水文和水资源领域GIS应用综述

2013-02-20张弘刚徐东晶

吉林地质 2013年1期

张弘刚，王虹，徐东晶

1. 吉林省第一地质调查所，吉林长春 130033 ；2. 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室/山东科技大学地质科学与工程学院，山东青岛 266590

1 地理信息系统技术

地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)是指在计算机硬件、软件支持下，对整个或部分地球表层空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、模拟、分析、显示和描述的系统。GIS既可以作为一门描述、存储、分析和输出空间信息理论和方法的交叉系统，也可以作为一个处理地理空间数据的技术系统。

2 GIS在水文和水资源领域的应用

随着计算机技术的迅猛发展及其他技术（如RS、GPS等）的有力支撑，GIS在各个领域得到了广泛的应用，尤其是在水文与水资源领域，GIS技术在空间数据管理、分析、处理的优势在此领域内得到了充分的运用和发展。在此主要从以下几个方面来综述水文和水资源领域中GIS的应用。

2.1 GIS与水文模拟

GIS和水文模型的集成能提供许多传统水文模型所无法提供的详细的水资源评价信息，可最大限度地减少用户选择模型参数的主观性，可节省分析时间，减少研究开支。实现时首先通过GIS对水文数据和相关属性等进行预处理，将水文计算模块植入GIS系统，最后进行模型结果的后处理，从而完成水文模拟的全过程。

近年来，GIS在水文模拟中得到了广泛的应用，涉及地下水和土壤水模拟、河道演变模拟、水沙数值模拟、洪水模拟、降雨-径流分析模型模拟、水污染过程模拟、地下水资源计算与分析模型、数值模拟模型和水质与生态环境综合评价模型等诸多方面。如张继成等借助GIS技术和FEFLOW建立了研究区地下水系统概念模型和数学模型及相应的地下水系统数值模型，对地下水系统进行了模拟与分析[1]，陈焕伟等采用GIS模拟模型对区域农田土壤水氮行为进行了模拟和评价[2]，在长江口南支河道，集成地下数字高程模型（DEM）和GIS对河道演变特征进行了模拟和分析[3]，梁国亭等开发的二维水沙数学模型模拟可视化系统[4]，柳佳斌等将三维仿真地理信息系统与二维的地理信息系统有机结合，进行洪水演进模拟和系统分析[5]，徐雨清等集成GIS与半干旱地区多年平均年径流量与降雨量、地形、植被等关系模型来计算集水区的径流量[6]，裴相斌等将系统动力学（SD）方法和地理信息系统（GIS）方法结合起来建立了大连湾水污染与控制系统模型，进行了时空模拟和调控策略研究[7]，乔晓英等集成GIS与ArcObjects+ODE+VB等应用技术对河西走廊黑河中游盆地地下水资源进行了评价与潜力分析[8]，姚焕玫等将环境模型与GIS相结合，建立了环境综合评价信息系统[9]等。

2.2 GIS与水资源管理和监测评价

2.2.1 GIS与水资源管理信息系统

水资源管理信息系统（WRMIS）是紧密结合水资源空间与属性数据库构建起来的用于水资源规划与管理的一种信息系统，能够实现对水资源信息的查询检索、综合分析、动态预测和评价、信息输出等功能。另外，水资源优化管理信息系统的开发，可实现图形和属性数据的双向查询，使水资源数据管理走向更加系统、科学的道路。下面将综述GIS在水资源管理信息的各方面应用。

（1）流域水资源管理系统在水资源管理方面较为著名的有美国田纳西流域的水资源管理系统[10]，通过对各种水资源数据信息的自动监测、采集、传输、预警预报、决策支持、工程自动控制等，实现了流域（区域）水资源的优化配置和实时调度。同时还与收费系统相结合，做到自动收藏。

（2）城市水资源管理系统系统以GIS为平台实现城市水资源信息的数字化，结合水资源模拟模型和优化模型，可模拟水资源决策过程、验证决策方案。第一用在城市供水管理系统：以汕头市澄海区供水管网地理信息系统[11]为例，系统集空间与属性数据管理于一体、功能强大的管网应用管理系统，它是用于城市管线及附属设施管理的专业应用系统。供水管理信息系统与供水调度系统建立连接，实时进行供水综合调度。第二用在城市排水管理系统：以基于MapX大连市排水地理信息系统[12]为例，系统以C环境集成MapX5.0 控件,采用Microsoft SQL Server 2000 数据库管理系统，完成了地图数字化与空间数据库的建立，实现排水管网数据的采集录入和及时更新功能、综合查询功能、统计和分析等功能，并结合实际应用提供了图以纸输出、表格输出等功能。

