GIS在水文水资源领域中的应用研究

张海廷

(济宁市水文局，山东济宁272019)

随着水文水资源领域研究范围的逐步拓展与研究的深入，对系统化、科技化、网络化的要求不断提升，利用现今不断发展的计算机技术辅助水资源领域的研究，对于解决新形势下水资源短缺问题有着极为重要的意义.水文水资源领域的研究工作需要快速、准确地获取精确的地理信息、水文信息、空间信息等，以便增强对水资源时空分布特性的了解.地理信息系统(Geographic Information System，GIS)有关技术的应用，为水文水资源领域的研究和开发做出了重要贡献.GIS是通过对空间数据的采集、管理、分析与可视化输出，应用计算机技术的优势服务于地理科学的系统.从GIS的构成来看，其核心主要是空间数据管理的子系统，这也是它能够为地理科学研究提供众多辅助优势的关键所在.子系统由空间数据的分析和处理两部分构成.其数据来源包括专题地图、遥感图像、统计数据以及实测数据等.GIS的功能主要表现在3个方面:一是数据信息的采集、提取、分析、管理和输出，这些数据具有典型的空间性和动态性;二是区域空间分析、多要素综合以及动态预测能力，尤其是地理科学的融入，地学模型的应用更显优势;三是计算机技术、通信技术、遥感技术参与数据编辑和管理，数据信息的应用性和可靠性大幅度提升，成为重要的决策参考依据.

目前，GIS技术正不断地向着集成化和智能化的方向发展.多功能、高精度、现实性强的时态GIS技术已经成为发展主流，将为水文水资源的研究提供更多有效的信息和资料.

1 GIS在水文水资源中的应用

GIS在水文水资源领域的应用非常广泛，笔者从以下5个方面进行分析.

1.1 水文情报预报及防洪减灾

GIS强大的数据整合能力为水文情报预报系统的设计和应用提供了很多方便，应用这些技术优势，能够更好地实现大范围内水文信息的提取、整合与编辑，这对于后期的水文预报有着重要作用.GIS技术能够更好地确定模型参数，提升参与数据和模型设计的精确度，加速水文模型的高质量开发.特别是数字高程模型的应用，能够融合水力学模型，更加客观而高效地实现对水文信息的监测.GIS技术的发展和应用为水文情报预报提供了重要的辅助资料，对加速各方面技术的研究都有着良性影响.GIS承担着众多骨干河道、大中型水库的洪水预报方案编制和洪水作业预报，在应用过程中取得了很好的效果.凭借水文水资源地理信息系统的优势，国家防汛指挥系统济宁水情分中心和水文站点顺利完成建设，并且成功编制了一套济宁市雨量等值线图软件，完成了济宁市中小河流治理水文站点布设及数据库整合，完成了水情交换系统安装调试工作，结束了原传输系统近10年的使用.

GIS技术目前在防洪减灾决策中的应用主要集中在4个方面:管理平台、灾情评估、风险分析与区划和城市防洪.首先是防洪信息管理系统构建下的决策支持平台可以更好地完成时间、空间数据的管理，从搜集、查询、检索、更新和维护等方面加强对信息资源的整合与应用，利用GIS的空间分析能力为防洪决策提供可靠的信息辅助支持，为各类应用模型提供数据、优化参数，从而做到准确地预测和表达，可以说是决策方案可视化的一种表现.

在灾情评估环节，主要发挥GIS对基础背景数据的管理优势.其将空间数据和各种属性数据进行多层次整合、管理，在此基础上对洪水灾害进行演进，从而为灾情数据的分析、提取、评估提供有利的辅助手段.

在评估完洪水灾害之后，是对灾害风险的分析和区划.这种分析和区划立足于系统对各种洪水发生概率和强度等数据的模拟计算，对可能造成的危害和危险性进行分析与损失评估.这个过程需要集合GIS技术对自然、地理、社会因子等诸多因素并附上相应的权重进行空间叠加，然后完成分析和区划，是一种评估灾害损失的有效手段.随着GIS技术研究的深入以及多种灾情模型的构建，近年来，评估系统所考虑的因素虽在不断完善，也变得更加全面，但仍然还有更大的研讨空间.例如充分利用GIS空间分析的功能，考虑流域上、下游的关系等.同时，GIS技术在数据层叠加、多边形合并、缓冲区的运用方面充分发挥了作用.

