水文和水資源領域GIS應用綜述

張弘剛，王 虹，徐東晶

1. 吉林省第一地質調查所，吉林 長春 130033 ；2. 山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室/山東科技大學地質科學與工程學院，山東 青島 266590

1 地理信息系統技術

地理信息系統(Geographic Information System，簡稱GIS)是指在計算機硬件、軟件支持下，對整個或部分地球表層空間中的地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、模擬、分析、顯示和描述的系統。GIS既可以作為一門描述、存儲、分析和輸出空間信息理論和方法的交叉系統，也可以作為一個處理地理空間數據的技術系統。

2 GIS在水文和水資源領域的應用

隨著計算機技術的迅猛發展及其他技術（如RS、GPS等）的有力支撐，GIS在各個領域得到了廣泛的應用，尤其是在水文與水資源領域，GIS技術在空間數據管理、分析、處理的優勢在此領域內得到了充分的運用和發展。在此主要從以下幾個方面來綜述水文和水資源領域中GIS的應用。

2.1 GIS與水文模擬

GIS和水文模型的集成能提供許多傳統水文模型所無法提供的詳細的水資源評價信息，可最大限度地減少用戶選擇模型參數的主觀性，可節省分析時間，減少研究開支。實現時首先通過GIS對水文數據和相關屬性等進行預處理，將水文計算模塊植入GIS系統，最后進行模型結果的后處理，從而完成水文模擬的全過程。

近年來，GIS在水文模擬中得到了廣泛的應用，涉及地下水和土壤水模擬、河道演變模擬、水沙數值模擬、洪水模擬、降雨-徑流分析模型模擬、水污染過程模擬、地下水資源計算與分析模型、數值模擬模型和水質與生態環境綜合評價模型等諸多方面。如張繼成等借助GIS技術和FEFLOW建立了研究區地下水系統概念模型和數學模型及相應的地下水系統數值模型，對地下水系統進行了模擬與分析[1]，陳煥偉等采用GIS模擬模型對區域農田土壤水氮行為進行了模擬和評價[2]，在長江口南支河道，集成地下數字高程模型（DEM）和GIS對河道演變特征進行了模擬和分析[3]，梁國亭等開發的二維水沙數學模型模擬可視化系統[4]，柳佳斌等將三維仿真地理信息系統與二維的地理信息系統有機結合，進行洪水演進模擬和系統分析[5]，徐雨清等集成GIS與半干旱地區多年平均年徑流量與降雨量、地形、植被等關系模型來計算集水區的徑流量[6]，裴相斌等將系統動力學（SD）方法和地理信息系統（GIS）方法結合起來建立了大連灣水污染與控制系統模型，進行了時空模擬和調控策略研究[7]，喬曉英等集成GIS與ArcObjects+ODE+VB等應用技術對河西走廊黑河中游盆地地下水資源進行了評價與潛力分析[8]，姚煥玫等將環境模型與GIS相結合，建立了環境綜合評價信息系統[9]等。

2.2 GIS與水資源管理和監測評價

2.2.1 GIS與水資源管理信息系統

水資源管理信息系統（WRMIS）是緊密結合水資源空間與屬性數據庫構建起來的用于水資源規劃與管理的一種信息系統，能夠實現對水資源信息的查詢檢索、綜合分析、動態預測和評價、信息輸出等功能。另外，水資源優化管理信息系統的開發，可實現圖形和屬性數據的雙向查詢，使水資源數據管理走向更加系統、科學的道路。下面將綜述GIS在水資源管理信息的各方面應用。

（1）流域水資源管理系統 在水資源管理方面較為著名的有美國田納西流域的水資源管理系統[10]，通過對各種水資源數據信息的自動監測、采集、傳輸、預警預報、決策支持、工程自動控制等，實現了流域（區域）水資源的優化配置和實時調度。同時還與收費系統相結合，做到自動收藏。

（2）城市水資源管理系統 系統以GIS為平臺實現城市水資源信息的數字化，結合水資源模擬模型和優化模型，可模擬水資源決策過程、驗證決策方案。第一用在城市供水管理系統 ：以汕頭市澄海區供水管網地理信息系統[11]為例，系統集空間與屬性數據管理于一體、功能強大的管網應用管理系統，它是用于城市管線及附屬設施管理的專業應用系統。供水管理信息系統與供水調度系統建立連接，實時進行供水綜合調度。第二用在城市排水管理系統 ：以基于MapX大連市排水地理信息系統[12]為例，系統以C環境集成MapX5.0 控件,采用Microsoft SQL Server 2000 數據庫管理系統，完成了地圖數字化與空間數據庫的建立，實現排水管網數據的采集錄入和及時更新功能、綜合查詢功能、統計和分析等功能，并結合實際應用提供了圖以紙輸出、表格輸出等功能。

