基于網格GIS的數字區域水資源監控管理系統研究*

陳 娟 王立挺

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基于網格GIS的數字區域水資源監控管理系統研究*

陳 娟 王立挺

福建省科技管理干部學校

該文針對當前我國水資源管理存在的問題，提出基于網格GIS的數字區域水資源監控管理系統的構建思路及建設方案。

水資源 網格GIS 數字流域平臺

1 水資源監控管理的必要性

全球降水量為57.7萬km3，其中只有39%降在陸面上成為河川徑流，全球年徑流量（也稱為年水資源總量）約為4.7萬km3，年人均水資源量約為7800m3。世界各大洲的自然條件不同，降水和徑流的差異也較大。全世界約有190多個國家，各國所處地理環境不同，歷史發展的條件各異，水資源情況差別更大，許多國家缺水嚴重。在今后30年內，許多地區缺水形勢將更加嚴重。

我國多年平均水資源量為28412億m3，河川徑流量(地表水資源量)在世界僅次于巴西、俄羅斯、加拿大，居第四位。但中國人口眾多，人均水資源占有量不足2100m3，約為世界平均值的1/4。同時由于地區分布不均，年際、年內變化大，更加劇了水資源緊張狀況?？傮w上，全國水資源開發利用程度不高，南北方差異很大。北方地區水資源開發利用程度(平均為46%)遠高于南方地區(平均為12%)，海河區高達101%，其中海河南系達123%，黃河和淮河區分別為76%和53%；遼河和西北諸河區水資源開發利用率分別為40%和42%，其中遼河流域為66% 。

新中國成立以來，全國水資源開發利用率已達到21%。特別是近20年來，由于供水能力增長緩慢，1978年～1998年全國供水能力年增長率約為1%左右，而同期國民經濟以8%～12%的高速度增長，同期人口又增加了約2.5億，更加劇了缺水矛盾。值得注意的是，由于人類活動的影響，降雨與徑流關系，產流與匯流條件都在發生變化，有些江河的天然來水量已呈現衰減的趨勢。黃河下游頻頻發生斷流、海河成為季節性河流，以及內陸河部分河流干枯，2000年發生的旱災，經濟損失嚴重，充分暴露了我國城市供水系統和農村抗旱能力的脆弱性，是水資源供需矛盾的集中表現。目前，全國每年缺水量近400億m3，其中，農業每年缺水300多億m3，平均每年因旱受災的耕地達4億多畝，年均減產糧食200多億公斤；城市、工業年缺水60億m3，直接影響工業產值2300多億元；農村還有2400多萬人飲水困難；在全國668座城市中，有400多座缺水，其中100多座嚴重缺水。進入21世紀，隨著我國人口的增長、生活質量水平提高、城市化進程加快，人均水資源占有量將進一步減少，而用水量卻進一步增加，水資源供需矛盾更加突出，缺水已成為影響我國糧食安全、經濟發展、社會安定和生態環境改善的首要制約因素。

據預測，2050年我國國民經濟需水峰值為8000億m3，最小可能是7000億m3。屆時缺水更為嚴重，用水更加緊張。但過去我國在開發利用水資源的時候，不重視水資源的管理工作，當前水資源管理非常落后。一方面我國水資源緊張，據水利部預測，2030年，中國人口將達到16億，屆時人均水資源量僅有1750 m3。在充分考慮節水情況下，預計用水總量為7000億m3至8000億m3，要求供水能力比現在增長1300億m3至2300億m3，全國實際可利用水資源量接近合理利用水量上限，水資源開發難度極大。新中國成立以來，我國初步建成了較為完善的防洪減災體系、農田灌溉體系和城鄉供水體系，提高了農業抗御水旱災害的能力，有效改善了農業生產條件，促進和保障了城鄉社會經濟的發展和人民生活水平的提高。但是，水資源問題一直沒有得到根本解決，成為影響我國經濟社會可持續發展的一個重大問題。另一方面我國卻存在普遍的嚴重浪費水、污染水，用水效率和效益低下等問題。據監測，目前全國多數城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，且有逐年加重的趨勢。日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進一步加劇了水資源短缺的矛盾，對我國正在實施的可持續發展戰略帶來了嚴重影響，而且還嚴重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。

