水利工程論文-GIS在流域水資源管理中的應(yīng)用.doc

水利工程論文-GIS在流域水資源管理中的應(yīng)用摘要：GIS（GraphicInformationSystem，地理信息系統(tǒng)）具有高效的空間數(shù)據(jù)管理和靈活的空間數(shù)據(jù)綜合分析能力，在眾多研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對流域水資源管理系統(tǒng)的建立也起著重要支持作用。本文在歐盟-遼寧綜合環(huán)境管理項目的背景下，提出了基于GIS的流域水資源管理系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)對流域水資源的綜合管理。關(guān)鍵詞：GIS水資源管理流域1引言水資源作為人類社會生存和發(fā)展的基本條件，其綜合開發(fā)利用越來越受到重視。但由于人類對水資源規(guī)律認(rèn)識的不足以及常規(guī)的規(guī)劃和管理手段的局限性，對水資源實現(xiàn)綜合全面的管理難度很大。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展尤其是GIS技術(shù)的逐步成熟，開發(fā)基于GIS系統(tǒng)的綜合水資源管理系統(tǒng)成為可能。在遼河流域水資源管理系統(tǒng)的建設(shè)過程中，GIS作為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)平臺對數(shù)字化地圖等空間數(shù)據(jù)和水文信息等屬性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理，同時，GIS還為流域規(guī)劃項目中所采用的水量模型（IGSM）和水質(zhì)模型（MIKE11）等提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，將各個環(huán)境模型很好的銜接和協(xié)調(diào)起來。GIS系統(tǒng)強大的圖形處理和輸出能力更為水資源管理決策提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。從遼河水資源管理系統(tǒng)實際的應(yīng)用情況來看，GIS技術(shù)在流域水資源相關(guān)空間數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析、模擬和顯示等方面起到了不可替代的作用，在評價水資源規(guī)劃方案和進行復(fù)雜的水資源管理決策方面也起了重要的支持作用。2GIS技術(shù)和水資源管理的結(jié)合（1）GIS技術(shù)的優(yōu)勢GIS是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機軟硬件的支持下，對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析和顯示的計算機系統(tǒng)。它采用地理模型分析方法，適時提供多種空間地理信息，輔助相關(guān)的地理研究和地理決策1。由于GIS可將地理空間模型化并存儲在計算機中，因此它還具有對研究對象進行描述、模擬和預(yù)測的功能。相對于常規(guī)意義上的信息系統(tǒng)，GIS具有空間分析能力強、數(shù)據(jù)來源廣泛、工作方式直觀形象等特點2，在對空間數(shù)據(jù)的查詢和分析功能要求較高的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。（2）流域水資源管理的內(nèi)容流域水資源管理是對流域水資源的開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護等方面在系統(tǒng)層次上的定量分析和綜合集成。一方面它提供了進行流域國土規(guī)劃和經(jīng)濟布局規(guī)劃的水資源基礎(chǔ)，另一方面它通過對水量時空分配的再調(diào)整和水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定，協(xié)調(diào)了防洪除澇、節(jié)水灌溉、城鎮(zhèn)供水、水利發(fā)電、水土保持等專項規(guī)劃之間的關(guān)系，在人類開發(fā)利用水資源的全過程中占有重要地位。由于水的流動性特點，在流域內(nèi)一個點上的擾動會影響到周邊和下游地區(qū)3，因此在進行流域水資源綜合管理的過程中，必須基于相應(yīng)的環(huán)境模型分析各項管理戰(zhàn)略和開發(fā)方案的環(huán)境影響，同時結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀缓蜕鐣l件，以及各方對水資源功能的要求進行綜合、分析和比較，最終擬定流域內(nèi)水資源管理的最優(yōu)方案。由此可見，在進行力流域水資源規(guī)劃和管理過程中，非常強調(diào)運用各種環(huán)境過程模型，如穩(wěn)態(tài)和動態(tài)水流模型、多維水質(zhì)模型和污染擴散模型等。這些模型大都具有明顯的空間特性4，但這些環(huán)境模型在對空間數(shù)據(jù)的操作尤其是在結(jié)果顯示方面仍顯困難。而空間分析和空間數(shù)據(jù)管理正是GIS的優(yōu)勢。GIS可以為這些環(huán)境模型提供整體的基于GIS邏輯原理的空間操作規(guī)范，用以反映具有空間分布特性的模型研究對象的移動、擴散、動態(tài)變化及相互作用過程。在GIS中，基本概念是空間位置、空間分布和空間關(guān)系，而基本研究對象是被抽象成點、線、面的空間實體及其相關(guān)屬性。與之相對應(yīng)，在環(huán)境模型中，基本概念是物質(zhì)、能量及其運動轉(zhuǎn)化，而基本研究對象是諸如水、人口等明顯具有空間分布特性的環(huán)境要素5。GIS和環(huán)境模型在概念和研究對象上的相似性、互補性，使得二者的結(jié)合合理又具有實用價值。