GIS在水文水资源领域的应用探究

龚文峰，王鑫鑫，郭 红，李 恒

(1.黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080;2.哈尔滨学院 地理与旅游学院,黑龙江 哈尔滨 150086;3.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081)

GIS在水文水资源领域的应用探究

龚文峰1，王鑫鑫1，郭 红2，李 恒3

(1.黑龙江大学 水利电力学院,黑龙江 哈尔滨 150080;2.哈尔滨学院 地理与旅游学院,黑龙江 哈尔滨 150086;3.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081)

GIS是近年来新兴的一种源于计算机与信息化技术结合发展的产物，不仅具有高效的空间数据管理和灵活的空间数据综合能力，而且还能够解决复杂的规划、动态预测、决策优化和管理等问题，并在国内外多个领域得到了广泛的应用。本文基于GIS技术从水文水资源领域的研究应用入手，重点分析了GIS在地表水、地下水、防洪减灾、水土保持等多个领域中的应用现状，并探究GIS在水文水资源领域未来应用研究，以期为水文水资源领域研究水平提高提供一定的技术参考和理论依据。

GIS技术；水文资源；应用领域；发展趋势

当前全球环境恶化加剧，其地理水资源逐步匮乏枯竭，用水危机由此受到人们的关注[1]，已经成为全球所关注的焦点，而由此展开对水资源的探索及水文相关资料的收集、整理、分析等综合性研究也不断增加[1]。可见在当前环境下，开展对水文水资源的研究就格外重要[2]。科学信息技术在不断飞猛发展，然而高消耗、低效率的传统水资源研究方式不能适应当代信息技术发展。因此，需要将现代信息技术引入到水文水资源的研究中[3]。GIS技术不仅能够快速、准确的获得水文资料，而且还能在水资源循环性、资源信息评估及有效利用率等方面发挥至关重要的作用[4]，并且能够为水文水资源的规划、管理、决策提供服务和技术支撑，并不断的推动水文技术向前发展，发挥着较强的推动力。基于此，GIS 技术在水文水资源方面的应用势在必行。

1 GIS技术发展现状

GIS(Geo-Information System)是一门结合了地理学、地图学、计算机科学与遥感技术的综合性学科[5]。是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，具有区域空间分析、多要素综合功能，能够动态预测采集、管理、分析和输出多种地学空间信息及处理并管理多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据和属性数据等[6]。同时，GIS是可以分析和处理空间信息(即是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析)的一种基于计算机的工具，它把地图的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。因此，GIS也被称为“地理信息科学”( Geographic Information Science)，在最近几年GIS也被称为“地理信息服务”( Geographic Information Service)。

20世纪60、70、80和90年代，国际GIS技术经历了开拓、巩固与发展和普遍发展、应用推广及全面应用四个阶段，到如今GIS技术已经全面进入了应用普及时代。相比较而言，我国GIS技术发展起步较晚，经历了从20世纪70年代初开始准备、80年代起步、90年代发展、1996年以来产业阶段化四个阶段[7-8]。我国GIS技术建设在实验应用、技术理论、技术研究、产品开发和成果应用等方面都取得了巨大的发展，其表现为：

(1)中国科学院院士陈述彭教授提出将GIS作为一门新兴学科。

(2)我国第一个GIS研究室的成立。

(3)国家正式将GIS列入“七五”国家科技攻关计划。

(4)“3S”技术重点项目的实施。

(5)我国拥有了GIS软件自主版权并进入产业化道路。这些成果都反映出我国GIS产业进入了新的发展阶段[9]。

近年来，GIS与常规决策支持系统结合发展已成为趋势，其结合发展的新型产物即空间决策支持系统(SDSS)，该决策系统的广泛应用发展也逐渐拓展至水文水资源领域，成为GIS技术在水资源领域应用的重要分支，在水资源领域应用中具有良好的发展趋势，并在水文水资源规划、水污染控制、水文情报预报、防洪减灾、水管网信息管理，以及生态用水量评估等方面得到了的具体的体现[10]。此外，GIS技术由传统的集成、存储性应用逐步向智能化、多功能方向转变[1]，通过建立模型实现水文现象动态模拟也成为今后研究的重点，借助于GIS对空间数据的综合分析功能，为水文状况提供高精度、实时化信息，使水文基于GIS由二维、三维向多维发展[10-11]，使得GIS的综合功能在水文水资源中得以广泛应用，并解决许多工作中面临的实际问题。