科學合理地管理與利用有限的水資源是有效解決我國水資源問題的重要途徑。加強水資源的科學管理，通過水資源的合理開發、高效利用、綜合治理、優化配置、全面節約、有效保護，不斷提高水資源利用效率和效益等措施，建設節水型社會，實現水資源的可持續利用，為經濟社會的可持續發展提供支撐，是一項具有重大意義的工程。

2 網格GIS和數字流域平臺

2.1 網格GIS

網格GIS即利用現有的網格技術、空間信息基礎設施、空間信息網絡協議規范，形成一個虛擬的空間信息管理與處理環境，將空間地理分布的、異構的各種設備與系統進行集成，實現數據資源、計算資源的高度共享及系統集散的負載平衡，為用戶提供一體化的空間信息應用服務的智能化信息平臺。

網格GIS的特點：異構性、動態性的環境；跨多管理域（測繪、國土資源、交通、氣象、商務）及多區域的動態的資源共享。與傳統分布式GIS的主要區別是：松散耦合，異構、動態環境，跨區域跨多個管理域。

網格GIS是網格計算在GIS領域的應用，我們可以從下列三點理解它的概念：

⑴網格是思想。網格計算的目標是共享資源和數據，并讓所有結點共同工作，這與GIS工程的需要相一致。網格一個主要特征是在某些特殊規則下共享各種類型的資源，包括數據，應用，計算能力，這些規則可以保證網格系統中的各種資源在一起很好地工作。

⑵網格是技術。網格計算需要相當的技術來保證共享各種資源，并使它們彼此之間很好地協作；需要相當的標準來保證安全和整個系統各部分之間的通訊。網格GIS還需要更有效地共享各種類型資源的技術。

⑶網格是基礎設施。網格系統由各種類型的計算機、數據、設備和服務構成。隨著網格的發展成熟，建立全國范圍甚至世界范圍的若干資源結點變得十分重要；應當在英特網上組合大量的資源，并為用戶提供優質的服務。當網格環境建立以后，用戶可以像現在使用電力一樣使用來自英特網的資源，而并不需要知道電力的來源。由于網格計算提供了軟件和數據，我們投資和維護的費用將急劇減少。

目前，網格計算僅僅處在初級階段，許多著名網格工程，例如美國國家航空和宇宙航行局（NASA）的IPG Grid，美國的能源ASCI Grid，歐共體的Euro Grid和Data Grid已經進行了實驗。自1990年以來，中國在網格計算方面做了很多研究。中國政府和科技部門已對網格研究進行了大量投資，主要目標是網格關鍵技術的突破，網格標準的建立和網格在其它領域的應用。同時，我們加強了網格計算的解釋研究及網格計算的產業化。網格計算在其它研究領域的應用已進入實驗階段。

2.2 數字流域平臺

上個世紀末，“數字地球”開始引起人們的關注?！皵底值厍颉笔且环N關于地球的可以嵌入海量地理數據的、多分辨率和三維的描述。“數字地球”可以將不同空間、時間、物質和能量的多種分辨的有關資源、環境、社會、經濟和人口等海量信息，按地理坐標，從局部到整體，從區域到全球進行整合、融合及多維顯示，并能為復雜的生產實踐、知識創新、技術開發與理論研究提供試驗條件和試驗基地(包括仿真和虛擬試驗)。

對“數字地球”最通俗的認識就是通過數字化手段將各種數據按照空間位置、時間和其他屬性在計算機網絡上模擬顯示出來，而未來成熟的“數字地球”將是一個囊括從數字化數據構模、系統仿真、決策支持一直到虛擬現實的廣闊領域。“數字地球”的概念被提出后，在世界范圍內引起了重大反響，我國領導人和專家學者給予了極大關注。1998年，江澤民總書記在接見兩院院士代表時就提到了“數字地球”問題。在短短的幾年時間，科技界已經舉辦了多次“數字地球”專題研討會，先后有數百位專家學者就我國“數字地球”科技發展策略發表了見解，“數字地球”成了當今社會的一大熱門話題。

