淺談地理信息系統(tǒng)在水文水資源領域的應用

姜輝 薛鵬林 王志華

（1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊，河南 鄭州 450000）

1 引言

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，以下簡稱GIS）是一門包括地理學、地圖制圖學、計算機科學、遙感科學和信息科學等的綜合性系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對空間地理信息的數(shù)據(jù)采集、管理、分析和地圖可視化輸出等功能。

GIS技術(shù)的功能還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)換和編輯，數(shù)據(jù)集成，數(shù)據(jù)重構(gòu)和轉(zhuǎn)換，查詢和檢索，空間操作和分析，空間顯示和成果輸出等。GIS技術(shù)的核心在于對空間數(shù)據(jù)的管理和分析。空間數(shù)據(jù)的主要來源有基礎底圖（包括行政區(qū)劃、水系、道路、居民地等要素）、專題地圖（等水位線圖、地形地貌圖、水文地質(zhì)圖、水化學圖等）、遙感圖像、統(tǒng)計數(shù)據(jù)及實測數(shù)據(jù)等。

2 GIS在水文水資源領域的應用特點

2.1 基礎電子地圖

基礎GIS地圖所需基礎數(shù)據(jù)采用1∶25萬，或其他比例尺國家基礎電子地圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)劃邊界、城鎮(zhèn)、居民點、江河湖泊、水庫、鐵路、公路等信息，覆蓋范圍廣。

2.2 專題電子地圖

在GIS軟件中，將水文水資源專題數(shù)字地理數(shù)據(jù)與基礎電子地圖疊加，建立水文水資源專題GIS地圖。專題圖對水文水資源信息的描述更為具體和實用，包含的信息更為專業(yè)，如流域分區(qū)邊界（水資源分區(qū)）、水體功能區(qū)、各類水利工程的分布、各類水文測站和水質(zhì)測站的分布等信息。

2.3 遙感信息庫

遙感信息庫是與基礎地理數(shù)據(jù)相匹配的經(jīng)過解譯后所得到的遙感遙測數(shù)據(jù)。根據(jù)遙感影像可對研究區(qū)域進行水體信息解譯，監(jiān)測區(qū)域水文水資源特征信息，通過不同時期同一區(qū)域遙感影像對比，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)水文水資源特征變化。

2.4 屬性數(shù)據(jù)庫

GIS屬性數(shù)據(jù)庫是對空間數(shù)據(jù)的描述，是GIS的基礎數(shù)據(jù)庫，如分區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟狀況、地表水資源與地下水資源狀況、水資源開發(fā)利用狀況、水環(huán)境狀況、水利工程參數(shù)及狀況、流域內(nèi)土地利用狀況等。

2.5 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是在基礎GIS地圖、專題GIS地圖、遙感影像庫、屬性數(shù)據(jù)庫的基礎上，采用GIS嵌入技術(shù)結(jié)合水資源管理的需要而開發(fā)的水資源管理軟件系統(tǒng)。其功能包括空間數(shù)據(jù)管理、屬性數(shù)據(jù)管理，及兩者相結(jié)合的信息管理等。

2.6 WebGIS信息查詢

WebGIS信息查詢是為外部用戶而設計的查詢系統(tǒng)，外部用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問并查詢水資源與生態(tài)環(huán)境等信息。

3 GIS在水文水資源領域的主要應用

近年來，GIS技術(shù)在水文水資源領域的應用取得了快速發(fā)展，已成為水文水資源調(diào)查、規(guī)劃、評價、管理、決策的重要技術(shù)手段之一。

3.1 在水文模擬方面的應用

在水文模擬方面，主要是在GIS數(shù)字地形模型和數(shù)字高程模型的基礎上，監(jiān)理流域水文信息參數(shù)的數(shù)字化系統(tǒng)，GIS將提取的流域特征與傳統(tǒng)水文模型相結(jié)合，實現(xiàn)對流域水文模型的模擬。水文模型主要有TOPMODEL模型、IHDM模型、SHE模型、不規(guī)則三角網(wǎng)格模型等。在大型流域的水文模擬中，不規(guī)則三角網(wǎng)格完全分布式模型應用得最為普遍，它只需5%～10%的原始柵格節(jié)點數(shù)據(jù)，就可以充分描述流域地形的水文特征，不規(guī)則三角網(wǎng)格模型在某流域的應用效果如圖1所示。