（3）河道堤防管理系統 以汾河河道堤防管理信息系統[13]為例，系統針對汾河流域河道工程建設與管理的現狀，基于ArcGIS對海量數據信息進行自動采集、監測、傳輸、科學分析、決策支持和對工程進行科學調度、控制，以確保河道堤防的保護和合理利用，利用計算機技術方便了人們查詢相關的信息，縮短了查詢的時間，實現系統的動態管理。

（4）地下水資源管理系統 以銅山縣地下水資源管理信息系統[14]為例，系統實現了對非農業取水單位地下水取水工程的定位、水源井信息資料的輸入等，另外，還有陳佩佩等開發的徐州市巖溶地下水資源信息系統；武強等以MapInfo為平臺開發的塔里木盆地地下水資源管理地理信息系統；諸云強、宮輝力等基于組件技術開發的北京市地下水資源空間分析系統；魏加華等開發的北京密云—懷柔—順義地區地下水地理信息系統[15]。

（5）地下水資源空間分析系統 系統豐富了地下水領域的信息，帶來了數據格式、投影方式不統一等方面的問題。它總體構成充分考慮了地下水管理工作的實際需要和地理信息系統本身的功能特點,屬于地下水管理部門的辦公服務系統。在VB環境下嵌入MO控件，可實現通用的GIS 功能和專業應用功能,在此基礎上開發的地下水資源空間分析系統,可對地下水資源、水環境數據進行科學管理,圖形與屬性數據的雙向查詢;可對任意空間區域進行查詢分析,在此基礎上作出的評價，可以為地下水管理、開發提供科學的決策依據。

（6）地表水環境信息管理系統 以沈陽市地表水信息管理系統為[16]例，系統以地理信息系統、監測數據管理系統以及數據庫為開發平臺，面向環境管理的、可視化的、動態的信息系統。系統以電子地圖為背景建立沈陽市基礎地理信息基礎庫，可分層顯示，并建立河流、湖泊、水庫污染源、社會信息空間數據庫及地表水體、污染源、鄉鎮等基本情況表，地表水水體監測數據庫,污染源監測數據庫，實現各類數據的更新維護功能。

（7）水環境功能區劃管理信息系統 以寧德市水環境功能區劃管理信息系統[17]為例，系統功能主要包括圖形顯示和信息查詢、數據庫管理、統計圖制作、繪制水環境功能區劃專題地圖、水環境功能區劃信息WEB發布等功能，是加強水污染防治、統一監督管理的需要，也是將來為水環境管理提供技術支持的手段。

2.2.2 GIS與水資源管理決策支持系統

決策支持系統是以管理學、運籌學、控制論、行為科學和人工智能為基礎，運用信息仿真和計算手段為基礎，綜合利用現有的各種數據庫、信息和模型來輔助決策者或決策分析人員解決結構化和半結構化問題，甚至非結構化問題的人機交互系統。下面將GIS在水資源管理決策支持系統各方面的應用進行概述，并以實例加以解釋說明。

（1）流域水資源管理決策系統 以基于地理信息系統平臺開發的鎮江市水資源管理決策系統[18]為例，系統借助GIS對水資源進行監控和管理分析水質變化及未來變化趨勢，監控污染源并進行輔助分析決策。將水質模型、GIS和數據庫管理系統（DBMS）結合起來，使模型的輸入、運行、輸出和分析在一個統一的界面中完成，實現水質的動態管理與決策。

（2）節水農業決策系統 以張掖市甘州區節水農業決策支持系統[19]為例，系統以GIS與DSS技術、專業節水模型為支撐，建立一個集數據輸入、輸出、管理、分析、決策為一體的集成系統。