“數字流域”是由“數字地球”衍生出來的對不同區域層次的信息描述，它的開發和研究是實施“數字地球”的一個很好的試驗場所和切入點。近年來，國內先后提出了“數字海河”、“數字黃河”、“數字長江”等一系列數字河流的建設規劃?！皵底至饔颉钡慕ㄔO為我國研究和解決水資源管理問題提供了有力的高科技手段。“數字流域”實質就是對流域過去和將來信息的多維描述，其研究內容是綜合處理流域的空間、地理、氣象、水文和經濟社會信息，并應用各種水量水質模型以及數據庫技術、GIS技術、虛擬仿真等顯示技術描述流域的各種行為，最終為流域水資源動態管理提供決策支持。

在數字流域應用系統建設方面，西方發達國家起步較早，已在實際管理中發揮了重要的作用。歐美國家、澳大利亞和日本的流域管理數字化程度都較高。美國在密西西比流域建立了完善的水情自動測報系統、防洪自動預警系統及實時監測系統。通過氣象預報模型、降水－徑流模型、河道水流演算模型，不僅提供短期洪水預報，而且進行季節水情概率預報，為防洪減災和水資源管理提供決策支持。CRISTAL系統是歐洲洪水預報較為成功的典范，在Loire等河流得到了廣泛應用；NASIM降水－徑流模型在歐洲枯水期水資源管理方面的應用也較為廣泛。澳大利亞的Marrury-darling河流域的基于閘門流量測量的數字化管理包括水質監控、水量分配、水權交易、水資源的實時調配等任務，該流域還開發了功能齊全的灌區配水系統軟件。日本在1999年年底已正式啟動三代河流信息系統，加拿大在Fraster河流域建立了類似于美國的河流監測體系。

數字流域技術具有搜集、存取、集成、處理、分析和顯示定位流域空間數據等功能和強大的數據庫及空間分析功能，因而被越來越廣泛地應用于水資源評價與管理、水環境影響評價與污染防治、土地利用規劃與場地選址、自然災害的評價與風險管理等領域。另一方面，我國水資源形勢十分嚴峻，亟需用先進的科學技術解決。

3 基于網格GIS的數字區域水資源監控管理系統研究

3.1 研究思路及技術路線

3.1.1研究思路

目前我國水資源已經形成嚴重不安全、不安全和基本安全3種類型的區域，這就從客觀上要求依據水資源安全程度建立相應的安全評價與預警機制，實行分區分類動態風險評估，對不同的區域實施不同的水資源管理政策，即實行水資源動態管理，建立以水資源安全評價與風險預警為基礎、以總量控制和取水許可為基本手段的分區分類動態管理新模式，逐步由粗放管理向精細管理轉變。

3.1.2技術路線

通過對區域經濟、社會、資源、環境現狀調查，特別是對水利發展狀況、水資源開發利用狀況、水環境狀況的分析研究，診斷目前存在的主要問題及其對經濟社會發展和生態環境保護的影響。以鄉鎮為基礎進一步細分水資源分區，建立相應的基本資料數據庫。

建設完善水資源實時監測系統，并運用遙感（RS）、網絡GIS、全球定位系統（GPS）、虛擬仿真及信息集成技術，以SPOT5遙感數據、1：50000 DEM及GIS基礎空間數據為基礎，建設數字流域平臺。

以水資源B級區套鄉鎮級行政區為單元，按照嚴重不安全、不安全和基本安全3種安全類型，進行水資源安全評價，并做出相應的水資源安全風險評估與預警，編制應急預案。在此基礎上，依據區域未來經濟社會發展目標，結合節水型社會建設要求，設計水權制度與入河排污許可制度，擬定水量水質雙總量控制方案，建立水資源優化調度系統，擬訂生態與環境保護戰略，提出未來水利建設總體布局方案和水資源動態管理模式。

