GIS技術(shù)在流域綜合規(guī)劃編制中的應(yīng)用探討

劉家琳

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海，200434）

0 前言

地理信息系統(tǒng)是一種通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲的技術(shù)系統(tǒng)，存儲的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算、分析，以及可視化展示，是一種信息化的技術(shù)手段。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，GIS技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越發(fā)成熟，在區(qū)域開發(fā)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、現(xiàn)代化管理等方面均得到了有效運(yùn)用，在水利行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

流域綜合規(guī)劃是地區(qū)水資源開發(fā)和保護(hù)指導(dǎo)的綱領(lǐng)性文件，是流域基礎(chǔ)水利建設(shè)的依據(jù)，也是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。其涉及專業(yè)眾多，工作量繁復(fù)，運(yùn)用GIS技術(shù)進(jìn)行流域綜合規(guī)劃的編制，可以改變傳統(tǒng)人工計(jì)算、設(shè)計(jì)、繪圖的方法，并減少工作量，提高流域空間規(guī)劃制定的效率與適用度[2]。

1 GIS技術(shù)應(yīng)用方法

1.1 資料的采集與處理

GIS技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)以數(shù)字格式存儲。在流域綜合規(guī)劃的過程中，儲存有數(shù)據(jù)的矢量和柵格圖層是一切分析計(jì)算的基礎(chǔ)，包括地形、土地利用、土壤質(zhì)地、土壤侵蝕等基本圖層。部分圖層可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)獲得，包括：地理空間數(shù)據(jù)云提供的空間分辨率約為30m的DEM數(shù)據(jù)，國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的2000年1：10萬土地利用類型數(shù)據(jù)以及1：100萬土壤類型數(shù)據(jù)等[3]；部分圖層因項(xiàng)目需要可以由當(dāng)?shù)厥∽匀毁Y源廳、測繪局、水土保持局等水利主管部門提供，包括：模擬地形數(shù)據(jù)，水土保持現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)以及包括水系、居民地、行政區(qū)劃、地貌、地名及注記等數(shù)據(jù)內(nèi)容的矢量數(shù)據(jù)等。除此以外，還需要流域內(nèi)的地區(qū)調(diào)查及文字資料。

數(shù)據(jù)收集完成后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的基本處理，可以利用ArcCatalog工具建立空間屬性數(shù)據(jù)庫，組織和管理所有收集到的GIS數(shù)據(jù)，并隨時對數(shù)據(jù)元進(jìn)行查找和瀏覽。地理數(shù)據(jù)庫建立后，還需要對其中各要素進(jìn)行對比修正，如將土地利用現(xiàn)狀圖對比地形圖中近期發(fā)生的變化進(jìn)行修正，以達(dá)到數(shù)據(jù)更加統(tǒng)一、精準(zhǔn)的目的。建立的地理數(shù)據(jù)庫內(nèi)容豐富，且可以對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分級存儲，土地利用圖層屬性信息存儲情況見表1。

表1 土地利用屬性表

1.2 屬性提取與水文計(jì)算

規(guī)劃的基礎(chǔ)是流域?qū)傩缘奶崛〖傲饔蛩牡挠?jì)算，包括坡面屬性、水系分級、流域范圍、等高線等信息的獲取，這些都可以使用GIS工具對已有圖層中存儲的地形、水系、人口、地貌等數(shù)據(jù)需要進(jìn)行空間分析和預(yù)處理，以獲得流域綜合規(guī)劃所需要的基本信息。

在模型計(jì)算上，水文數(shù)據(jù)的計(jì)算是流域規(guī)劃的基礎(chǔ)[4]，利用GIS技術(shù)進(jìn)行子流域劃分、地貌特征統(tǒng)計(jì)、自然匯水關(guān)系分析，并利用分布式水文模型進(jìn)行計(jì)算，在數(shù)據(jù)量充足的基礎(chǔ)上，細(xì)化計(jì)算結(jié)果，提高了水文計(jì)算的精確度、流域綜合規(guī)劃的適用度和可信度[5]。

本次計(jì)算以SWAT模型[6]為例，SWAT是具有物理基礎(chǔ)的分布式水文模型，在進(jìn)行水文過程模擬時，在模型中輸入DEM、土壤類型、土地利用、氣溫等氣象數(shù)據(jù)和水庫數(shù)據(jù)等，以此輸出模擬的徑流數(shù)據(jù)，依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行率定，從而構(gòu)建出適用于流域的水文模型，對其氣象、土地利用等短期數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，代入率定好的水文模型，可以得到規(guī)劃期內(nèi)的徑流數(shù)據(jù)，作為流域綜合規(guī)劃的依據(jù)。