（3）河道堤防管理系统以汾河河道堤防管理信息系统[13]为例，系统针对汾河流域河道工程建设与管理的现状，基于ArcGIS对海量数据信息进行自动采集、监测、传输、科学分析、决策支持和对工程进行科学调度、控制，以确保河道堤防的保护和合理利用，利用计算机技术方便了人们查询相关的信息，缩短了查询的时间，实现系统的动态管理。

（4）地下水资源管理系统以铜山县地下水资源管理信息系统[14]为例，系统实现了对非农业取水单位地下水取水工程的定位、水源井信息资料的输入等，另外，还有陈佩佩等开发的徐州市岩溶地下水资源信息系统；武强等以MapInfo为平台开发的塔里木盆地地下水资源管理地理信息系统；诸云强、宫辉力等基于组件技术开发的北京市地下水资源空间分析系统；魏加华等开发的北京密云—怀柔—顺义地区地下水地理信息系统[15]。

（5）地下水资源空间分析系统系统丰富了地下水领域的信息，带来了数据格式、投影方式不统一等方面的问题。它总体构成充分考虑了地下水管理工作的实际需要和地理信息系统本身的功能特点,属于地下水管理部门的办公服务系统。在VB环境下嵌入MO控件，可实现通用的GIS 功能和专业应用功能,在此基础上开发的地下水资源空间分析系统,可对地下水资源、水环境数据进行科学管理,图形与属性数据的双向查询;可对任意空间区域进行查询分析,在此基础上作出的评价，可以为地下水管理、开发提供科学的决策依据。

（6）地表水环境信息管理系统以沈阳市地表水信息管理系统为[16]例，系统以地理信息系统、监测数据管理系统以及数据库为开发平台，面向环境管理的、可视化的、动态的信息系统。系统以电子地图为背景建立沈阳市基础地理信息基础库，可分层显示，并建立河流、湖泊、水库污染源、社会信息空间数据库及地表水体、污染源、乡镇等基本情况表，地表水水体监测数据库,污染源监测数据库，实现各类数据的更新维护功能。

（7）水环境功能区划管理信息系统以宁德市水环境功能区划管理信息系统[17]为例，系统功能主要包括图形显示和信息查询、数据库管理、统计图制作、绘制水环境功能区划专题地图、水环境功能区划信息WEB发布等功能，是加强水污染防治、统一监督管理的需要，也是将来为水环境管理提供技术支持的手段。

2.2.2 GIS与水资源管理决策支持系统

决策支持系统是以管理学、运筹学、控制论、行为科学和人工智能为基础，运用信息仿真和计算手段为基础，综合利用现有的各种数据库、信息和模型来辅助决策者或决策分析人员解决结构化和半结构化问题，甚至非结构化问题的人机交互系统。下面将GIS在水资源管理决策支持系统各方面的应用进行概述，并以实例加以解释说明。

（1）流域水资源管理决策系统以基于地理信息系统平台开发的镇江市水资源管理决策系统[18]为例，系统借助GIS对水资源进行监控和管理分析水质变化及未来变化趋势，监控污染源并进行辅助分析决策。将水质模型、GIS和数据库管理系统（DBMS）结合起来，使模型的输入、运行、输出和分析在一个统一的界面中完成，实现水质的动态管理与决策。

（2）节水农业决策系统以张掖市甘州区节水农业决策支持系统[19]为例，系统以GIS与DSS技术、专业节水模型为支撑，建立一个集数据输入、输出、管理、分析、决策为一体的集成系统。

（3）防汛抗洪决策系统 GIS在防汛抗洪中应用广泛，与流域灾害信息管理相关的数据存储、显示查询、统计和输出等。①防汛水情信息系统地理信息系统技术在防汛水情信息系统中的应用,把水情数据库信息通过矢量图显示、汛情统计分析,使防汛工作的自动化进程大大提高。②城市防洪决策支持系统集成洪水预报地理信息模型，并利用GIS网络分析功能支持模拟蓄洪区人员的撤退、物资的转移，以选择最佳撤退路线，最大限度的减少洪水造成的损失。另外，还有区域性防洪减灾信息系统，水库及分洪区、滞洪区的自动调控系统，险情自动警报系统及防洪指挥系统。

（4）地下水决策支持系统系统提供了与地下水数值模拟模型的接口，可为模拟模型的数据进行预处理，能够对模型进行统一的管理，并提供选择方案的决策支持环境。比较著名的地下水资源决策支持系统，如C.M.Daene等建立的流域水资源分配决策支持系统，该系统应用GIS和IDSS对流域水资源进行规划和管理。

2.2.3 GIS与水资源监测评价系统

借助GIS的直观和理性的可视化功能、巨量空间数据的储存、管理和分析功能以及良好的数据维护和更新功能等，通过分析水资源环境及其生态变化背后的各种驱动因子来揭示水资源环境及其生态变化响应的机制,从而模拟流域水资源环境变化及其在不同时空尺度下的生态变化响应。下面将介绍几种评价系统。

