāi)提供真實數(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)情評估、風(fēng)險預(yù)測及區(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，讓GIS技術(shù)在短時間有效收集空間水文數(shù)據(jù)，做到實時查詢、搜索、維護更新，充分強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)；通過優(yōu)化數(shù)據(jù)參數(shù)，做到精準評估，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、評估給予良好的輔助。其后則是評估災(zāi)害風(fēng)險，通過細致分析對應(yīng)足夠的洪水發(fā)生概率和強度等數(shù)據(jù)的模擬計算，讓威脅與危害程度進行系統(tǒng)評估，計算損失，在統(tǒng)計分析中也需要注重考慮自然地理位置特性、社會因素進行空間疊加，然后完成分析[8-9]。在這方面我國結(jié)合GIS計算特點，深化各項災(zāi)情數(shù)據(jù)模型構(gòu)建，同時結(jié)合各類環(huán)境、社會、人員等復(fù)雜因素的完善構(gòu)建，也使得GIS防災(zāi)評估系統(tǒng)不斷發(fā)展完善。不過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行適時性防洪監(jiān)測。

2.3供水管網(wǎng)信息管理

目前結(jié)合GIS技術(shù)來規(guī)劃供水工程中的管網(wǎng)設(shè)計主要表現(xiàn)呈3類形式，①獨立性開放設(shè)計；②集成二次開發(fā)；③單純二次開發(fā)。這其中又屬獨立性開發(fā)模式最為簡單，其開發(fā)過程可做到完全獨立性，對于GIS技術(shù)及數(shù)據(jù)依賴性較低；而集成二次開發(fā)則必須嚴格按照GIS技術(shù)信息及相關(guān)參數(shù)進行開發(fā)規(guī)劃，需借助GIS技術(shù)優(yōu)秀的空間信息處理技術(shù)來達到可視化供水管網(wǎng)的開發(fā)，同時也是難度最高的開發(fā)模式[10]；單純二次開發(fā)則是基于GIS技術(shù)提供信息適當調(diào)整供水管網(wǎng)，其開發(fā)難度僅處于中位水平。在供水管網(wǎng)信息規(guī)劃中運用GIS技術(shù)提取編輯水文水資源信息，結(jié)合水利計算能力與優(yōu)化選泵點等積極因素為供水管網(wǎng)開發(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。如美國羅拉多州利曾通過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)用和管理帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.4生態(tài)用水量計算

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,對遙感圖像進行處理,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)對數(shù)據(jù)修正與精度檢驗。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)境評價、調(diào)控與管理及其他應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)資料。通過獲取不同土地覆被類型的面積,應(yīng)用生態(tài)用水量計算模型,計算出生態(tài)用水量。如中國長江流域最大湖泊之一的洞庭湖，其水文水資源對于長江及湘、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年對洞庭湖水資源進行評估，其平均調(diào)蓄水量1.23×1010m3；不過隨著自然環(huán)境變遷(見圖2)，社會經(jīng)濟條件影響，洞庭湖面積和容積大大減少，而近幾年通過采取GIS技術(shù)對洞庭湖水資源進行檢測、管理，為黨中央提出的“平烷行洪、退田還湖、移民建鎮(zhèn)”治水方針的實施提供了有效的數(shù)據(jù)參考[11]，通過GIS技術(shù)對2009一2010年洞庭湖面積進行量測發(fā)現(xiàn)，洞庭湖調(diào)蓄水量有所增長，表明國家“退田還湖”方案的實施,增加洞庭湖調(diào)蓄面積和調(diào)蓄量,進而降低高洪水位,發(fā)揮了重要作用。詳見表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)測期間需考慮時節(jié)氣候及洪峰闕值對于GIS數(shù)據(jù)的影響。

3水文水資源應(yīng)用GIS技術(shù)存在問題

雖然當前大部分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、規(guī)劃能力，不過其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)模型并不能準確地表達地理空間水文對象特征[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。另外由于不同的開發(fā)單位對水文空間數(shù)據(jù)組織方式和設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫的模式的差異性導(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)庫層次不盡相同，進而造成信息數(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)庫的一致性與共同性成為當前尚待解決的問題。

4結(jié)語

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，不過隨著近年來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)的進步和社會需求的變化，其含義也會發(fā)生相應(yīng)的變化。如當前國內(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)用前景將非常遠大。

參考文獻：

[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.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)時代的地理信息系統(tǒng)[J].測繪學(xué)報,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在水文情報預(yù)報中的應(yīng)用[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,21(4):52-55.

[8]閻俊愛.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,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[J].中國水土保持科學(xué),2004,2(4):92-97.

[11]張旭,蔣衛(wèi)國,周廷剛，等.GIS支持下的基于DEM的水文響應(yīng)單元劃分——以洞庭湖為例[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：1007-7596(2016)02-0095-04

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡介]王丹丹(1979-)，女，遼寧臺安人，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：P208.2；TV213

文獻標識碼：B