GIS 技術(shù)在水文水資源分析管理中的評價指標體系建立與應(yīng)用

張超，朱元彩，韓旭

（1.徐州市偉思水務(wù)科技有限公司，江蘇徐州，221006；2.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院信電工程學院，江蘇徐州，221116）

0 引言

水資源環(huán)境分為水文和水利兩個方面，其中水文主要是自然狀態(tài)下，水的運動、變化等現(xiàn)象以及與環(huán)境的相互作用，通過將GIS 用于水文管理分析，能夠提高人們對自然界中水資源及其活動現(xiàn)象的利用效果。因此，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)深入分析該技術(shù)的應(yīng)用方法，并采取有效措施，增強技術(shù)應(yīng)用效果，促進該領(lǐng)域的發(fā)展[1]。

1 本文應(yīng)用的背景項目情況

本文產(chǎn)生的項目背景主要涉及6 市28 個縣區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道，項目主要通過前期現(xiàn)場調(diào)查和測量確定項目實施方案，收集25 個區(qū)域性骨干河道、18 座中型水庫防洪保護區(qū)DEM數(shù)據(jù)、水情和降雨、社會經(jīng)濟、歷史洪災(zāi)、水庫河道斷面等數(shù)據(jù)。利用以上數(shù)據(jù)建立流域內(nèi)河道水庫一維和編制區(qū)域二維耦合模型，提取淹沒區(qū)域淹沒水深、歷時等數(shù)據(jù)繪制風險圖并對項目流域內(nèi)的水文水資源進行綜合生態(tài)風險評價，使技術(shù)人員能夠了解水庫河道等水域存在的生態(tài)風險，以利于采取相應(yīng)的防治措施，保護水域生態(tài)環(huán)境。項目區(qū)域處于亞熱帶季風氣候下，項目流域最大橫跨在773km 左右、最大縱跨在441km 左右、流域水面積為20.24*104km2、多年平均降雨量為1080～2760mm，同時，受環(huán)境影響，流域地區(qū)存在臺風、暴雨、洪澇等災(zāi)害多發(fā)的情況，并且高溫多雨。在項目運行中，為了得到更加詳盡的流域信息，技術(shù)人員需要采用GIS 技術(shù)，來增強水文水資源綜合生態(tài)風險評價項目結(jié)果的準確性。

2 水文水資源項目管理分析中的GIS 技術(shù)應(yīng)用

2.1 指標體系建設(shè)

在水文水資源管理分析中，GIS 技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在項目指標數(shù)據(jù)的處理、以及OWA-GIS 法分析綜合生態(tài)風險兩個方面。在此過程中需要先建立一套完善的指標體系，為后續(xù)的指標數(shù)據(jù)處理操作提供條件。在指標體系建設(shè)中，技術(shù)人員需要基于現(xiàn)有的研究成果指標[2][3]，結(jié)合GIS技術(shù)條件，來綜合考量各項指標數(shù)據(jù)的可獲取性，然后甄選出合適的風險評價指標，并采用DPSIR 模型將選定的指標構(gòu)建成一個完整的指標體系，保證管理分析工作的準確性。為此，技術(shù)人員結(jié)合相關(guān)性較高、具有代表性、已發(fā)表的文獻，并從中提煉、總結(jié)出了高頻指標，而且針對存在測量內(nèi)容重疊現(xiàn)象的指標進行了整合，并根據(jù)現(xiàn)有的GIS 技術(shù)條件，甄選了一些代表性強、價值高、測量可行性高的指標，最后基于DPRSIR 模型，利用甄選出的指標，構(gòu)建了一個水文水資源綜合生態(tài)風險管理分析指標體系。該體系主要由21 個指標，以及驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)這五個準則層次構(gòu)成，如表1。

表1 流域水文水資源綜合生態(tài)風險管理分析指標體系表

2.2 指標數(shù)據(jù)分析處理

指標數(shù)據(jù)的分析處理中，技術(shù)人員需要采用GIS 技術(shù)，從三維立體的角度，獲取指標對應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)加以處理，得出后續(xù)OWA-GIS 法分析環(huán)節(jié)所需的指標數(shù)據(jù)體系，增強水資源水文分析管理工作的準確性。在此過程中，技術(shù)人員需要建立一個GIS 平臺，然后結(jié)合配套測量設(shè)施，得出該流域的地圖數(shù)據(jù)、影響數(shù)據(jù)，實現(xiàn)指標數(shù)據(jù)的獲取。在此過程中，技術(shù)人員可以采用地圖操作的形式，通過觀察GIS 平臺提供的二維、三維可視化數(shù)據(jù)展示，來全面、明確地掌握各項指標數(shù)據(jù)，同時，技術(shù)人員還要借助基于GIS 技術(shù)的多源空間數(shù)據(jù)無縫集成技術(shù)，將得出的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)格式，再采用Kriging 法進行插值，并借助流域矢量邊界進行裁剪。接著，選用自然間斷點分級法，將經(jīng)上述操作得出的指標數(shù)據(jù)，進行標準化分級賦值，完成指標數(shù)據(jù)分析處理環(huán)節(jié)。

