地理信息系統(tǒng)在水利中的應(yīng)用

1、GIS在水利中的應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS）是近幾十年發(fā)展起來的對地理環(huán)境有關(guān)問題分析和研究 的一門學(xué)科。它利用計算機建立地理數(shù)據(jù)庫，將地理環(huán)境的各種要素（包括他們的地理空間分布狀況和所具有的屬性數(shù)據(jù)）進行存儲，開發(fā)各種分析處理功能， 建立有效的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過對多要素的綜合分析，方便快速的獲取信息，滿 足應(yīng)用和研究的需要，并能以圖形和數(shù)據(jù)的方式表達結(jié)果。地理信息系統(tǒng)功能主 要 表 現(xiàn) 在 以 下 幾 個 方 面： 空間系統(tǒng)直觀描述功能：地理信息系統(tǒng)是現(xiàn)實世界的計算機模型。它采用點、 線、面的方式模擬客觀現(xiàn)實世界，同時它把特征數(shù)據(jù)與現(xiàn)實世界聯(lián)系在一起。利 用空間信息來說明對象在現(xiàn)實世界中所處的

2、位置，利用專題屬性信息來描述對象 在 現(xiàn) 實 世 界 中 的 狀 態(tài)。 空間分析功能；空間分析功能是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于其他系統(tǒng)的一個顯著特 點，它通過空間數(shù)據(jù)的疊加分析、建立緩沖區(qū)、特征提取等空間操作功能，為用 戶 提 供 大 量 空 間 分 析 成 果。 數(shù)據(jù)管理功能：地理信息系統(tǒng)提供了強大的數(shù)據(jù)管理功能，它不但能管理空 間數(shù)據(jù)，而且能有效地管理屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理， 屬性數(shù)據(jù)的空間顯示功能：地理信息系統(tǒng)可以把屬性信息以空間分布圖、圖 表的形式在地理圖形上動態(tài)地表現(xiàn)出來。地理信息系統(tǒng)（GIS）是一個獲取、存儲、編輯、處理、分析和顯示地理數(shù) 據(jù)的空間信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)

3、軟件技術(shù)是一類軍民兩用技術(shù)， 廣泛用于航空 航天、資源、環(huán)境、通信、水利、農(nóng)業(yè)和軍事領(lǐng)域。專家說，世界上75%到80% 的信息都與地理空間位置有關(guān)。作為“數(shù)字地球”的骨架支撐技術(shù)之一，地理信 息系統(tǒng)關(guān)系到國民經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展和國家安全。我國水資源短缺，而且分布 極不均勻。同時由于社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的過程中對環(huán)境保護不力，因此在資源性缺水的同時又加上水質(zhì)性缺水，水資源嚴(yán)重短缺又存在有水資源浪費。 面對如此 嚴(yán)峻的形勢，水資源的管理工作已經(jīng)被賦上了維系社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的歷史性 重任。由此也決定了必須用現(xiàn)代化的手段，實現(xiàn)以信息化為基礎(chǔ)的技術(shù)來對水資 源進行監(jiān)控管理，才能解決好資源水利中的諸多復(fù)雜問

4、題， 這也為GIS提供了大 顯身手的機會。目前，GIS技術(shù)在國內(nèi)水資源管理中的實際應(yīng)用還處于起步階段，在應(yīng)用中還存在著深度和廣度上的局限性，部分原因在于我們對GIS技術(shù)能為水管理 所提供的作用還沒有深入的了解，對于適合國內(nèi)水管理現(xiàn)狀的GIS技術(shù)作用范 圍沒有具體的研究成果。目前我們參照國內(nèi)外運用地理信息系統(tǒng)進行水管理的實 例，基于區(qū)域水資源評價管理整個工作的特點， 初步開發(fā)了支持安陽市基于GI S技術(shù)的水資源評價管理系統(tǒng)，其技術(shù)應(yīng)用側(cè)重點主要在于拓展數(shù)據(jù)調(diào)查的廣度 和深度，為下一步進行水資源管理和規(guī)劃的深入分析提供條件和可能。水資源信息的面非常廣。有水文氣象，地理，地質(zhì)，水質(zhì)，水利工程，水處理

5、工程，各行各業(yè)與生活需水量等等所以這些數(shù)據(jù)既有歷史的，又有實時或現(xiàn)狀的，從性質(zhì) 上決定了其多源，多時相，多種類和動態(tài)這幾個基本特征。水資源信息管理系統(tǒng) 發(fā)揮了從時間，空間上了解水資源的現(xiàn)狀與變化，通過模擬可視化直觀地表示水 資源狀況，有助于讓研究人員和決策人員了解水資源的變化規(guī)律，通過信息處理和分析，提供管理的基礎(chǔ)信息與手段，完善水資源信息的管理與更新，實現(xiàn)數(shù)據(jù) 共享。(1) 地下水地理信息系統(tǒng)以地區(qū)水資源總開發(fā)量最大為優(yōu)化目標(biāo)，以人工 開發(fā)利用水資源量為決策變量，以地下水位為狀態(tài)變量，將水資源系統(tǒng)的模擬模 型作為約束條件集，嵌入到水資源系統(tǒng)的優(yōu)化模型中，建立了水資源可持續(xù)利用 量化模型。以水

