GIS在饮水安全管理与规划中的应用与展望

侯景伟，孔云峰，刘洁心

（1.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川750021；2. 河南大学 环境与规划学院，河南 开封475004；3. 镇平县水利局，河南 镇平 474250）

解决饮水安全问题，涉及到饮水安全现状分析、用水量预测、饮用水水源保护和规划、饮水工程规划等多个环节。而这些环节在不同的区域具有明显的空间差异，用GIS技术解决饮水安全问题成为社会发展的必然趋势。在国内外，GIS已经广泛应用于饮水安全的调查、分析、管理、规划和决策中，为实现饮水安全的可视化和智能化带来了生机。

1 GIS在饮水安全中的应用现状

目前，利用GIS研究饮水安全问题，主要集中于水质监测与评价、用水量预测、饮水安全系统开发、水源保护和规划等方面。

GIS在水质监测与评价中，可以处理大量的水质监测数据，并以分层形式存储，从不同侧面、不同层次展现水质监测结果，从宏观的角度对各地区的水质进行评价，分析饮用水中超标污染物的空间分布规律，揭示污染物与某些疾病的关系，为制定地方病防治策略提供了基础资料，为饮水安全管理和规划提供数据支撑[1-4]。

GIS为具有空间差异的饮水量预测与分析带来极大的方便。根据研究区的实际情况，获得相关数据，建立最高日用水量预测模型，并把相关地理数据和属性数据输入GIS软件，制作最高日用水量预测分布图和缺水分布图。图1是以河南省镇平县409个行政村为研究对象，利用上述模型在Arc/Info9.2平台上预测的镇平县各行政村10 a的最高日缺水程度分布情况。图中深红色的23个行政村为缺水最严重的村，是饮水安全和工程规划优先要解决的村。根据最高日缺水量，可以合理确定工程设计规模和数量，确立饮水安全资金重点流向和饮水工程规划重点区域，从而为饮水工程规划提供了较为准确的空间决策支持[5]。

图1 镇平县各村最高日缺水程度分布图

与饮水安全相关的GIS软件得到了开发和应用[6-8]。通过建立饮水安全地理信息系统，实现数据录入、图层管理、漫游显示和专题图制作等基本功能，以及数据管理、统计报表、评价分析和水质预测等应用功能；实现图文双向查询、空间分析、水质评价与模拟，饮用水源保护在线信息发布、查询、统计和饮用水源污染分析等功能，达到饮用水源在线检测与信息共享的目的。

GIS在水源保护和规划中得到了广泛的应用[9-13]。利用GIS技术可以分析水源利用类型及其分布规律、水质分布规律及其原因，评估水源保护区现状，预测水源保护区的生态安全等。利用GIS可以对无饮水设施区、引泉区、集中式供水区和分散式供水区等进行科学合理的规划，并能绘制水源分布和规划图；可以在备选水源类型中优选最佳水源类型，在备选水源地中优选最佳水源地及最佳水源路线等。

尽管GIS在饮水安全中被广泛应用，但目前还存在一些问题：饮水安全数据获得的精度和手段有待进一步提高；基于GIS的应用分析算法、模型、软件工具的发展还比较薄弱，信息分析的自动化、业务化水平有待进一步提高；根据研究目的和对象的不同，时空尺度的合理选择比较困难；GIS技术优势特别是在数据分析和辅助决策方面的功能尚未充分发挥。

2 GIS在饮水安全应用中的展望

GIS在饮水安全中的应用日益广泛和深入，再加上新技术、新方法的出现和发展，必将促进饮水安全工程规划的科学化、规范化、自动化和可视化。

1）实现饮水安全多维GIS技术是饮水安全研究的新焦点。饮水安全多维GIS的建立是一个复杂的过程，必须根据水资源学原理，选择合适的模拟方法，建立多维空间数据模型，实现对多维空间现象的有效、完整描述。利用饮水安全三维GIS可视化技术，可以实现在三维虚拟世界中对具有空间特征的饮水安全信息进行操作和分析，主要包括：饮水安全三维空间数据库和属性数据库的访问和关联，图示查询、信息查询、图数互查、条件查询等灵活多样的查询方式，饮水实体间相互关系分析，三维网络拓扑关系分析，根据实际要求对各种饮水实体的定量分析等。

在饮水安全中利用虚拟现实（VR）技术，能够充分反映三维饮水的水质、水量等形态，加强人机交互的能力，为三维饮水安全的动态显示提供新的研究思路，实现了全方位、多视角的动态观察，多种实时数据的漫游和浏览，多样化的图形显示控制方式。

2）基于GIS的应急管理是饮水安全研究的新内容。饮水安全应急管理是指政府及水利等公共机构在供水事故和饮用水污染事故处置过程中，通过建立必要的应急机制，采取一系列必要措施，保障公众生命财产安全，促进社会和谐健康发展的有关活动。利用GIS技术可以及时、直观地提供重大事故隐患信息、重点污染源信息以及抢险救援信息，形成对重大饮水安全事故的可靠预防、监测监控、快速预警与快速响应的运行机制，提高饮水安全应急管理的保障能力，构筑公共安全保障体系，预防和减少事故造成的损失。

饮水安全应急管理是对饮水安全事件的全过程管理，需要各种人力、物力、财力等资源保障和3S技术保障。根据饮水安全事件的发展阶段，饮水安全应急管理可分为应急准备、应急处置和善后处理3个过程，见图2。

