地理信息系统在水资源监控与管理实践中的应用

吴凌颖，郭旭宁，赵红莉，成建国，蒋云钟

（1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；

2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；

3.水利部水利信息中心，北京 100053）

地理信息系统在水资源监控与管理实践中的应用

吴凌颖1，郭旭宁2，赵红莉2，成建国3，蒋云钟2

（1.河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；

2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；

3.水利部水利信息中心，北京 100053）

从地理信息系统（GIS）特点和水资源监控与管理业务对 GIS 技术需求的分析入手，梳理 GIS 技术在我国水资源监控与管理工作中应用的发展和现状，指出当前 GIS 技术在水资源监控与管理中的应用已得到极大的发展，未来可在应用系统建设的规划统筹和相关行业标准建设、信息安全保障和智能服务等方面进一步加强研究和实践，为 GIS 在水资源监控与管理中的应用发展和提高水资源监控及管理系统建设水平提供借鉴。

地理信息系统；水资源；监控；管理；应用

0 引言

2011 年中央 1 号文件和中央水利工作会议提出“加强水量水质监测能力建设，为强化监督考核提供技术支撑”[1]；2012 年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》明确要求“加强取水、排水、入河湖排污口计量监控设施建设，加快建设国家水资源管理系统，逐步建立中央、流域和地方水资源监控管理平台，加快应急机动监测能力建设，全面提高监控、预警和管理能力”[2]。因此，应该加强水量水质监测能力建设，逐步建立中央、流域和地方水资源监控管理平台，形成与实行最严格水资源管理制度相适应的水资源监控能力，为最严格水资源管理制度考核提供手段和依据。

由于水资源时空分布不均，人类影响水资源的能力不断增加，人类认识水资源规律能力的局限，使得水资源监控与管理工作的难度越来越大，常规监控管理手段的局限性日显突出。地理信息系统（GIS）以其显著的多学科交叉特征和处理空间数据的独特功能，被广泛应用于众多的研究和应用领域，在水资源综合开发利用中的应用发展也很迅速。为系统了解 GIS 技术在水资源监控与管理中的应用情况，加强我国水量水质监测能力的建设，本文就地理信息系统在水资源监控与管理实践中的应用情况进行梳理与总结、展望。

1 GIS 在水资源监控与管理中的应用需求

GIS 是采集、存贮、分析、再现空间信息的信息系统，它不仅利用属性数据， 更重要的是利用空间数据。GIS 将地理空间信息模型化并存储在计算机中，便于对地理信息及以地理信息为载体的信息进行查询、空间分析，以达到对研究对象进行描述、模拟和预测的目的[3]。相对于常规意义上的信息系统，GIS 能进行空间分析，且更能全面、直观、动态地采集和利用信息[4]。

水资源监控与管理是指对天然和社会二元水资源系统的来水、水源、供水、取用水、耗水和排水等各环节进行监测，对社会水循环系统进行管理和控制的活动。及时、准确地获取信息，有效地管理信息，合理地利用信息是水资源监控与管理的基础内容和重要支撑。水资源管理系统以“取水—输水—供水—用水—排水—回用水”等环节构成的社会水循环过程为主要监控对象，通过对点（水源地、取用水户、入河排污口、地下水监测井等）和线（河流、水功能区等）的信息监测，掌握面（行政区、水资源分区和地下水分区等）的情况；通过取用水户的取水和排水、行政分区的入境和出境水量、地下水等数据的互相校核，以及监测信息、统计信息、流域及区域水循环模型等数据信息的互相校验，为实行“总量控制，定额管理”提供支撑，实现对水资源的科学调配和管理[5]。水资源系统的各类信息均具有空间分布特性[6-7]，需要依托 GIS 技术和工具进行信息的获取、管理、分析和应用，按照信息获取处理流程划分，GIS 在水资源监控与管理中的主要应用需求可以分为以下几个方面：