以滇池流域?yàn)檠芯繉ο?，?gòu)建適用于滇池流域的分布式水文模型，作為流域綜合規(guī)劃的基礎(chǔ)。滇池流域的雨量站、氣象站及DEM底圖見圖1，土壤見圖2，土地利用變化過程如圖3所示。

圖1 研究區(qū)雨量站、氣象站點(diǎn)分布

圖2 滇池流域土壤分布情況

圖3 滇池流域2010年和2030年土地利用情況圖

為對2001～2015年共15年數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，以2001年為預(yù)熱期，2002～2011年作為模型的率定期，2012～2015年作為模型的驗(yàn)證期。采用水量偏差BIAS、標(biāo)準(zhǔn)差比率RSR、相關(guān)系數(shù)R和確定性系數(shù)NSE四個指標(biāo)對滇池流域SWAT模型月徑流量進(jìn)行率定和驗(yàn)證結(jié)果的精度計(jì)算，結(jié)果見表2，模擬月徑流過程見圖4。由表2可以看出，水量誤差均在10%以內(nèi)，模擬值與實(shí)測值總水量上相差不大；相關(guān)系數(shù)R都在0.85以上，說明模擬流量和實(shí)測流量間的相關(guān)程度較高；確定性系數(shù)均在0.7以上，說明流量過程模擬效果良好。因此，SWAT模型的整體模擬性能令人滿意，可以用于滇池流域的徑流模擬計(jì)算。未來徑流模擬結(jié)果見圖5。

圖4 2002～2015年月徑流過程

圖5 2016～2060年模擬月徑流過程

表2 滇池流域SWAT模型模擬結(jié)果指標(biāo)分析

2 GIS技術(shù)在流域規(guī)劃中的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)計(jì)算與屬性分析

流域綜合規(guī)劃是流域各專業(yè)規(guī)劃的綜合，各類規(guī)劃均離不開GIS技術(shù)的支持。

防洪規(guī)劃是在統(tǒng)籌地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和防洪安全保障要求的基礎(chǔ)上，因地制宜地制定防洪方針?；緮?shù)據(jù)包括暴雨、洪水、地形、河流水系等自然因素，對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行自然匯水關(guān)系和地貌分析，或者由相關(guān)部門提供的水文矢量圖均可讀取地形、水系等自然數(shù)據(jù)。通過空間疊置分析，可以獲得人口、城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)等經(jīng)濟(jì)社會因素的分布，一方面可以分析確定防洪保護(hù)對象，另一方面可以確定災(zāi)害易發(fā)區(qū)，從而制定有效的防洪措施。采用GIS技術(shù)也可以在洪災(zāi)后對洪災(zāi)情況進(jìn)行分析梳理，并對其危險(xiǎn)性進(jìn)行評估，以減少人力、物力、財(cái)力的消耗，優(yōu)化災(zāi)后重建工作。因此，GIS技術(shù)是輔助開展洪水災(zāi)害分析、防洪指導(dǎo)決策的有效工具[7]。此外，還可以進(jìn)行防洪工作自動化建設(shè)，以對防洪工作進(jìn)行有效管理，減少洪災(zāi)中的人員傷亡。

水資源及供水規(guī)劃是在對流域水資源量及利用現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)?shù)厮Y源特點(diǎn)進(jìn)行水資源基礎(chǔ)評價(jià)，提出供水規(guī)劃方案。水資源及供水規(guī)劃的基礎(chǔ)是流域水文水資源現(xiàn)狀，流域地表水及地下水的計(jì)算可以在GIS技術(shù)的輔助下運(yùn)用分布式水文模型進(jìn)行水文計(jì)算，更為方便、快速的同時，在一定程度上可以提高水文計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。另外，利用GIS技術(shù)對人口、用水企業(yè)、農(nóng)田、水庫等需水、供水對象分布情況數(shù)據(jù)的獲取，并進(jìn)行空間分析，可以統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境供用水的實(shí)際情況，從而建立合適的流域多水源供水配置方案，優(yōu)化供水配置，提高城鄉(xiāng)居民用水質(zhì)量。

水力發(fā)電規(guī)劃應(yīng)在分析水能資源及開發(fā)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、防洪防凌、水資源配置、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水能資源開發(fā)等綜合利用需求，提出水電開發(fā)方案。流域水能資源理論蘊(yùn)藏量是規(guī)劃的基礎(chǔ)，流域生態(tài)保護(hù)區(qū)、寺廟等敏感要素是電站建設(shè)的限制條件，通過空間疊置分析可以對流域敏感對象、敏感區(qū)進(jìn)行區(qū)位分析，也可對流域現(xiàn)有小水電進(jìn)行空間分析，提出后續(xù)規(guī)劃等，以期實(shí)現(xiàn)梯級水電工程更為優(yōu)化的空間決策，這也是GIS技術(shù)未來的發(fā)展方向之一。