（3）防汛抗洪決策系統 GIS在防汛抗洪中應用廣泛，與流域災害信息管理相關的數據存儲、顯示查詢、統計和輸出等。①防汛水情信息系統 地理信息系統技術在防汛水情信息系統中的應用,把水情數據庫信息通過矢量圖顯示、汛情統計分析,使防汛工作的自動化進程大大提高。②城市防洪決策支持系統 集成洪水預報地理信息模型，并利用GIS網絡分析功能支持模擬蓄洪區人員的撤退、物資的轉移，以選擇最佳撤退路線，最大限度的減少洪水造成的損失。另外，還有區域性防洪減災信息系統，水庫及分洪區、滯洪區的自動調控系統，險情自動警報系統及防洪指揮系統。

（4）地下水決策支持系統 系統提供了與地下水數值模擬模型的接口，可為模擬模型的數據進行預處理，能夠對模型進行統一的管理，并提供選擇方案的決策支持環境。比較著名的地下水資源決策支持系統，如C.M.Daene等建立的流域水資源分配決策支持系統，該系統應用GIS和IDSS對流域水資源進行規劃和管理。

2.2.3 GIS與水資源監測評價系統

借助GIS的直觀和理性的可視化功能、巨量空間數據的儲存、管理和分析功能以及良好的數據維護和更新功能等，通過分析水資源環境及其生態變化背后的各種驅動因子來揭示水資源環境及其生態變化響應的機制,從而模擬流域水資源環境變化及其在不同時空尺度下的生態變化響應。下面將介紹幾種評價系統。

（1）水資源綜合評價信息管理系統 以基于GIS的湖北荊州市水資源綜合評價信息管理系統[20]為例，它實現了水資源綜合評價信息的空間定位、查詢和顯示，使水資源評價成果更好地為荊州市的水資源規劃管理工作服務。

（2）水資源管理與水質預測系統 以流溪河水資源管理與水質預測系統[21]為例，系統將原有零散的水質、水文、研究成果整理成數據庫由計算機統一管理，并可實現水污染事故的水質預測可視化，運用一維、二維水質預測模型對突發水污染事故引起的水質變化進行預測。

（3）水資源與生態環境評價管理信息系統 水資源與生態環境評價管理信息系統采用“三庫三系統”的應用體系結構，以屬性數據庫管理系統、基于GIS方式的水資源與生態環境評價管理信息系統、基于WebGIS方式的水資源與生態環境評價綜合信息查詢系統三種方式面向用戶前臺。系統集遙感、地理信息系統和管理信息系統技術的功能于一體，構成高度自動化、實時化和智能化的信息系統。除了上述系統外，還有其他各類水資源監測及水質評價系統。例如國家水利部水利水電研究院開發的黃河流域水資源監測系統（HWHS）、趙冬至等建立的海灣陸源污染物總量控制信息系統、美國的Edward Copeland和Brian McCaig開發的地下水保護區的管理信息系統、水質監測與評價系統、水土保持監測系統、水土保持管理信息系統、水土流失動態監測系統、水質實時預測系統、地下水水質評價及污染物分析系統、水污染控制信息系統、城市污水處理地理信息系統、礦井水文信息系統等，GIS在水環境和水污染評價中應用，還有如武漢大學姚煥玫采用GIS技術對湖泊水質污染進行了綜合評價，貝克將GIS制圖方法用于長春市地下水污染的評價，崔寶俠在GIS的基礎上建立了水環境評價決策支持系統，潘世兵進行了水資源水環境模擬模型與GIS相集成的技術研究等。

3 GIS技術在水文和水資源領域發展趨勢

GIS技術的發展與計算機軟件、硬件、元數據庫的建設、數據庫管理、網絡、遙感(RS)、全球衛星定位系統(GPS)、數字攝影與自動成像等技術的發展緊密相關。GIS在水文與水資源領域發展不僅僅取決于GIS技術的發展，更取決于水文與水資源領域信息化的進程，隨著現代化、信息化的水資源領域的進一步發展，GIS將在該領域得到更加廣泛的應用。

GIS將會走向系統互操作、數據多元化、系統模塊化、系統智能化、平臺網絡化、應用社會化的道路。首先GIS發散發展 未來的水資源領域中的地理信息系統將走向三維GIS、四維GIS、時態GIS、網絡GIS、開放GIS，GIS智能化、集成化、高維化并駕齊驅；其次GIS聯合發展GIS與RS、GPS（三者統稱“3S”技術）及虛擬現實技術、移動通信技術的緊密結合，平臺聯合技術的發展與進步將會拓GIS在水文與水資源領域的應用空間，更好的為人類服務。

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