1）信息获取。水资源监控与管理的对象是具有地理位置、形状、范围等特征的地理实体，如天然水循环系统中的降雨、蒸散发、径流等有空间分布的特征，河流、湖泊、流域具有位置，长度，形状，范围等特征；社会水循环系统中的水利工程、取用水户、排污口、管理分区、控制断面等，都具有位置、形状、范围等特征，这些信息的采集需要GIS 技术和工具的支撑，才能形成规范化组织和表达的水资源专题地理空间信息，与基础地理空间信息和水资源属性信息集成，支撑水资源监控与管理活动的实施。

2）信息管理。水资源专题空间信息描述的空间实体如河流、流域、测站、断面等之间的相互关系，除了依附于空间实体的属性之间的主外键关系外，还有上下游、干支流、左右岸、包含、相交等空间拓扑关系，管理水资源专题空间信息的工具和平台需要具备存储和维护点线关系、线面和空间拓扑等关系的功能。

3）信息应用。水资源管理活动中包含大量对地理空间信息的应用，如基于二、三维地图的各类水资源监测信息的可视化表达，水资源专题地图的绘制与输出，水资源信息的空间分析等，需要利用 GIS技术和特定的 GIS 工具和平台来实现。

2 GIS 在水资源监控与管理中的应用综述

GIS 技术具备解决水资源监控与管理中空间信息的获取和管理、基于空间信息的信息集成与应用问题的能力[8]，在国内外有许多成功的研究和应用案例。

国际上发达国家在水资源监控管理信息化方面的起步较早，相应地理信息系统的应用也较早。20 世纪 70 年代起，美国田纳西州开始用 GIS 技术处理和分析各种流域空间数据，为水资源管理和规划决策提供服务；90 年代，GIS 在水资源管理中的应用成为多个会议的主题或专题[9-10]。欧洲一些国家随后建立了具有 GIS 功能的水资源管理决策支持系统 WaterWare，并在英国泰晤士河流域和墨西哥的Rielerma 流域得到较成功的应用[11]。

我国水资源信息化起步较晚，但行动迅速。我国学者在基于 GIS 的水资源管理系统方面做了大量的工作。赵红莉，蒋云钟等[12]在广东省水资源管理系统基础上，基于 GIS 控件技术开发了广东省水资源管理地理信息系统，将水资源管理中的行政分区、水资源分区、河流、取水口、排污口、水利工程等空间和属性信息进行了集成，基于 GIS 技术为水资源管理提供空间和属性综合的信息查询和制图平台，并在广东省的省、地市、县三级水资源管理部门进行了推广应用。李云等[13]结合数据库与 GIS技术开发了适用于城市水资源管理的计算机软件系统，实现了基础信息查询、地表水和地下水运动模拟、用水量统计、水质监测和水环境评价等功能。张保祥等[14]在 MapGIS 平台基础上，开发了山东省地下水回灌补源现状和前景预测及评价系统。雷庆玲等[15]以地下水取水许可管理系统为例，研究和探讨了基于 GIS Web Services 的分布式电子政务系统的设计与实现。方琼等[16]结合 WebGIS，应用 ArcIMS及 Internet 的 WWW 服务模式，建立了山西省临汾盆地地下水水资源信息管理的 WebGIS 服务。郑名等[17]在 GIS 平台提供的空间分析功能基础上，集成开发了水资源管理决策系统。桑稳娇等[18]以 GIS 为技术支撑，结合在线监测技术，利用 GIS 控件进行二次开发建立了污水管网信息系统。陈兴等[19]针对南京市六合区水资源特点，提出了基于 GIS 技术的一整套水资源优化配置决策支持系统解决方案。天津市水利局、天津市水资源研究管理中心经过 10 年的探索，现已初步建立起一套在现行水资源管理机制环境下可以方便应用的地理信息系统，并取得了较好的效果[20]。贾仰文，赵红莉[21]等研究开发的“北京市降雨产流测报系统”，将基于 WebGIS 的空间分析技术与分布式水文模型技术相结合，建立了 B/S 体系结构的降雨产流模型系统，实现了 GIS 高级分析和专业模型计算等功能的网络共享。