2.3 準則權(quán)重計算

OWA-GIS 法評估環(huán)節(jié)作為該水文水資源分析管理項目對GIS 技術(shù)應(yīng)用的重要體現(xiàn)，技術(shù)人員需要在該環(huán)節(jié)中準則權(quán)重計算、次序權(quán)重計算這兩個主要步驟，充分發(fā)揮GIS 技術(shù)的效用，提高分析評估管理的效率和準確度，增強項目落實效果。在準則權(quán)重計算中，技術(shù)人員采用了專家打分法，基于已經(jīng)構(gòu)建完成的指標體系，設(shè)計了相應(yīng)的調(diào)查表，并邀請了多名業(yè)界專家，結(jié)合GIS 平臺所顯示的各項信息，進行了調(diào)查表的填寫。待填寫完畢后，技術(shù)人員還要將調(diào)查得出的數(shù)據(jù)，進行整理，并輸入相應(yīng)的綜合評價軟件（如yaahp 軟件）中，再利用軟件的群決策功能，計算出各個準則指標的權(quán)重，如表2。在此過程中綜合評價軟件主要負責應(yīng)用矩陣法，計算各個專家的判斷，并將計算結(jié)果進行算術(shù)平均，以獲得指標權(quán)重值，為后續(xù)的評估環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

表2 水文水資源分析管理項目的準則權(quán)重計算結(jié)果表

2.4 次序權(quán)重計算

在該項目中，技術(shù)人員基于GIS 技術(shù)，采用了模糊量化模型，來計算次序權(quán)重。在此過程中，技術(shù)人員應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建出了GIS 水文水資源信息管理系統(tǒng)，借助“四水”循環(huán)轉(zhuǎn)化生態(tài)圈的智能感知監(jiān)測設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)、模糊量化模型，最終選定了7 種決策風險系數(shù)，即1000、10、3、1、0.5、0.1、0.0001，然后再借助監(jiān)測范圍全面覆蓋整體流域的GIS 水文水資源信息管理系統(tǒng)，進行了多情境分析，增強了次序權(quán)重計算的準確性。在計算中，設(shè)計者需要先按照指標值的大小進行重要性排序，設(shè)rk為重要性值，那么rk=1～21，設(shè)wk 為指標的重要性等級，那么根據(jù)公式，其中n 為指標數(shù)量，可以得出wk依次為21/231，20/231……1/231，最后基于此，即可計算出次序權(quán)重在各個決策風險系數(shù)下的值，如表3。在次序權(quán)重值方面，α 小于1 時，可以認定當前水文水資源綜合生態(tài)風險處于可控范圍內(nèi)，α 大于1 時，則說明該項風險危險性較高，容易對流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重、不可逆的影響[4]。

表3 項目流域水文水資源綜合生態(tài)風險評價次序權(quán)重表

2.5 OWA-GIS 評價結(jié)果

待指標準則權(quán)重與次序權(quán)重計算完畢后，技術(shù)人員還要利用遙感與地理信息系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用軟件（如IDRISI 軟件）中的MCE 模塊內(nèi)包含的OWA-GIS 算法，針對該項目流域的水文水資源綜合生態(tài)風險情況進行分析，并將之前得出的21 個指標標準化分級賦值圖層、次序權(quán)重值導(dǎo)入到軟件中，最終得出OWA-GIS 評價結(jié)果。根據(jù)從軟件分析結(jié)果，在決策風險系數(shù)為0.1 和0.0001 時，根據(jù)GIS 圖像顯示，項目流域的水文水資源總面積的99.99%以上處于1 級風險狀態(tài)，也就是說流域在該決策系數(shù)下，基本上處于低風險狀態(tài)。在系數(shù)為0.5 時，則有26.256%的流域面積處于低風險狀態(tài)，待到系數(shù)為1 時，開始出現(xiàn)風險等級為3 級的流域區(qū)域，該區(qū)域面積占總面積的36.151%。當系數(shù)為3 或10 時，項目流域中出現(xiàn)了面積占比0.017%的4級高風險區(qū)域，而在該系數(shù)下，決策者的態(tài)度比較悲觀，會對風險產(chǎn)生重視，因此，決策風險相對較小。當系數(shù)為1000 時，高風險流域面積占整體比例的99.88%，決策者的態(tài)度極度悲觀，同時，對待風險也極度重視，此種情況下決策風險最小，但是由于該狀態(tài)屬于極端情況，所以決策的實效性也比較差[5]。