2 GIS技术在水资源领域的应用

GIS技术在水资源领域中的应用较为广泛，具体可以应用于地表水水资源管理、水资源规划与评价、水情预报、防洪减灾、水土保持研究及地下水模型、地下水污染、地下水资源勘察、地下水水质评价和预测等方面。

2.1 GIS技术在地表水方面的应用

2.1.1 水资源保护

在水资源保护方面，RS和GIS技术结合在该领域得到了更为广泛的运用。利用RS技术获取实时周期性的地表水资源信息。利用GIS技术建立专业水资源保护系统，在系统内预先输入各种水文数据，结合水质数值计算模型，对获取的水资源数据进行处理计算，模拟并编制多种规划方案，针对不同方案模拟实施后可能发生的各种情况通过图像进行显示，便于验证方案的可行性及预测方案实施效果[6]，有利于提高变化趋势预测的准确性和时效性[3]，可以很大程度地减少工作量，提高工作效率。

2.1.2 水资源规划

与传统大尺度水资源战略规划技术相比，GIS技术具有管理方便、获取数据容易、更新快、操作灵活和数据准确等优势。水资源规划中的核心内容是建立水资源综合规划数据库，GIS借助其空间数据的优势，容易实现多种基础数据库的建立，包括与地理信息相关图形信息的GIS图形库、水资源属性数据库、水资源历史资料数据库及实测数据库[12]。在GIS软件的支持下，根据不同需求完成水资源供需图、流域灌溉规划图、水资源污染分布图、洪水来源及洪水影响图等各种类型的水资源专题规划图的绘制，借助于GIS强大空间分析功能，在完成流域内水资源与人口分布、区域社会关系、水资源蓄量、空间分布等定量分析的基础上，实现规划方案的准确、快速、直观地查询和管理功能，完成流域内规划方案可行性选择，为流域内设计调水路线、管理监测和评价工程效益提供技术支持和理论依据[13]。

2.1.3 水情预报

GIS技术在现代洪水预报工作当中的应用频率越来越多、应用方面越来越广，已经成为当代水情预报领域强有力的技术工具。GIS技术利用空间数据处理分析功能来实现洪水预报的自动化及网络化。主要体现在设置自动报警装置、确定水文模型参数、处理水文水情信息、开发水文模型，及建立数字高程模型五个方面[14]。

(1)自动报警设置：GIS系统能够获取高分辨率的地理信息资料，将这些地理信息资料与地理信息组建(Map Objects)结合开发出气象信息分析组件，就可以对气象情况进行监测与定位，再结合计算机的编程技术实现对灾害性天气的自动报警设置。

(2)确定水文模型参数[15]：当代的水文模型需要进行输入的数据参数大多属于地理信息数据参数，主要包含河道的宽度、长度、坡度，河流流域的重心、坡度、土壤情况，以及流域下渗状况等。借助GIS系统可以直接确定这些河道与流域的水文信息模型参数。

(3)处理水文水情信息。依托数字地图，借助GIS系统与数据库管理技术对水情信息进行查询、检索、显示及分析处理。

(4)水文模型开发。水文模型的开发可以为水文水资源研究提供科学依据。GIS系统利用降水量的空间分布状况将其归结为流域水文模型，流域水文模型结合现代计算机技术对不同水域中的降水量与汇流阶段进行科学计算，从而合理客观地预测出流域旱汛期，为防洪抗旱工作及实际工程施工提供技术支持[2]。