2001 年 4 月，水利部在北京召开了全国水利信息化工作座谈会，提出“水利信息化是水利现代化的基础和重要标志，要把水利信息化作为一项战略任务，抓紧抓好，通过国家防洪指挥系统、全国水质信息系统和水资源实时监控与管理系统等一系列应用系统的建设，提高信息采集、传输的时效性和自动化水平，为实现水资源的优化配置提供手段，为防汛抗旱决策提供依据，为水利更好地服务经济社会发展创造条件”[22]。为了保障最严格水资源管理制度的贯彻落实，改变水资源监控手段缺乏的现状，水利部组织编制了《国家水资源项目监控能力建设项目实施方案》，计划自 2012 年起，用 3 年时间完成近期建设，基本建立国家水资源管理系统框架，初步形成与实行最严格水资源管理制度相适应的水资源监控能力，逐步增强支撑水资源科学管理和“三条红线”监督考核的能力[23]。

在此背景下，全国各流域、行政区相继开展了水资源监控管理信息系统的建设。淮河流域从2012 年开始，计划用 3 年左右时间基本建成包含GIS 软件系统的淮河流域水资源监控管理信息平台，完成流域水环境监测中心的建设，形成与实行最严格水资源管理制度相适应的水资源监控能力[24]。“辽宁省太子河流域水资源实时监控管理系统”是“辽宁省区域水资源实时监控管理系统”的一部分，是以 GIS 平台为支撑，进行 3 座水库的防洪与兴利统一调度、地表水与地下水的联合运用管理，实现太子河流域水资源的优化配置与科学管理，为我国北方地区的水资源实时监控管理，提供理论技术和实践经验等方面的参考[25]。

此外，2008—2013 年在由国家发展和改革委员会牵头建设的国家“自然资源和地理空间基础信息库”工程中，采用面向对象的属性空间一体化数据模型，进行水资源专题数据库的建设，对已有水资源空间和属性数据进行整合改造和入库，依托水利分中心建设形成国家级水资源和地理空间数据库集群，可对水资源资源开发与利用、配置与管理、节约与保护等一系列涉水重大事项提供决策支持。同时，在实施过程中进行了水资源专题信息获取、处理、更新，共享信息流程标准体系，水资源专题制图内容、模式、方法，以及数据组织与共享模式的大量探索，形成了一系列水资源空间信息建设与共享应用技术方法上里程碑性的成果。

2012 年建设的全国水利普查空间信息系统，既是一个基于地理信息系统技术建立的多主题数据采集系统[26]，也是空间和属性数据的综合管理系统，同时实现了基于地理空间信息的水利普查信息的可视化组织与表达。水利普查空间信息系统为水利普查提供了基于国家基础测绘的 1∶50 000 更新数据和全国陆域 2.5 m 正射影像，建设了水利专题空间信息采集的平台，基于平台采集了包括河流、水利工程、河湖开发治理保护和社会经济用水等相关的空间信息；在信息的组织管理上，将水利和地理信息全面深度融合，实现了空间、业务、关系和时态等特征信息的一体化管理；基于系统，整编完成了全国水利普查区域 24 182 幅 1∶50 000 标准分幅电子工作底图数据，供全国水利普查机构的近百万普查人员使用。