6、資源可持續(xù)利用量化模型為核心，在地理信息系統(tǒng)(GIS)支持下開發(fā)出城市水資源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用集成技術(shù)將多個應(yīng)用軟件的功能模塊有 機地組合在一起，以邯鄲市為例完成了對城市水資源可持續(xù)利用的量化模擬、優(yōu)化計算和科學(xué)管理。地表水與地下水模擬地表水模擬包括對地表水體如湖泊、河流等降水一徑流 關(guān)系的描述。降水一徑流模擬需要眾多參數(shù)來描述局部的地形地貌、土壤類型和 土地利用等。GIS的數(shù)據(jù)編輯和處理功能可有效快捷地處理流域的特征參數(shù)。其 強大的圖形處理能力可以將流域內(nèi)所有的特征用圖形充分地顯示出來。GIs在地 下水模擬分析中的用途主要是模型輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備， 地下水模型的有限元格網(wǎng)設(shè) 計，模擬結(jié)果的可視

7、化分析及最終結(jié)果的輸出區(qū)域水資源評價管理的目的在于了解水資源量的分布、水資源開發(fā)利用狀況、水污染狀況等，以達到調(diào)控人類自身活動，高效用水，防止水資源破壞，從而保 護人類生存和經(jīng)濟社會的穩(wěn)定發(fā)展。水資源管理是一種科學(xué)的管理與決策活動。 近年來，隨著計算機的發(fā)展和GIS技術(shù)的進步， 帶來了科學(xué)決策和管理信息的 新方法，而基于GIS的信息管理技術(shù)是當(dāng)前最先進的科學(xué)管理方法之一。在水資源規(guī)劃管理方面，很強的圖形顯示功能和帶有時間維的三維GIS，有利于水文、水資源工作者研究流域或區(qū)域的水文空間分布，有助于了解降水、地下水、 土壤水等在時間和空間上的變化情況及規(guī)律。 地理信息系統(tǒng)以管理大量的空間屬 性見長

8、，它可以作為空間屬性數(shù)據(jù)的有效管理工具。應(yīng)用地理信息系統(tǒng)可以管理、 分析、處理大容量的空間屬性數(shù)據(jù)，特別是水資源各要素中的應(yīng)用，解決了水文 地質(zhì)中長期以來存在的數(shù)據(jù)量和信息量不足的問題。同時，當(dāng)前地理信息系統(tǒng)逐漸的低成本趨勢、具有實時預(yù)報的特點和數(shù)據(jù)的可持續(xù)利用，在水資源的規(guī)劃和 管理領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過對地下水資源系統(tǒng)特點的分析，在系統(tǒng)論的思想指導(dǎo)下，我們建立了區(qū) 域地下水富水性評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于空間信息與計算機技術(shù)結(jié)合的決策支持 系統(tǒng)，系統(tǒng)的目標(biāo)是通過對地下水資源動力系統(tǒng)中各子系統(tǒng)及其內(nèi)部要素空間信 息的迭置分析，確定富水地段和派生出其它有用信息， 為地下水資源評價管理和 決

9、策提供準(zhǔn)確全面的信息、依據(jù)和手段；提高地下水資源管理的水平；促進地下 水資源管理的規(guī)范化和科學(xué)化。系統(tǒng)的主要特點是對地下水資源系統(tǒng)各子系統(tǒng)及 其內(nèi)部要素進行空間迭置分析，并對不同的研究對象采取不同的分析方法， 從而 揭示其各子系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系，確定區(qū)域相對富水地段。(2) 非點源污染模擬非點源污染研究需要綜合和顯示各種空間信息，因而非常適 合在GIs支持下進行。非點源模型與GIS對接能大大簡化模擬工作。由GIs建立的 數(shù)據(jù)庫可自動制作模型輸入?yún)?shù)和處理時空系列數(shù)據(jù)、表格和文本信息。利用GIs 對空間數(shù)據(jù)的處理能力及模型的模擬能力，可研究不同的土地利用方式對流域水 文和水質(zhì)的影響，為制訂滿足水環(huán)境

10、保護要求的土地利用規(guī)劃提供依據(jù)。對于非點源污染模擬而言，分布過程模型和 GIs集成應(yīng)用，可支持和加強所選定流域空 間分布處理過程能力，提高對空間變化的認(rèn)識，減少因空間數(shù)據(jù)均化而引起的不確定性。(3) 排水系統(tǒng)模擬GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能可用來分析流域降水一徑流特征，描繪流域 匯流的等流時線。利用水文模擬程序結(jié)合 GIs的網(wǎng)絡(luò)分析功能可模擬城市區(qū)域或 農(nóng)業(yè)流域的排水情況，從而對排水系統(tǒng)的排水能力進行評估。利用該項功能還可 為新建排水系統(tǒng)的設(shè)計提供參數(shù)。(4) 水環(huán)境評價和規(guī)劃GIS具有疊置分析、包含分析、距離分析、緩沖區(qū)分析、三 維分析等功能，它們均可用于水環(huán)境評價和規(guī)劃。如在污染源分析和水源保護區(qū)

11、 劃分中，可利用GIS緩沖區(qū)分析功能劃定緩沖區(qū)，然后將緩沖區(qū)與其它信息作疊 置分析，以確定受污染源影響或影響水源保護的因素。基于GIS的流域水資源管理系統(tǒng)設(shè)計,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。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)?？蓪λY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)。 結(jié)

12、合相關(guān)的 環(huán)境模型，能對水資源開發(fā)戰(zhàn)略和方案做出評估系統(tǒng)模塊設(shè)計基于上述分析，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)?；贕IS的水資源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)錄入檢索查詢統(tǒng)計分析空間分析輔助決策數(shù)據(jù)輸岀（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

13、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

14、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MIKE 11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。GIS技術(shù)發(fā)展日益成熟，在水資源方面的運用逐漸廣泛開來，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、典型年降水量等隨著遼河