图2 饮水安全应急管理流程图

3）在饮水工程规划中应用GIS技术是饮水安全研究的新挑战。饮水工程系统可分为取水工程、水处理（净水）工程和输配水工程3部分。应用GIS技术将减少饮水工程规划的工作量，强化可视化和动态分析功能，增强空间区域的综合能力。例如，根据节点、管线、水泵、阀门、水池等设计管网数据库；以饮水管道的总费用函数作为目标函数，确定最优管径、最优管网和管网辐射半径；通过计算工程一次性投资和运行费用之和年最小值来确定饮水安全工程的最佳规划方案[14]。

4）实现基于GIS的人工智能技术是饮水安全研究的新难点。人工智能（AI）在饮水安全中有着广阔的应用前景，为实现饮水安全的智能化和自动化提供了可能。通过AI可以进行空间信息智能化处理，从而发现新的知识，描述各类地理因素主要特征并预测系统将来的发展趋势。基于GIS和AI的饮水安全系统概念模型如图3所示。用户用自然语言输入要解决的饮水问题，通过分析查询，依据提取的查询特征属性，在已优化案例库中进行检索、匹配，利用模糊综合评判，计算相似度。根据问题需要，从专家知识库中调用相关专家知识，从模型库中调用相关模型，从GIS中调用相关的时空数据和属性数据，进行饮水现状分析、用水量预测、水源规划和工程规划等，通过推理、解译，组合出若干优化方案，再使用综合评判的方法选出最佳的方案。

图3 基于GIS和AI的饮水安全系统概念模型

5）多种技术和方法的综合应用是饮水安全研究的新趋势。3S技术可解决饮水安全的相关问题。利用RS可获得大量的遥感影像数据源，从而发现水质、水量等的变化；利用GPS则提供精确的空间定位数据,从而测量水质、水量等的变化区域；利用GIS强大的空间分析功能实现数据的统一管理。

各种理论和算法的综合应用是饮水安全研究的发展趋势。管网计算理论、系统优化理论与GIS相结合，可以进行管网水力工况分析和给水管网优化设计。遗传算法（GA）、模拟退火算法（SA）和Tabu搜索等技术不要求目标函数及约束条件可导或连续，就能产生全局最优解。最小成本规划（LCP）、综合资源规划（IRP）、综合价值规划（IVP）等优化模型结合运筹学、系统论、决策论等领域的研究成果，在GIS技术的支持下，应用计算机程序求解，可使经验性因素大大减少，增强规划的科学性。

3 结 语

用GIS来解决饮水安全问题，具有省时、省力、成本低的优点，在可视化、规范化、智能化和科学化方面优于常规的解决方案，是社会发展的必然趋势。饮水安全的研究和发展需要全新的理论体系、关键技术和方法。特别是在饮水安全的多维可视化、应急管理、饮水工程规划的综合研究方面，有待于和GIS有机结合，做进一步研究。

[1]Njemanze PC. Application of Risk Analysis and Geographic Information System Technologies to the Prevention of Diarrhea Diseases in Nigeria[J]. Am J Trop Med Hyg, 1999, 61(3):356-360

[2]Aelion C. Susceptibility of Residential Wells to VOC and Nitrate Contamination[J]. Environmental Science & Technology,2004,38(6):1 648-1 653

[3]Bilgehan N. Groundwater Contamination by Nitrates in the City of Konya, Turkey: P[J]. Journal of Environmental Management,2006,79(1):30-37

[4]武先锋, 陶勇.GIS在饮水与健康领域中的应用及开发[J].国外医学卫生学分册, 2005, 32(5):285-289

[5]李小建,侯景伟.村域尺度上的农村用水量预测研究[J].地域研究与开发, 2009,28(5):124-129

[6]Camp JS, Eugene J. Abkowitz. Application of an Enhanced Spill Management Information System to Inland Waterways[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 175(3):583-592

[7]Kistemann T, Herbst S, Dangendorf F, et al. GIS-based Analysis of Drinking-water Supply Structures: a Module for Microbial Risk Assessment[J]. International Journal of Hygiene and Environmental Health, 2001, 203(4):301-310

[8]何伟,陈凯,程志勇，等. GIS在深圳市供水水源网络管理信息系统中的应用[J]. 中国农村水利水电, 2002,12:43-45

[9]Li H T, Kinzelbach W, Brunner P, et al. Topography Representation Methods for Improving Evaporation Simulation in Groundwater Modeling[J]. Journal of Hydrology, 2008,356(2):199-208

[10]Vieux B E, Mubaraki M A, Brown D. Wellhead Protection Area Delineation Using a Coupled GIS and Groundwater Model[J].Journal of Environmental Management, 1998,54(3):205-214

[11]林桂兰,庄翠蓉,孙飒梅，等.水源保护区划界的遥感与GIS技术研究[J].遥感技术与应用, 2002,17(2):99-103

[12]王耕,王利,吴伟. 基于GIS的辽河干流饮用水源地生态安全演变趋势[J]. 应用生态学报, 2007,18(11):2 548-2 553

[13]牛宝茹. 基于遥感GIS的安塞油田水源井有利区预测[J]. 中国煤田地质, 2005,17(5):52-54

[14]侯景伟.基于GIS的农村饮水工程规划研究——以河南省镇平县为例[D]. 郑州：河南大学，2008