3 GIS 在水资源监控与管理中的应用展望

在水资源监控与管理中，GIS 的应用无论在技术上，还是数据积累和应用经验上都已成熟和日益丰富。依托一些大的水利行业地理信息建设项目，已较为系统地采集了水资源监控与管理业务相关的空间数据，并在数据存贮、管理上形成了一些特有的技术方法和项目标准与规范。在对空间信息的应用上，也由简单的信息展示和查询，发展为能利用GIS 的空间分析功能进行专业分析与决策支持，基于GIS 的水利行业应用也已进入网络化时代。为更好地支撑水资源监控与管理的日常业务和决策支持，对GIS 技术的应用和系统的建设，还可以从以下几个方面予以加强：

1）信息系统的统筹规划和标准建设。水资源监控与管理涉及的业务面宽，参与的业务部门众多，各部门为提高管理水平，纷纷从自身需求出发，开发和建设了大量的应用系统，相互之间统筹不足，在数据和应用上有项目标准，但缺乏行业标准，形成信息孤岛，导致信息交互和共享困难，应加强系统建设的规划统筹和相关行业标准建设。

2）信息安全保障。随着 GIS 应用的不断深入，大比例尺空间数据的采集和使用越来越多，数据安全问题比以往任何时候都更为突出，需要加强信息安全教育，科学地研究和制定信息安全保障的规章制度，明确界定涉密信息的范围，为涉密信息的使用建立安全通道，做到既能保障信息安全，又能为精细化的水资源管理提供便利支撑。

3）智能服务。进入物联网、智慧化和大数据的信息时代，水资源监控与管理空间和属性集成信息也已达到海量规模，需要加强海量数据的管理、信息挖掘、智能服务等方面的研究和应用建设，才能应对潜在的数据爆炸性增长、水资源高效管理的业务要求和用户预期不断升高带来的难题。

4 结语

水资源监控与管理的各类信息均具有空间分布特性，可依托 GIS 技术和工具进行空间信息的获取、管理，以及空间和属性综合的分析和应用。随着地理信息系统及相关技术的成熟与发展，GIS 技术在水资源监控与管理中已得到广泛应用。在加强水利信息化、国家水资源监控能力建设，落实最严格水资源管理制度等推动下，GIS 在水资源监控与管理中的应用得到了极大的发展。未来可在应用系统建设的规划统筹和相关行业标准建设、信息安全保障和智能服务等方面进一步加强研究和实践，一方面使 GIS 在水资源监控与管理中的应用持续发展，另一方面也能更有效地支撑水资源监控、管理与决策。

[1] 中共中央 国务院.中共中央 国务院关于加快水利改革发展的决定（中发[2011] 1 号）.北京：国务院，2010: 1-6.

[2] 蒋云钟，万毅.水资源监控能力建设功能需求及实施策略 [J].中国水利，2012 (7): 26-30.

[3] 彭盛华，赵俊琳，袁弘任.GIS 技术在水资源和水环境领域中的应用[J].水科学进展，2001, 12 (2): 264-269.

[4] 姚鹤岭.GIS 在水资源综合开发中的应用[J].人民黄河，2000, 22 (3): 19-21.

[5] 蒋云钟，万毅，张淑玲.水资源管理系统建设导论 [M].北京：中国水利水电出版社，2011: 11-12.

[6] 潘松庆.地理信息系统及其在水资源学科中的应用[J].河海科技进展，1992, 12 (4): 67-74.

[7] 徐晨光，王锁平，赵麦换.基于地理信息系统的水资源配置研究[J].节水灌溉，2007 (8): 45-47.

[8] 楚叶峰.GIS 的发展历程与发展趋势综述[J].长春大学学报，2008, 18 (6): 40-42.

[9] 魏文秋，于建营.地理信息系统在水文学和水资源管理中的应用[J].水科学进展，1997, 8 (3): 296-300.

[10] 阮本青.地理信息系统发展动态及在水资源管理方面的应用[J].西安理工大学学报，1996, 12 (3): 238-243.

[11] Jamerison D G, Fedra K.The“WaterWare”Decision support System For River basin Plannig: 2.Planning Capability[J].Journal of hydrology, 1996, 177 (34): 176-198.