3.2 在防洪方面的應用

近年來，GIS技術(shù)在防洪方面的應用日趨廣泛，為進一步提升防洪預測精度提供科學依據(jù)。GIS技術(shù)在防洪方面的操作流程分為以下幾個方面。

（1）建設管理平臺：建設與完善河、庫等防洪管理平臺、決策平臺，對時間與空間數(shù)據(jù)進行管理；對平臺數(shù)據(jù)和功能定期更新維護，提高數(shù)據(jù)的時效性與分析效率，增強決策的可靠性與有效性，保證預測數(shù)據(jù)準確、可靠，提高信息管理效果。

（2）洪澇災害評估：制定多層次整合與管理方案，獲取準確的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合水利學模型和GIS技術(shù)，對洪水風險和強度進行計算，對洪水推進、演化以及淹沒范圍等進行模擬演示，評估危害與損失。建設多類型災害模型，科學分析，提高災害損失的評估質(zhì)量。

（3）劃分范圍：建設多種災害模型，考慮各類影響因素，劃分災害影響范圍。將GIS數(shù)據(jù)信息作為依據(jù)，制定決策方案，對洪災進行全面監(jiān)測與評價，及時發(fā)現(xiàn)洪災，積極開展搶險。

3.3 在水環(huán)境監(jiān)測和水資源保護中的應用

在水環(huán)境監(jiān)測和區(qū)域水資源保護管理和決策方面，GIS技術(shù)能夠提供方便快捷、科學有效的解決方案，水環(huán)境監(jiān)測和區(qū)域水資源保護方面的管理者可利用GIS相關(guān)軟件，結(jié)合歷史資料查詢分析轄區(qū)內(nèi)水質(zhì)變化特點和未來趨勢，并了解相關(guān)預案的實施效果，特別是當污染事故發(fā)生時，借助GIS能迅速模擬預測污染物未來的時空分布特征以及發(fā)展趨勢，為管理者迅速制定決策，采取有效的應急措施提供有力的決策依據(jù)[1]。

3.4 在水資源評價中的應用

流域水資源規(guī)劃涉及大量地形地貌、氣象水文、土壤植被、生態(tài)環(huán)境、水旱災害等資料的管理和存儲，在這些信息基礎上進行分析計算、方案決策和規(guī)劃結(jié)構(gòu)的景觀描述。GIS在水資源規(guī)劃方面可用于對海量空間信息進行管理，搭建水資源規(guī)劃支持系統(tǒng)的基礎平臺，使得水資源規(guī)劃建立在數(shù)字化流域框架基礎上，從而為水資源管理和滾動規(guī)劃提供信息支撐。

常規(guī)的水資源評價方法往往只注重對區(qū)域內(nèi)水資源總量及其利用的數(shù)量進行評價，而無法對區(qū)域內(nèi)水資源的空間分布進行直觀展示。特別是在水資源短缺地區(qū)、空間分布不均衡的狀況下，這類評價方法的缺點尤為突出，經(jīng)常導致水資源分布和利用的空間差異，這種差異往往對區(qū)域水資源利用有效性的分析結(jié)果以及精度造成直接影響。

而GIS強大的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能，以及在空間信息處理上的獨特優(yōu)勢，是研究區(qū)域水資源及其利用的空間差異的一把利器。利用相關(guān)的GIS管理系統(tǒng)及軟件，基于現(xiàn)有的流域自然地理和社會要素繪制基礎底圖，提供流域水資源供需圖、灌溉規(guī)劃圖、水污染分布圖、洪水來源以及洪水影響圖等，同時可以完成流域內(nèi)水資源儲蓄量與分布的關(guān)系分析、水資源與人口分布關(guān)系分析、水資源與區(qū)域社會關(guān)系分析、預測信息等地理分布上的查詢和管理，包括單一對象相關(guān)信息的查詢，以及剖面顯示、補給和開采模擬等[2]。

此外，GIS還廣泛應用于水文預報、流域雨量計算、地下水勘查、水污染控制、給水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等方面。

4 結(jié)語

GIS的應用促進了水文水資源領域的發(fā)展，同時，水文水資源領域?qū)IS的需求又加快了GIS的更新?lián)Q代。“數(shù)字水利”的提出，工程水利向資源水利、傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利和可持續(xù)發(fā)展水利的轉(zhuǎn)變，都表明，水利信息化是必由之路，GIS與水文水資源緊密結(jié)合的應用前景十分廣闊。