（1）水资源综合评价信息管理系统以基于GIS的湖北荆州市水资源综合评价信息管理系统[20]为例，它实现了水资源综合评价信息的空间定位、查询和显示，使水资源评价成果更好地为荆州市的水资源规划管理工作服务。

（2）水资源管理与水质预测系统以流溪河水资源管理与水质预测系统[21]为例，系统将原有零散的水质、水文、研究成果整理成数据库由计算机统一管理，并可实现水污染事故的水质预测可视化，运用一维、二维水质预测模型对突发水污染事故引起的水质变化进行预测。

（3）水资源与生态环境评价管理信息系统水资源与生态环境评价管理信息系统采用“三库三系统”的应用体系结构，以属性数据库管理系统、基于GIS方式的水资源与生态环境评价管理信息系统、基于WebGIS方式的水资源与生态环境评价综合信息查询系统三种方式面向用户前台。系统集遥感、地理信息系统和管理信息系统技术的功能于一体，构成高度自动化、实时化和智能化的信息系统。除了上述系统外，还有其他各类水资源监测及水质评价系统。例如国家水利部水利水电研究院开发的黄河流域水资源监测系统（HWHS）、赵冬至等建立的海湾陆源污染物总量控制信息系统、美国的Edward Copeland和Brian McCaig开发的地下水保护区的管理信息系统、水质监测与评价系统、水土保持监测系统、水土保持管理信息系统、水土流失动态监测系统、水质实时预测系统、地下水水质评价及污染物分析系统、水污染控制信息系统、城市污水处理地理信息系统、矿井水文信息系统等，GIS在水环境和水污染评价中应用，还有如武汉大学姚焕玫采用GIS技术对湖泊水质污染进行了综合评价，贝克将GIS制图方法用于长春市地下水污染的评价，崔宝侠在GIS的基础上建立了水环境评价决策支持系统，潘世兵进行了水资源水环境模拟模型与GIS相集成的技术研究等。

3 GIS技术在水文和水资源领域发展趋势

GIS技术的发展与计算机软件、硬件、元数据库的建设、数据库管理、网络、遥感(RS)、全球卫星定位系统(GPS)、数字摄影与自动成像等技术的发展紧密相关。GIS在水文与水资源领域发展不仅仅取决于GIS技术的发展，更取决于水文与水资源领域信息化的进程，随着现代化、信息化的水资源领域的进一步发展，GIS将在该领域得到更加广泛的应用。

GIS将会走向系统互操作、数据多元化、系统模块化、系统智能化、平台网络化、应用社会化的道路。首先GIS发散发展未来的水资源领域中的地理信息系统将走向三维GIS、四维GIS、时态GIS、网络GIS、开放GIS，GIS智能化、集成化、高维化并驾齐驱；其次GIS联合发展GIS与RS、GPS（三者统称“3S”技术）及虚拟现实技术、移动通信技术的紧密结合，平台联合技术的发展与进步将会拓GIS在水文与水资源领域的应用空间，更好的为人类服务。

[1] 孙继成，张旭昇.基于GIS技术和FEFLOW的秦王川盆地南部地下水数值模拟[J].兰州大学学报，2010，（05）.

[2] 高如泰，陈焕伟，李保国等.黄淮海平原冬小麦生长期土壤水氮利用效率模拟分析 [J].中国农业科学，2006,39（3）.

[3] 胡红兵，胡光道，胡刚.GIS支持下长江口南支河道百年来的演变[J].海洋地质与第四纪地质，2008，（02）.

[4] 王丛聪，马飞飞.对基于MapX的大连市排水地理信息系统的一些探讨[J].科技信息（学术研究），2008，（26）.

[5] 柳佳斌，张延华.基于GIS的洪水模拟仿真研究[J]. 科技信息，2009，（31）.

[6] 徐雨清，王兮之.遥感和地理信息系统在半干旱地区降雨—径流关系模拟中的应用[J].遥感技术与应用，2000，（01）.

[7] 裴相斌，赵冬至.基于GIS-SD的大连湾水污染时空模拟与调控策略研究[J].遥感学报，2000，（02）.

[8] 乔晓英，王文科.GIS支持下的河西走廊黑河中游盆地地下水资源评价与潜力分析[J].干旱区地理，2005,28（2）.

[9] 姚焕玫.基于GIS技术的湖泊水质污染综合评价的研究[J].武汉大学学报，2005.

[10] 刘锐.美国田纳西流域开发简介[J].农业工程技术温室园艺，1983，（05）.

[11] 陈文丰，纪瀚宇.供水管网地理信息系统的建立与应用[J].供水技术，2009,3（6）.

[12] 王丛聪，马飞飞.对基于MapX的大连市排水地理信息系统的一些探讨[J].科技信息（学术研究），2008，（26）.