(5)建立数字高程模型(DEM)。数字高程模型不仅能够进行流域汇流计算,还能够结合水力学模型，对灾情进行评估和分析。借助GIS技术建立数字高程模型，自动生成流域水系，为水文模型开发夯实基础。此模型能够准确、快速、客观的预测和评价灾情。

2.1.4 防洪减灾

洪涝灾害在我国发生的频率颇高且危害范围广，给人类社会正常的生活、生产活动带来非常大的损失和祸患。而GIS技术可为防洪减灾提供防洪决策及信息管理平台[16]。其主要表现如下：

(1)GIS系统能够存储、管理海量数据并可以对其进行查询、检索、更新和维护等操作。数据存储与查询功能能够为洪水应用模型提供数据支持；可视化表达功能可以将防汛信息及防汛方案更动态、直观、准确的表达。

(2)GIS技术可为灾情进行评价与预估。通过对模型参数数据的优化升级对洪水灾害进行预测预报，在此基础上动态模拟洪水灾害过程，提取灾情数据，预估灾情影响并分析解决灾情方案；对不同强度洪水发生概率进行分析，对灾害造成的损失进行预测。

(3)GIS在灾情风险分析与区划中起到很大作用，在城市防洪方面，GIS技术可以对城市内积退水进行预测预报，从而通过对排水设施的管理、规划与设计，协助城市积水排泄[17]。对积水严重的区域或街道进行可视化显示操作，进而准确快速的做出应对策略，结合RS技术，辅助支持防洪抗汛策略[18]，为灾后地区重建做出技术支持[19]。

2.1.5 水土保持

水土流失的情况在我国经常出现，水土流失的类型多种多样，包括水蚀、风蚀、冰川侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀等各种类型，并且有大量的滑坡、泥石流、崩岗等山地灾害[2]。第一次全国水利普查显示，水土流失占国土总面积30.72%，第二次遥感普查显示，占国土总面积37.01%，可见水土流失是近些年我国面临的较为严重的自然灾害，同时水土流失严重损害了我国的自然资源，该问题引起党和国家及全社会的高度重视，先后在主要江河流域实施了多个水土流失综合治理工程，并在重点防治区建成了水土保持监测站网。同时利用遥感(RS)技术的周期性和视域广的特点、地理信息系统(GIS)的信息管理和分析功能，以及全球定位系统(GPS)的高精度定位的特点，使流域内有关水土流失的大量信息得到统一管理，并应用GIS技术来管理动态监测数据、进行水土流失预测、生态环境效益分析，从而提供及时可靠的决策依据[20]。

2.2 GIS技术在地下水方面的应用

2.2.1 地下水模型

GIS广泛的被应用到地下水模型研究中，主要是通过建立空间数据库、临时数据库、网格专题层、构建模型、识别模型、动态预测和制作水文地质图件等七个步骤来实现的[21]。此外，在单层或多层区域的地下水水流模型中，GIS能够完成定量模拟地下水补给量、地下水流量及地下水水位等的计算[22]。

2.2.2 地下水污染

地下水水质受到自然及人类的双重影响往往会产生较为复杂的演化，成为监测治理地下水污染的艰巨问题[23]。GIS技术对信息的综合分析及建模功能可以协助解决这一问题。GIS能够动态模拟污染物的时空分布特征，在地下水污染事故发生时，能够快速及时地了解事故发生地点、污染强度、水文现状等水文信息，从而做出应急措施[24]。采用GIS技术进行地下水污染的研究可以确定污染源与污染源区域时空变化状况、含水层易受污染区域、含水层污染程度与地质状况关系，及污染物对地下水水质的影响[25]。

2.2.3 地下水资源勘察

地下水资源的勘察是进行水资源规划、管理、保护及开发的关键步骤。地下水资源勘察的范围集中在地下含水层，勘察内容包括含水层边界、导水状况、地质结构及空间分布等特征。GIS技术应用于地下水资源勘察中，能够建立水文资料数据库，并对其进行可视化显示、查询和检索，在此基础上预测水文动态发展趋势，实现对地下水资源规律的探索，并为地下水资源管理的空间决策提供技术支持[26]。