马镇等［3］利用GIS开发了哈尔滨市的城市防洪体系，加强了对防洪警报、防洪预案以及洪涝灾害的监测和评价，对城市的防洪抢险工作有着积极意义.此系统根据汛前补充预报方案，成功完成了8次南四湖、泗河及各大、中型水库的洪水预报及洪水展望工作，为防洪、抗洪工作决策的制定与实施提供了重要依据与辅助.王志刚等［4］基于以上系统，开发了灾情评估系统，对不同滞洪区的灾情水位进行分析，不仅提供了相对可靠的损失数据，同时也根据计算出的滞洪量进行了较为科学的灾情评估.

1.2 水文资源空间管理和决策支持系统研究

水文资源的空间管理和决策都要依赖于GIS技术.基于GIS技术建立的空间数据库是系统的核心，是相关水文决策必须考虑的重要参考数据.只有在这些精准数据上进行决策，才能更好、更全面地做出科学而正确的决策.

建立具有水文水资源特色的数据库，不止是为了更好地实现当前水资源的管理，更重要是根据水资源分布的时间和空间变化做出预测，建立相关的决策支持系统，提升水资源的管控能力.近几年发展起来的决策支持系统立足于常规决策支持系统和GIS技术，是一种优势明显的新型系统.但相对来说，其开发难度较大，需要大量财政资金支持.就我国水资源分布状况与近年来洪涝灾害发生的频率来看，加强这种新型决策支持系统的研究和应用对于我国未来水资源的管理有着极为重要的意义［7－8］.

1.3 水环境管理

水环境管理的目的决定了这项工作相较一般水文管理在空间属性和层次上的要求更高.GIS技术的应用除了能够精确体现不同区域内的水环境状况，还能根据空间及时间范围内的变化趋势进行预测和监测，利用系统内的多种信息模块加强对水环境的管理，还能根据不同水环境需要适当进行加减.上海市水环境管理部门从20世纪80年代就开始研究GIS技术在水环境管理中的应用，不仅建立了黄浦江流域的水环境管理系统，还加强了水质、水量的监测预报，促进了水环境的高效、优质管理.此后，国内一些科学家也根据这些研究成果建立了水质动态管理信息系统，更进一步提升了水环境管理的质量［5－7］.

1.4 水污染控制规划

水污染作为现今水文水资源领域重点关注的问题之一，对水资源的开发利用有着巨大的消极影响.区域环境规划过程中如何做好水污染的控制，将会严重影响环境规划目标实现的质量和效率.因此，利用GIS技术做好水污染的控制规划具有重要意义.

水污染控制规划方案要做好各功能区域水资源的分布设计.根据污染源的种类及分布，利用图的可视化形式做好分布方位与范围的设计，确保城市的排污网络能够发挥最大的排污效果，减少水污染在区域环境范围内的影响.具体流程如下:首先确定水污染控制规划的对象，建立水污染控制规划的数据包以及规划模型库;然后分别利用数据库及管理信息系统，建立面向用户的信息系统，根据用户所需要的数据、图表等信息完善水污染控制规划模型;最终完成区域环境内水污染的控制.美国水利科学家德博瑞就利用这种污染控制系统成功地计算了美国多个河流周边流域的污染值，更好地实现了水质的监测与污染的控制，在非点源污染控制上又上了一个层次［1］.

1.5 给水管网信息管理系统研究

利用GIS技术对给水工程中的管网进行设计主要有3种形式:独立开发、集成二次开发以及单纯二次开发.独立开发较为简单，在应用系统的开发过程中完全不依赖GIS技术.集成二次开发就需要多方面应用GIS技术的功能进行通用编程软件开发，开发过程中必须依赖GIS技术强大的空间数据处理能力来实现可视化工具的应用开发，是难度最高的应用开发形式.单纯二次开发主要是对GIS技术的借用，在开发难度上略低于集成二次开发.利用GIS技术进行集成二次开发，能够优化相关信息的提取、采集与编辑，提升水利计算的能力，优化选泵点等，这些积极因素都将为给水管网的设计和建设提供强大的支持，从而设计出更合理的管网建设方案.美国科罗拉多州利用GIS技术完成了科罗拉多河的决策支持系统，给水管网的设计较之前更加科学，为灌溉区域的水资源应用和管理带来了巨大的经济效益和社会效益［2］.

