基于GIS的尼洋河流域水資源管理信息系統(tǒng)研究

楊永濤，郭永剛，蘇立彬，汪仕情，吳 悅

(西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝 860000)

西藏自治區(qū)水資源豐富，河流湖泊眾多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全區(qū)水資源總量4 482億m3，按全區(qū)人口和耕地計(jì)算，人均占有水量和畝均占有水量均居全國(guó)首位。在西藏境內(nèi)有河流356條，湖泊總面積約2.38×104km2,約占全國(guó)湖泊總面積的30%，是我國(guó)湖泊最多的地區(qū)[1]。尼洋河是雅魯藏布江左岸的一級(jí)支流，它發(fā)源于米拉山西側(cè)的錯(cuò)木梁拉，自西向東流經(jīng)西藏自治區(qū)工布江達(dá)、林芝和加查三縣，在林芝縣的則們附近匯入雅魯藏布江，流域介于92°10′～94°35′E、29°28′～30°30′N，全長(zhǎng)307.5 km，落差2 273 m，平均坡降達(dá)7.39%，流域面積1.75萬(wàn)km2(圖1)。流域內(nèi)自然條件優(yōu)越，土地肥沃，氣候溫和，森林和水力資源豐富，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速[2]。但同時(shí)也是自然災(zāi)害頻繁的地區(qū)之一[3-4]。

西藏河流湖泊的統(tǒng)計(jì)、管理、查詢與檢索依然采用傳統(tǒng)方式管理,十分耗時(shí)耗力。地理信息系統(tǒng)(geographic information system簡(jiǎn)稱GIS)是用于管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，它可以對(duì)空間數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)或空間位置進(jìn)行采集、管理，并分析各種空間實(shí)體及其相互關(guān)系；通過(guò)對(duì)多因素的綜合分析，可以迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的信息，并能以地圖、圖表或數(shù)據(jù)的形式表示分析的結(jié)果；對(duì)于解決復(fù)雜的水資源分析、規(guī)劃與管理問題，提供了一種重要的很有潛力的途徑。目前，在水資源分析、規(guī)劃、水資源保護(hù)、水環(huán)境分析、洪澇災(zāi)害防治等領(lǐng)域已經(jīng)得到具體應(yīng)用并取得較大進(jìn)展[5-10]。筆者以尼洋河為背景建立基于GIS的水資源管理信息系統(tǒng)，將加強(qiáng)水資源管理、水資源優(yōu)化配置和節(jié)約保護(hù)作為解決水資源供需矛盾的根本途徑，為水資源規(guī)劃管理提供高效的技術(shù)手段。

1 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

1.1數(shù)據(jù)庫(kù)的建立數(shù)據(jù)的采集與編輯為該信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括空間地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的采集錄入。空間地理數(shù)據(jù)包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和水資源空間數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要包括流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的行政區(qū)劃、居民區(qū)、道路分布、農(nóng)耕區(qū)、水電站、水文站、氣象站等空間位置信息；水資源空間數(shù)據(jù)主要包括各干流和支流的空間位置及流域圖。屬性數(shù)據(jù)主要用于對(duì)各空間數(shù)據(jù)的描述，包括各區(qū)域名稱、面積、位置信息等，以及各水電站、水文站、氣象站的監(jiān)測(cè)信息。數(shù)據(jù)庫(kù)建立結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2尼洋河流域數(shù)據(jù)庫(kù)的建立實(shí)例尼洋河流域的空間地理數(shù)據(jù)主要來(lái)源于最新發(fā)布的西藏地圖集、地理空間數(shù)據(jù)云公布的全球30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查取得的相關(guān)空間地理數(shù)據(jù)。通過(guò)將地圖集中的地圖數(shù)據(jù)掃描成柵格圖像，添加到ArcMap中即可對(duì)其進(jìn)行矢量化，轉(zhuǎn)化成所需的數(shù)字地圖，即shape文件；然后添加相對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，主要包括尼洋河流域中支流的長(zhǎng)度、流域面積、水文站信息、高程信息以及水環(huán)境狀況等，這樣就建立了尼洋河流域基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

以尼洋河流域的兩支流娘曲和克拉曲為例，河流流域圖像矢量化完成后，在屬性表中錄入娘曲和克拉曲長(zhǎng)度、流域面積等屬性信息。當(dāng)需要查看支流的相關(guān)信息時(shí)，點(diǎn)擊HTML彈出窗，選擇支流即可。如圖3所示，娘曲和克拉曲的相關(guān)信息如河流長(zhǎng)度、流域面積、所屬岸別、平均比降、多年平均降水深以及多年平均徑流深都清晰展現(xiàn)。同時(shí)，在資料齊備的情況下，還可以顯示多年平均氣溫、域內(nèi)動(dòng)植物分布情況以及河流水文水質(zhì)等詳細(xì)信息。這些都可大大簡(jiǎn)化水資源管理工作量，為水資源綜合規(guī)劃提供技術(shù)支持。