水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃應(yīng)確定主要同期及其控制節(jié)點(diǎn)的生態(tài)需水量指標(biāo)，并應(yīng)作為流域開發(fā)保護(hù)的控制性指標(biāo)之一。GIS技術(shù)將生態(tài)環(huán)境、土壤植被的分布狀況、氣象水文水資源空間分布等相關(guān)數(shù)據(jù)及地形等各類流域?qū)嶋H情況以數(shù)據(jù)的形式存儲在計(jì)算機(jī)中，易于調(diào)取使用，同時將這些數(shù)據(jù)以圖像的方式進(jìn)行展示，更加直觀，并幫助真正實(shí)現(xiàn)對地表水資源的合理評價(jià)，為流域水資源的保護(hù)規(guī)劃提供依據(jù)[8]。

水土保持規(guī)劃應(yīng)根據(jù)流域水土流失的現(xiàn)狀及流域保護(hù)和發(fā)展對水土保持的要求，制定防治措施和方案。在GIS支持下可以建立圖形數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)和計(jì)算編程數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)，以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行模型運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)計(jì)算方法的升級，降低模型計(jì)算的復(fù)雜程度，提高相應(yīng)的計(jì)算及分析效率，并進(jìn)一步提高規(guī)劃精度，實(shí)現(xiàn)了定位、定量、定性三結(jié)合。與此同時，運(yùn)用GIS輸入基本圖層，對流域侵蝕現(xiàn)狀、土地利用、植被覆蓋等進(jìn)行空間上的對應(yīng)分析，可以實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕現(xiàn)狀圖、水土保持分區(qū)圖、水土流失防治措施總體布局圖等專題圖件的輸出。

2.2 制圖與結(jié)果輸出

制圖是綜合規(guī)劃的重要組成部分，可以直觀的體現(xiàn)流域現(xiàn)狀及規(guī)劃工程分布、流域水文地質(zhì)基本情況、站點(diǎn)及敏感點(diǎn)的相對位置等。應(yīng)用GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)圖件的輸入和專題圖件的輸出，結(jié)合其他制圖軟件，使得制圖更為方便、美觀。在此基礎(chǔ)上，ArcGIS提供了3D分析功能，可以實(shí)現(xiàn)3D建模并繪制三維立體圖，有助于分析礦山和地下水文等真實(shí)的三維現(xiàn)象，使得流域地形更加直觀，繪圖更加逼真，也為因地制宜地進(jìn)行流域規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，與時間序列的結(jié)合將實(shí)現(xiàn)四維GIS的實(shí)現(xiàn)，這在滿足社會發(fā)展的需要等方面有著廣闊的前景。

3 流域信息化建設(shè)

目前，水利信息化是水利行業(yè)的發(fā)展趨勢，是國家國民經(jīng)濟(jì)信息化的重要組成部分，可以實(shí)現(xiàn)信息多元化、傳輸快速化、資料共享化、處理可視化，使得信息更加安全有保障。GIS技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水利信息化的技術(shù)支撐，建立水利GIS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)流域水利數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)傳輸精確化、監(jiān)測體系化、管理信息化，真正做到“全面監(jiān)控，集中管理，統(tǒng)一調(diào)度，智能決策”。

4 結(jié)論

在流域綜合規(guī)劃中使用GIS技術(shù)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，更具科學(xué)性和高效性。

（1）基于GIS技術(shù)進(jìn)行流域綜合治理規(guī)劃的方法，能將屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)相結(jié)合，同時建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了定位、定量、定性三結(jié)合。

（2）應(yīng)用GIS技術(shù)可以提取空間信息，建立、管理屬性數(shù)據(jù)庫，建立小流域綜合治理規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算，在地理信息系統(tǒng)中建立空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接，使小流域綜合治理規(guī)劃更科學(xué)、精確、計(jì)算機(jī)化，提高工作效率，減少工作量。

（3）運(yùn)用GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了各類規(guī)劃布局圖的輸出打印，規(guī)劃成果可以立即實(shí)施。

（4）計(jì)算機(jī)技術(shù)仍有較大發(fā)展空間，水利信息化仍是未來水利行業(yè)的發(fā)展方向，GIS技術(shù)在流域綜合規(guī)劃的應(yīng)用上也需要更加深入的研究和實(shí)踐。