2 GIS在水文水资源中的应用展望

GIS应用与开发一直是一个不断发展的动态过程.GIS的应用提升了水资源的信息管理水平，对于当前水文水资源的研究和利用起到了积极的促进作用.但当前GIS应用与开发中仍存在着诸多问题，如水流运动、水质的时间序列以及周围空间环境的数据耦合仍需加强研究，不同开发单位之间水文数据组织和设计方式的差异为互动操作增加了难度，不利于大范围的水资源数据模型的构建等［16－17］.如何在GIS应用与开发过程中更好地切合实际需求，并充分发挥GIS技术的优势，是一个需要努力攻关的课题.笔者认为可从以下几方面加强GIS在水文水资源中的应用.

1)加强GIS应用规范和标准的研究.实际开发过程中，GIS的研发是各部门根据生产和科研需要独立进行的.但GIS技术规范和标准缺乏统一性，开发平台和数据模式呈现多样化，这种情况对于开展大范围内的水文信息交流、构建全面丰富的水文水资源信息管理网络来说存在一定弊端.因此，应当结合国内外多个成功的试点经验，结合自身发展的标准与需求，通过拟定统一的规范化标准来加强GIS的研究与开发［9］.

2)建立水文水资源地理空间数据库.空间数据库是系统的核心、决策的基础，因此加强标准化、规范化空间数据库的建设，尤其是具有水文水资源领域特色的地理空间数据库，如雨情和水情数据库、水旱灾情数据库、蓄滞洪区空间展布式社会经济数据库等［10－12］，对于系统的应用来说具有积极意义.这些数据库不仅包括流域内的水文水资源信息，同时还包括自然资源与社会环境、经济情况等基本数据，并且能够进行实时更新，保持数据的高度准确性、全面性与即时性.

3)建立水文水资源空间决策支持系统.空间决策支持系统是近年来在常规决策支持系统和GIS相结合的基础上发展起来的一种新型信息系统.这种系统虽然应用前景广阔，但是开发难度较大，需要大量的人力、财力与物力.因此，必须集中财力保证重点，分步实施，成熟后再予以推广.从我国水文水资源分布情况来看，建立黄河与长江的水文水资源空间决策支持系统是当务之急，同时也是进行试点的最佳地区，对于后期加强全面水资源信息网络建设有着极为重要的意义与作用［13－14］.

4)促进GIS与水文水资源专业模型的融合.在目前的一些GIS专业模型中，虽然大多数都具备了较强的信息储存与管理等功能，但是重点仍然是数据，在表达地理空间、分析和决策支持等方面还稍显不足.因此，需要充分利用GIS系统的空间数据管理功能，将现有的各类计算方法和软件逐步过渡到以栅格为计算空间单元的分布式模型上来，实现GIS与水文水资源专业模型的集成，更好地发挥系统的功能与优势［15］.

总的来说，水文水资源领域的深入研究带动了GIS的应用和发展，GIS技术的应用又进一步加强了水资源领域的研究力度，二者互相促进，不断提升着水文水资源的管理水准.这对于当前环境下缓解我国水资源短缺和水资源污染局面有着重要意义，对于未来更好地开拓GIS技术的应用前景也起着重要作用.

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［3］马振.哈尔滨市城市防洪决策支持系统的设计［J］.黑龙江水专学报，2005，32(2):121 －124.

［4］丛沛桐，王志刚，汪圻，等.GIS技术在洪水淹没分析中的应用［J］.东北水利水电，2006，24(258):33 －34.

［5］魏文秋，于建营.地理信息系统在水文学和水资源管理中的应用［J］.水科学进展，1997，8(3):296－300.

［6］何进朝，李嘉，黄文典，等.基于GIS的水质动态管理系统研究［J］.水电站设计，2004，20(4):73 －75，82.

［7］张俐，李兰，钟秀英，等.基于GIS的二维水质网格计算［J］.中国农村水利水电，2006(2):59 －61.

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