圖1 尼洋河流域Fig.1 Niyang River Basin

2 尼洋河流域水資源管理信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

西藏地區(qū)分布有大量的大陸型及海洋型冰川，地形復(fù)雜，降雨時(shí)空分布極不均勻。受地形、地貌及排水阻滯的影響，極易造成由暴雨引起的洪澇災(zāi)害。如果大氣運(yùn)動(dòng)異常導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間、大范圍無(wú)降雨或者降水偏少而形成干旱，將直接造成土壤缺水、農(nóng)田干枯、供水短缺，對(duì)農(nóng)作物及經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)、生活造成巨大影響。同時(shí)，受氣候變化影響，西藏境內(nèi)冰湖擴(kuò)張速度加快，冰湖潰決導(dǎo)致的泥石流也極大影響了人民群眾的人身及財(cái)產(chǎn)安全。

水資源管理信息系統(tǒng)利用已采集錄入的歷史的雨、水、工情信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境以及歷史洪澇、干旱、冰湖災(zāi)害等信息，通過(guò)人機(jī)交互方式在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行水量預(yù)測(cè)并進(jìn)行汛期和旱期及冰湖潰決的模擬分析，輔助水資源決策人員制訂相應(yīng)的調(diào)配方案，并進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；同時(shí)，可以及時(shí)地發(fā)布網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，為區(qū)域水資源管理決策提供科學(xué)、全面的技術(shù)支持。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of database establishment

尼洋河流域水資源管理信息系統(tǒng)主要由信息管理子系統(tǒng)、交互式水量分析預(yù)測(cè)子系統(tǒng)、交互式水資源調(diào)配子系統(tǒng)和防汛抗旱子系統(tǒng)四大部分組成，邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。各子系統(tǒng)功能如下。

(1)信息管理子系統(tǒng)。主要完成西藏地區(qū)數(shù)據(jù)信息的收集、處理與檢索查詢以及充實(shí)和更新地理數(shù)據(jù)庫(kù)，包括基礎(chǔ)空間地理數(shù)據(jù)、災(zāi)情數(shù)據(jù)信息等。在對(duì)信息進(jìn)行管理時(shí)，可實(shí)現(xiàn)基本的圖形的放大、縮小、移動(dòng)、量距以及添加、刪除圖層或?qū)ζ溥M(jìn)行編輯、修改等；同時(shí)，還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)及動(dòng)畫效果的展示，從動(dòng)態(tài)方面更形象直觀的表現(xiàn)。對(duì)于屬性數(shù)據(jù)也可以及時(shí)更新，添加最新數(shù)據(jù)，生成圖表加以顯示。

圖3 娘曲和克拉曲兩支流Fig.3 Two affluents of Niangqu and Kelaqu

(2)交互式水量預(yù)測(cè)子系統(tǒng)。 除包括可用水量和需水量的預(yù)測(cè)外，還可進(jìn)行在突發(fā)情況如強(qiáng)降雨和干旱時(shí)水量的變化預(yù)測(cè)。以1990—2016年尼洋河流域降水量、地表水量和地下水量以及域內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)及城市用水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分別構(gòu)建可利用水量分析模型和需水量預(yù)測(cè)模型，并不斷進(jìn)行分析模型的校正。對(duì)于特殊情況如汛期和旱期水量變化情況，建立專用模型。利用模型進(jìn)行可利用水量的分析預(yù)測(cè)，最終進(jìn)行結(jié)果的輸出及相應(yīng)圖表的顯示。

(3)水資源調(diào)配子系統(tǒng)。西藏地區(qū)河流分布不均且在氣候變化等因素的影響下，土地沙化嚴(yán)重。同時(shí)，風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕和凍融侵蝕導(dǎo)致的水土流失也日趨嚴(yán)重。水資源調(diào)配子系統(tǒng)主要用于完成基于實(shí)際情況的水資源調(diào)配輔助方案的快速制訂，針對(duì)不同區(qū)域面臨情況做出相應(yīng)決策。

(4)防汛抗旱子系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中歷年發(fā)生的洪災(zāi)和旱災(zāi)數(shù)據(jù)資料的查詢整理，制作災(zāi)情分布圖并進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)。在系統(tǒng)中添加高程信息進(jìn)行汛期和旱期及冰湖潰決的動(dòng)態(tài)模擬分析，預(yù)測(cè)受災(zāi)情況下的人員傷亡情況和經(jīng)濟(jì)損失情況，并輔助決策人員快速制訂相應(yīng)的補(bǔ)救方案，最大限度地減少損失。