2.2.4 地下水水质评价和预测

地下水水质评价主要包括地下水脆弱性评价及地下水功能性评价。传统的地下水水质评价与预测手段单一落后，并且得到水质预测结果抽象模糊不够准确。将GIS与水质评价预测模型进行耦合，不仅可以增加对地下水水质评价或预测的准确性，生动、直观、准确的评价预测水质状况，并对预测结果进行可视化模拟，还可以为地下水开发利用提供科学依据[27-28]。首先基于GIS系统完成数据采集，建立地下水资源数据库，其次设计地下水资源预测评价模型，确定模型参数并输入地下水资源数据库中。最终完成将地下水资源预测评价模型与GIS系统的耦合集成[29]。

3 结论与展望

GIS技术是一门综合性学科，是一种基于计算机的工具，具有实时获取信息、管理方便、更新快、操作灵活、动态预测空间信息等特点。GIS这些强大的功能使得GIS在地表水文水资源领域中的水资源保护、水资源规划、水情预报、水土保持、防洪减灾，及在地下水资源的建模、勘察、排污、水质评价预测等方面得到广泛应用。GIS目前仍存在着数据耦合困难、互操性差等问题，但随着GIS未来不断发展和进步，其在水文水资源领域中的各项应用技术会更加成熟，在水资源领域中的应用方面会更加广泛。

随着计算机技术及GIS技术的不断发展，GIS系统模块化、智能化、互操作性，GIS数据多元化，GIS平台社会化，GIS应用网络化成为其主流发展方向。特别在当前国内外学者的“全球信息”“数字地球”“数字水利”“智慧城市”等新鲜概念的影响下，让传统的工程型水利逐步转变为信息化和数字化资源型水利发展。首先加强GIS与水文模型的相互融合，建立多功能并可以进行理论分析的信息系统、建立完整水文信息网，实现资源共享，创新完善水资源空间决策支持系统；GIS未来在水文水资源领域应用中会逐步向多维化、时态化、网络化、智能化发展；为拓宽GIS在水资源领域的应用面，应加强GIS与RS、GPS技术的结合应用，寻求GIS与虚拟现实技术、移动通讯技术等高新技术的合作机会，更高效地将GIS运用到水文水资源领域中，为人类生产生活提供更多便利服务。

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Exploration of GIS on application in hydrology and water resources

GONG wenfeng1，WANG xinxin1, GUO hong2, LI heng3

(1.College of Hydraulic and Ectrical Engineering,Heilongjiang Unviersty,Habin 150080,China;2. College of Geography and Tourism ,Harbin University, Habin 150086,China;3. Sanjiang Engineering Construction Administration Bureau of Heilongjiang Province, Habin 150081,China)

GIS technology is a kind of technology product developed in combined with computer technology and information technology in recent years. It not only has high efficiency spatial data management and flexible spatial data comprehensive ability, but also can solve complex planning, dynamic forecasting, decision optimization and management and other issues, and in a number of areas at home and abroad has been widely used. Based on these ,this paper is based on the research and application of GIS technology in hydrology and water resources and focuses on the application of GIS in surface water, groundwater, flood control and disaster reduction, soil and water conservation and other aspects of the application of GIS in the field of hydrology and water resources future applications to explore, in order to provide a certain technical reference for hydrology and water resources to improve the level of research.

geographical information system technology; hydrology and water resources; application field; development trend

黑龙江省自然基金项目(D201410);黑龙江省教育厅科研项目(1253153)

龚文峰(1976-)，男，河南南阳人，教授，主要从事3S技术在农业水土和资源监测上的应用研究。E-mail: gwf101@163.com。

TP79；TV213.9

A

2096-0506(2017)07-0039-05