在歐盟-遼寧水資源項目中，基于GIS的水資源管理系統(tǒng)的流程如下所示：3基于GIS的流域水資源管理系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)目標(biāo)以遼河流域的水資源規(guī)劃和管理為例，建立基于GIS的流域水資源綜合管理系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)主要包括以下幾個方面：(1)能存儲和處理流域水文學(xué)和社會經(jīng)濟的相關(guān)資料，并能提供查詢功能。(2)通過基于GIS的查詢和分析，能提供必需的空間信息，為今后水利工程布局提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(3)能為決策機構(gòu)提供豐富的社會經(jīng)濟信息，為水資源的調(diào)配提供依據(jù)。(4)可對水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的主要問題以及未來需求量進行評估和預(yù)測。(5)能對水資源的開發(fā)潛力進行分析計算，為合理開發(fā)水資源提供決策依據(jù)。(6)結(jié)合相關(guān)的環(huán)境模型，能對水資源開發(fā)戰(zhàn)略和方案做出評估3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了安全、高效的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析和共享，基于GIS的水資源管理系統(tǒng)應(yīng)采用/模式和/模式相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖2）。在數(shù)據(jù)庫管理方面，可通過面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫集成。3.3系統(tǒng)模塊設(shè)計基于上述分析，遼河流域水資源管理系統(tǒng)主要集成以下模塊：數(shù)據(jù)錄入模塊、檢索和查詢模塊、統(tǒng)計分析模塊、空間分析模塊、輔助決策分析模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊。（見下圖）。（1）數(shù)據(jù)錄入模塊。用于系統(tǒng)中空間和屬性數(shù)據(jù)的獲取與更新。空間和屬性數(shù)據(jù)可通過鍵盤、掃描儀及數(shù)字化儀等輸入設(shè)備錄入計算機，也可從其它系統(tǒng)直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入本系統(tǒng)，同時這一模塊還提供對數(shù)據(jù)的適時更改和補充功能。（2）檢索與查詢模塊。提供屬性-空間的邏輯查詢和空間-屬性的空間查詢功能。由于GIS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)同地圖中點、線、面相對應(yīng)，這兩種操作實際結(jié)果是一致的。數(shù)據(jù)庫的操作能及時反映在地圖上，而對地圖的操作也能在數(shù)據(jù)庫中表現(xiàn)出來。（3）統(tǒng)計分析模塊。包括對查詢結(jié)果的統(tǒng)計分析、對空間分析結(jié)果的統(tǒng)計分析以及對水文、土壤、人口、經(jīng)濟等監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。統(tǒng)計的范圍可由用戶自行設(shè)定，如通過矩形、圓形或多邊形工具來確定范圍大小。同時，這種統(tǒng)計分析功能既可進行一項數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，也可對多項數(shù)據(jù)同時進行統(tǒng)計分析查詢，查詢結(jié)果可通過報表、地圖、表格或文字說明的形式打印輸出。（4）空間分析模塊。負(fù)責(zé)對圖形進行地形分析、緩沖區(qū)分析、空間疊置分析等操作，并能將分析結(jié)果進行匯總，以各種專題圖表及統(tǒng)計圖表的形式輸出。（5）輔助決策分析模塊。主要包括水量計算模型(如遼河流域項目中使用的IGSM水資源模型)、水質(zhì)模型（如MIKE11模型）、水資源供需分析及預(yù)測模型、決策支持系統(tǒng)模型等。以上模型可對一項或多項數(shù)據(jù)進行預(yù)測或評價，從而了解流域或特定地區(qū)水資源開發(fā)利用情況及發(fā)展趨勢。同時，通過模型模擬出各個候選方案的實施效果后，可利用決策支持系統(tǒng)模型優(yōu)化出水資源合理開發(fā)利用和管理的最佳方案，為最終的水資源管理和規(guī)劃決策提供直接的依據(jù)。（6）數(shù)據(jù)輸出模塊?？蓪⒔y(tǒng)計、分析和決策的結(jié)果以文本、報表或圖形的形式輸出。4系統(tǒng)功能實現(xiàn)基于GIS的水資源管理系統(tǒng)可實現(xiàn)如下主要功能：（1）預(yù)測分析例如通過輸入動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可適時做出地下水位等值線圖，并經(jīng)系統(tǒng)的空間分析模型計算出地下水庫的庫容量，進而利用輔助決策分析模塊中的水資源預(yù)測模型對未來地下水資源的變化趨勢進行預(yù)測。（2）水資源調(diào)度分析根據(jù)農(nóng)業(yè)、工業(yè)等部門在當(dāng)時國民經(jīng)濟中的比例及生產(chǎn)現(xiàn)狀進行指標(biāo)分析，確定合理的供水量，使有限的水資源得到最優(yōu)的分配，進而發(fā)揮出最大的經(jīng)濟效益。（3）信息檢索和查詢可對研究區(qū)歷年觀測的水文資料進行檢索，如歷年降水量、徑流量、地下水位年變化和月變化、水庫入庫量、廢水排放量等。還可對系統(tǒng)內(nèi)存儲或經(jīng)系統(tǒng)分析而派生出各種圖形文件進行查詢，如耕地、渠道、河流水系、水庫地形等高線、典型年降水量等值線等。（4）模擬與決策如利用水量計算模型和水質(zhì)評價模型對候選的可行水資源管