3 尼洋河流域水資源管理信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

西藏是山洪、山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，因局部暴雨引發(fā)的山洪、泥石流以及冰滑坡引發(fā)的冰湖潰決等災(zāi)害日益突出，在此情況下針對(duì)西藏地區(qū)特點(diǎn)，該水資源管理信息系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了五大功能，功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)各模塊完成水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、水資源調(diào)查評(píng)價(jià)、水資源需求預(yù)測(cè)、排險(xiǎn)減災(zāi)方案快速制訂以及完成水資源的合理配置。基于GIS的水資源管理信息系統(tǒng)的建立，在為西藏水資源方面提供技術(shù)支持的同時(shí)，還可以為災(zāi)后的緊急響應(yīng)、經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估及決策制訂提供一定的幫助，大大提高西藏地區(qū)水利信息化水平。

圖4 尼洋河流域水資源管理信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall design structure of water resources management information system in Niyang River Basin

4 尼洋河流域水資源管理信息系統(tǒng)特點(diǎn)

針對(duì)西藏氣候多變、地形復(fù)雜多樣、降雨量在時(shí)間和空間分布上極不均勻而導(dǎo)致的徑流變化等特點(diǎn)，建立尼洋河流域水資源管理信息系統(tǒng)旨在對(duì)西藏河流進(jìn)行科學(xué)合理管控。同時(shí)，預(yù)測(cè)河流演變規(guī)律、模擬災(zāi)害發(fā)生時(shí)受災(zāi)狀態(tài)以及損失評(píng)估等。此外，該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。

(1)可操作性及適用性強(qiáng)。西藏河流湖泊眾多，水源、水量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)信息龐雜。在該系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、顯示、分析等功能可以大大簡(jiǎn)化科考工作人員的工作量，將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可隨時(shí)進(jìn)行修改、編輯、刪除等，并隨時(shí)更新，操作簡(jiǎn)單；其可視化界面清晰簡(jiǎn)潔，管理靈活。打開數(shù)據(jù)庫(kù)即可直觀顯示水域位置、流域面積等基本情況，適用于西藏多水區(qū)的管理。

(2)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)共享與動(dòng)態(tài)管理。西藏地區(qū)近年來(lái)發(fā)展迅速，但有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善，對(duì)于數(shù)據(jù)的采集等工作需耗時(shí)數(shù)天甚至數(shù)月，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸也多有不便。在現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)條件下，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享已不是難事。隨時(shí)隨地掌握動(dòng)態(tài)情況，并隨時(shí)更新采集到的數(shù)據(jù)以及變化，包含尼洋河流域水資源位置信息、水資源分布現(xiàn)狀、水量變化及利用情況等，使遠(yuǎn)在北京的工作人員也能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)了解相關(guān)情況。

圖5 尼洋河流域水資源管理信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.5 Functional structure of the water resources management information system in the Niyang River Basin

(3)動(dòng)態(tài)可視化分析。由于其獨(dú)特的地理位置及環(huán)境特征，西藏地區(qū)自然災(zāi)害頻繁。而對(duì)于災(zāi)害發(fā)生前及發(fā)生后的變化因子及運(yùn)動(dòng)軌跡，利用該系統(tǒng)可以通過(guò)影像形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，從而為相關(guān)研究提供便利。例如在探究水系中Ca2+、Mg2+等離子的變化情況時(shí)，可以從圖中直觀地看出隨著時(shí)間的推移在同一河流的不同位置Ca2+、Mg2+的遷移情況，以及水電站的建立對(duì)水生態(tài)環(huán)境的變化影響等。這些都可以為西藏的水資源、水環(huán)境保護(hù)起到極其重要的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

西藏水資源的規(guī)劃和管理是一項(xiàng)十分耗時(shí)耗力且難度較大的工作，數(shù)據(jù)的采集與整理更是紛繁復(fù)雜。更重要的是，沒有科學(xué)高效的工具來(lái)進(jìn)行管理、分析和預(yù)測(cè)，一旦發(fā)生水資源調(diào)配不均或由天氣導(dǎo)致的干旱或洪澇災(zāi)害，人員和財(cái)產(chǎn)的損失都將是無(wú)可估量的。該研究通過(guò)建立基于GIS的尼洋河流域水資源管理系統(tǒng)，進(jìn)行流域的水資源管理與規(guī)劃工作，簡(jiǎn)化工作量的同時(shí)科學(xué)有效地管理相關(guān)數(shù)據(jù)并直觀顯示數(shù)據(jù)成果，為西藏水資源的規(guī)劃和管理提供巨大的便利；同時(shí)，對(duì)于供水需求分析以及水資源險(xiǎn)情的預(yù)測(cè)，也必然會(huì)取得現(xiàn)實(shí)意義。