浅谈地理信息系统在水文水资源领域的应用

姜辉 薛鹏林 王志华

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016；2.河南省煤田地质局物探测量队，河南 郑州 450000）

1 引言

地理信息系统（Geographic Information System，以下简称GIS）是一门包括地理学、地图制图学、计算机科学、遥感科学和信息科学等的综合性系统，主要实现对空间地理信息的数据采集、管理、分析和地图可视化输出等功能。

GIS技术的功能还体现在数据提取、转换和编辑，数据集成，数据重构和转换，查询和检索，空间操作和分析，空间显示和成果输出等。GIS技术的核心在于对空间数据的管理和分析。空间数据的主要来源有基础底图（包括行政区划、水系、道路、居民地等要素）、专题地图（等水位线图、地形地貌图、水文地质图、水化学图等）、遥感图像、统计数据及实测数据等。

2 GIS在水文水资源领域的应用特点

2.1 基础电子地图

基础GIS地图所需基础数据采用1∶25万，或其他比例尺国家基础电子地图系统数据，包括行政区划边界、城镇、居民点、江河湖泊、水库、铁路、公路等信息，覆盖范围广。

2.2 专题电子地图

在GIS软件中，将水文水资源专题数字地理数据与基础电子地图叠加，建立水文水资源专题GIS地图。专题图对水文水资源信息的描述更为具体和实用，包含的信息更为专业，如流域分区边界（水资源分区）、水体功能区、各类水利工程的分布、各类水文测站和水质测站的分布等信息。

2.3 遥感信息库

遥感信息库是与基础地理数据相匹配的经过解译后所得到的遥感遥测数据。根据遥感影像可对研究区域进行水体信息解译，监测区域水文水资源特征信息，通过不同时期同一区域遥感影像对比，监测区域内水文水资源特征变化。

2.4 属性数据库

GIS属性数据库是对空间数据的描述，是GIS的基础数据库，如分区内社会经济状况、地表水资源与地下水资源状况、水资源开发利用状况、水环境状况、水利工程参数及状况、流域内土地利用状况等。

2.5 软件系统

软件系统是在基础GIS地图、专题GIS地图、遥感影像库、属性数据库的基础上，采用GIS嵌入技术结合水资源管理的需要而开发的水资源管理软件系统。其功能包括空间数据管理、属性数据管理，及两者相结合的信息管理等。

2.6 WebGIS信息查询

WebGIS信息查询是为外部用户而设计的查询系统，外部用户可通过互联网访问并查询水资源与生态环境等信息。

3 GIS在水文水资源领域的主要应用

近年来，GIS技术在水文水资源领域的应用取得了快速发展，已成为水文水资源调查、规划、评价、管理、决策的重要技术手段之一。

3.1 在水文模拟方面的应用

在水文模拟方面，主要是在GIS数字地形模型和数字高程模型的基础上，监理流域水文信息参数的数字化系统，GIS将提取的流域特征与传统水文模型相结合，实现对流域水文模型的模拟。水文模型主要有TOPMODEL模型、IHDM模型、SHE模型、不规则三角网格模型等。在大型流域的水文模拟中，不规则三角网格完全分布式模型应用得最为普遍，它只需5%～10%的原始栅格节点数据，就可以充分描述流域地形的水文特征，不规则三角网格模型在某流域的应用效果如图1所示。

3.2 在防洪方面的应用

近年来，GIS技术在防洪方面的应用日趋广泛，为进一步提升防洪预测精度提供科学依据。GIS技术在防洪方面的操作流程分为以下几个方面。

（1）建设管理平台：建设与完善河、库等防洪管理平台、决策平台，对时间与空间数据进行管理；对平台数据和功能定期更新维护，提高数据的时效性与分析效率，增强决策的可靠性与有效性，保证预测数据准确、可靠，提高信息管理效果。

（2）洪涝灾害评估：制定多层次整合与管理方案，获取准确的数据信息，结合水利学模型和GIS技术，对洪水风险和强度进行计算，对洪水推进、演化以及淹没范围等进行模拟演示，评估危害与损失。建设多类型灾害模型，科学分析，提高灾害损失的评估质量。

（3）划分范围：建设多种灾害模型，考虑各类影响因素，划分灾害影响范围。将GIS数据信息作为依据，制定决策方案，对洪灾进行全面监测与评价，及时发现洪灾，积极开展抢险。

3.3 在水环境监测和水资源保护中的应用

在水环境监测和区域水资源保护管理和决策方面，GIS技术能够提供方便快捷、科学有效的解决方案，水环境监测和区域水资源保护方面的管理者可利用GIS相关软件，结合历史资料查询分析辖区内水质变化特点和未来趋势，并了解相关预案的实施效果，特别是当污染事故发生时，借助GIS能迅速模拟预测污染物未来的时空分布特征以及发展趋势，为管理者迅速制定决策，采取有效的应急措施提供有力的决策依据[1]。

3.4 在水资源评价中的应用

流域水资源规划涉及大量地形地貌、气象水文、土壤植被、生态环境、水旱灾害等资料的管理和存储，在这些信息基础上进行分析计算、方案决策和规划结构的景观描述。GIS在水资源规划方面可用于对海量空间信息进行管理，搭建水资源规划支持系统的基础平台，使得水资源规划建立在数字化流域框架基础上，从而为水资源管理和滚动规划提供信息支撑。

常规的水资源评价方法往往只注重对区域内水资源总量及其利用的数量进行评价，而无法对区域内水资源的空间分布进行直观展示。特别是在水资源短缺地区、空间分布不均衡的状况下，这类评价方法的缺点尤为突出，经常导致水资源分布和利用的空间差异，这种差异往往对区域水资源利用有效性的分析结果以及精度造成直接影响。

而GIS强大的空间数据管理和分析功能，以及在空间信息处理上的独特优势，是研究区域水资源及其利用的空间差异的一把利器。利用相关的GIS管理系统及软件，基于现有的流域自然地理和社会要素绘制基础底图，提供流域水资源供需图、灌溉规划图、水污染分布图、洪水来源以及洪水影响图等，同时可以完成流域内水资源储蓄量与分布的关系分析、水资源与人口分布关系分析、水资源与区域社会关系分析、预测信息等地理分布上的查询和管理，包括单一对象相关信息的查询，以及剖面显示、补给和开采模拟等[2]。

此外，GIS还广泛应用于水文预报、流域雨量计算、地下水勘查、水污染控制、给水管网信息管理系统等方面。

4 结语

GIS的应用促进了水文水资源领域的发展，同时，水文水资源领域对GIS的需求又加快了GIS的更新换代。“数字水利”的提出，工程水利向资源水利、传统水利向现代水利和可持续发展水利的转变，都表明，水利信息化是必由之路，GIS与水文水资源紧密结合的应用前景十分广阔。