[12] 赵红莉，蒋云钟，陈蓓玉，等.广东省水资源管理 GIS [C]//GIS 在水利中的应用研讨会论文集.南京：河海大学出版社，2001: 153-158.

[13] 李云，范子武，徐世凯，等.城市水资源管理信息系统的开发与应用[J].中国水利，2003 (6): 73-74.

[14] 张保祥，刘青勇，马承心，等.基于 GIS 的山东省地下水回灌补源管理信息系统[J].水利水电科技进展，2005, 25 (4): 49-52.

[15] 雷庆玲，窦炜.GIS Web Services 技术在地下水取水许可管理系统中的应用 [J].北京测绘，2006 (1): 1-5.

[16] 方琼，罗美芳.Web GIS 在临汾盆地地下水资源管理与评价系统的设计与实现 [J].地下水，2006, 28 (6): 65-67.

[17] 郑名，秦高峰，沈翼军.基于 GIS 的水资源管理决策系统的设计 [J].农机化研究，2007 (1): 119-122.

[18] 桑稳娇，阮戟.基于 MapObjects 的城市污水管网信息系统 [J].地理空间信息，2008, 6 (2): 22-24.

[19] 陈兴，程兴林，周健康.基于 GIS 的水资源优化配置决策支持系统的研究 [J].水资源与水工程学报，2008 (5): 15-19.

[20] 徐杨.天津市水资源管理地理信息系统的建立[J].海洋测绘，2002, 22 (1): 48-50.

[21] JIA Yangwen, ZHAO Hongli, NIU Cunwen.A WebGIS-based system for rainfall-runoff prediction and real-time water resources assessment for Beijing[J].Computer & Geosciences, 2009 (35): 1517-1528.

[22] 汪恕诚.加快水利信息化建设步伐，实现水利现代化宏伟目标——在 2001 年 4 月全国水利信息化工作座谈会上的讲话 [EB/OL].[2014-07-02].http://www.mwr.gov.cn/zwzc/ldxx/jnc/zyjh/200104/t20010411_124567.html.

[23] 胡四一.全面实施国家水资源监控能力建设项目 全力提升水利信息化整体水平[J].水利信息化，2012 (6): 1-6.

[24] 欣金彪.淮河流域水资源监控能力建设综述[J].治淮，2012 (10): 52-53.

[25] 梅梅，卢健.水资源监控系统的技术关键[J].中国科技奖励，2005 (3): 32-34.

[26] 王爱莉，于哲，项彩虹，等.水利普查信息系统建设管理与应用——关于第一次全国水利普查空间数据采集处理系统[J].水利信息化，2013 (2): 19-25.

Application of Geographic Information System in Water Resources Monitoring and Management

WU Lingying1, GUO Xuning2, ZHAO Hongli2, CHENG Jianguo3, JIANG Yunzhong2

（1.Earth Science and Engineering College of Hohai University, Nanjing 210098, China;
2.China Water Resources and Hydropower Research Institute, Beijing 100038, China;
3.Information Center, the Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China)

Based on the analysis of features of the geographic information system (GIS) and the GIS technology needs of water monitoring and management, the development process of GIS technology applied in water resources monitoring and management of our country is reviewed and the current status is summarized.It points out that current GIS application in the monitoring and management of water resources has been tremendous development.The suggestion is put forward to further strengthen the research and practice in the overall planning of system construction and related industry standard construction, information security and intelligence services in the future.This paper can provide reference for GIS application development in the monitoring and management of water resources and improve the level of water resources monitoring and management system.

geographic information system; water resources; monitoring; management; application

P208.2

A

1674-9405(2014)04-0001-04

2014-07-10

国家重大科技专项（08-Y30B07-9001-13/15-01）；国家科技支撑计划（2013BAB05B01）

吴凌颖（1992－），女，福建莆田人，河海大学地球科学与工程学院 2011 级地理信息系统专业本科生。