技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

3.2 系統開發建設

3.2.1數字流域平臺建設

借助全數字攝影測量、遙測、遙感（RS）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）等現代化手段及傳統手段采集基礎數據，通過微波、超短波、光纜、衛星等快捷傳輸方式，對各流域及其相關地區的自然、經濟、社會等要素構建一體化的數字集成平臺和虛擬環境。在這一平臺和環境中，利用GIS的空間分析功能與一系列與水資源相關數學模型，對江河開發、治理和管理的各種方案進行模擬和分析，并在虛擬現實等可視化環境條件下，提供有力的決策支持，增強決策的科學性和預見性，實現水事活動描述的全息化、過程的可視化和決策的科學化。

3.2.2水資源實時監測與調度系統建設

系統功能包括4個主要層次，即水資源數據庫及管理平臺、應用支撐平臺、應用系統、計算機網絡。

水資源數據庫及管理平臺：包括在線監測數據庫、業務數據庫、基礎信息數據庫、空間數據庫、多媒體數據庫、數據庫布置及現有數據集成整合；

應用支撐平臺：包括系統資源服務層（統一數據訪問接口、數據轉換）、公共數據服務層、應用服務層（GIS服務、報表工具、圖表工具、流量控制）、平臺接口；

應用系統：包括水資源實時信息服務系統、水資源業務管理系統（取水許可管理、地下水管理、節水管理、水資源費征收管理、入河排污口管理、水源地管理、水功能區管理、水務管理）、水資源動態評價系統、水資源系統運行調度系統、水資源安全風險評估與預警系統、水資源綜合統計系統、水資源輔助決策支持系統（包括預警與應急服務、水資源評價、水資源配置）、水資源信息發布平臺、水資源動態管理系統。

計算機網絡：通過GPRS專線，實現水利專網與移動通信APN網絡的連接；通過路由器，實時透明轉發各相關業務部門所轄測站實時采集信息；提供完善的內外網隔離方案，確保內部數據安全；為市級用戶通過互聯網實現虛擬專線連接，可以通過VPN接入訪問內部業務系統；實現對調度中心數據庫系統、應用支撐平臺、業務系統及版本控制系統等軟件的硬件及網絡支撐。

3.2.3水資源動態管理

3.2.3.1 利用水資源實時監測系統和數字流域平臺，建立基于網格GIS技術的空間數據庫，集成分區和相關水資源空間信息；建立水資源安全評價和風險評估與預警知識庫，并與4類分區建立關聯，實現分區信息與知識庫之間的交互查詢；通過用戶友好界面可以瀏覽各種屬性數據和GIS空間數據，為實現水資源總量控制管理的自動化和智能化提供技術支持。

圖2 排污口和資源區納污現狀電子地圖系統

圖3 取水、用水及排水實時監測系統

3.2.3.2 利用數字流域平臺，結合上述成果，對區域水利建設總體布局和水資源優化調度方案進行分析比較，形成推薦方案，供政府決策參考。

3.2.3.3 設計水權制度和入河排污許可制度，編制水量水質雙總量控制方案，供政府決策參考。

3.2.3.4 針對不同分區，提出不同的經濟社會發展對策與水資源管理政策，對嚴重不安全區實施更為嚴格的水資源管理政策。

3.2.3.5 提出以不同類型分區水資源總量控制為目標的水利建設總體布局、水資源調配與管理機制、節水型社會建設重點和水資源保護戰略，為我國水資源管理提供基于水資源安全評價與風險評估為基礎的分區分類動態管理模式和關鍵技術。

[1] 劉昌明,傅國斌. 今日水世界[M]. 廣州: 暨南大學出版社，北京: 清華大學出版社，2000.

[2] 秦大河. 全球水循環與水資源[M]. 北京: 氣象出版社，2003.

[3] 顧浩等. 中國水利現代化研究[M].北京: 中國水利水電出版社，2003.

*福建省科技計劃項目《基于網格GIS的數字區域水資源監控管理系統研究開發》（項目編號：2010Y0004）研究成果。