基于GIS的尼洋河流域水资源管理信息系统研究

杨永涛，郭永刚，苏立彬，汪仕情，吴 悦

(西藏农牧学院，西藏林芝 860000)

西藏自治区水资源丰富，河流湖泊众多。据统计，全区水资源总量4 482亿m3，按全区人口和耕地计算，人均占有水量和亩均占有水量均居全国首位。在西藏境内有河流356条，湖泊总面积约2.38×104km2,约占全国湖泊总面积的30%，是我国湖泊最多的地区[1]。尼洋河是雅鲁藏布江左岸的一级支流，它发源于米拉山西侧的错木梁拉，自西向东流经西藏自治区工布江达、林芝和加查三县，在林芝县的则们附近汇入雅鲁藏布江，流域介于92°10′～94°35′E、29°28′～30°30′N，全长307.5 km，落差2 273 m，平均坡降达7.39%，流域面积1.75万km2(图1)。流域内自然条件优越，土地肥沃，气候温和，森林和水力资源丰富，经济发展迅速[2]。但同时也是自然灾害频繁的地区之一[3-4]。

西藏河流湖泊的统计、管理、查询与检索依然采用传统方式管理,十分耗时耗力。地理信息系统(geographic information system简称GIS)是用于管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行采集、管理，并分析各种空间实体及其相互关系；通过对多因素的综合分析，可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图表或数据的形式表示分析的结果；对于解决复杂的水资源分析、规划与管理问题，提供了一种重要的很有潜力的途径。目前，在水资源分析、规划、水资源保护、水环境分析、洪涝灾害防治等领域已经得到具体应用并取得较大进展[5-10]。笔者以尼洋河为背景建立基于GIS的水资源管理信息系统，将加强水资源管理、水资源优化配置和节约保护作为解决水资源供需矛盾的根本途径，为水资源规划管理提供高效的技术手段。

1 数据库的构建

1.1数据库的建立数据的采集与编辑为该信息管理系统的基础，包括空间地理数据和属性数据的采集录入。空间地理数据包含基础地理数据和水资源空间数据。基础地理数据主要包括流域内各乡镇地区的行政区划、居民区、道路分布、农耕区、水电站、水文站、气象站等空间位置信息；水资源空间数据主要包括各干流和支流的空间位置及流域图。属性数据主要用于对各空间数据的描述，包括各区域名称、面积、位置信息等，以及各水电站、水文站、气象站的监测信息。数据库建立结构图如图2所示。

1.2尼洋河流域数据库的建立实例尼洋河流域的空间地理数据主要来源于最新发布的西藏地图集、地理空间数据云公布的全球30 m的数字高程数据以及通过野外实地调查取得的相关空间地理数据。通过将地图集中的地图数据扫描成栅格图像，添加到ArcMap中即可对其进行矢量化，转化成所需的数字地图，即shape文件；然后添加相对应的属性数据，主要包括尼洋河流域中支流的长度、流域面积、水文站信息、高程信息以及水环境状况等，这样就建立了尼洋河流域基础信息数据库。

以尼洋河流域的两支流娘曲和克拉曲为例，河流流域图像矢量化完成后，在属性表中录入娘曲和克拉曲长度、流域面积等属性信息。当需要查看支流的相关信息时，点击HTML弹出窗，选择支流即可。如图3所示，娘曲和克拉曲的相关信息如河流长度、流域面积、所属岸别、平均比降、多年平均降水深以及多年平均径流深都清晰展现。同时，在资料齐备的情况下，还可以显示多年平均气温、域内动植物分布情况以及河流水文水质等详细信息。这些都可大大简化水资源管理工作量，为水资源综合规划提供技术支持。

图1 尼洋河流域Fig.1 Niyang River Basin

2 尼洋河流域水资源管理信息系统总体结构设计

西藏地区分布有大量的大陆型及海洋型冰川，地形复杂，降雨时空分布极不均匀。受地形、地貌及排水阻滞的影响，极易造成由暴雨引起的洪涝灾害。如果大气运动异常导致长时间、大范围无降雨或者降水偏少而形成干旱，将直接造成土壤缺水、农田干枯、供水短缺，对农作物及经济、生产、生活造成巨大影响。同时，受气候变化影响，西藏境内冰湖扩张速度加快，冰湖溃决导致的泥石流也极大影响了人民群众的人身及财产安全。

水资源管理信息系统利用已采集录入的历史的雨、水、工情信息、社会经济、生态环境以及历史洪涝、干旱、冰湖灾害等信息，通过人机交互方式在计算机上进行水量预测并进行汛期和旱期及冰湖溃决的模拟分析，辅助水资源决策人员制订相应的调配方案，并进行分析和评价；同时，可以及时地发布网络进行数据共享，为区域水资源管理决策提供科学、全面的技术支持。

图2 数据库建立结构Fig.2 Structure of database establishment

尼洋河流域水资源管理信息系统主要由信息管理子系统、交互式水量分析预测子系统、交互式水资源调配子系统和防汛抗旱子系统四大部分组成，逻辑结构如图4所示。各子系统功能如下。

(1)信息管理子系统。主要完成西藏地区数据信息的收集、处理与检索查询以及充实和更新地理数据库，包括基础空间地理数据、灾情数据信息等。在对信息进行管理时，可实现基本的图形的放大、缩小、移动、量距以及添加、删除图层或对其进行编辑、修改等；同时，还可以进行动态预测及动画效果的展示，从动态方面更形象直观的表现。对于属性数据也可以及时更新，添加最新数据，生成图表加以显示。

图3 娘曲和克拉曲两支流Fig.3 Two affluents of Niangqu and Kelaqu

(2)交互式水量预测子系统。 除包括可用水量和需水量的预测外，还可进行在突发情况如强降雨和干旱时水量的变化预测。以1990—2016年尼洋河流域降水量、地表水量和地下水量以及域内工业、农业及城市用水统计数据为基础,分别构建可利用水量分析模型和需水量预测模型，并不断进行分析模型的校正。对于特殊情况如汛期和旱期水量变化情况，建立专用模型。利用模型进行可利用水量的分析预测，最终进行结果的输出及相应图表的显示。

(3)水资源调配子系统。西藏地区河流分布不均且在气候变化等因素的影响下，土地沙化严重。同时，风力侵蚀、水力侵蚀和冻融侵蚀导致的水土流失也日趋严重。水资源调配子系统主要用于完成基于实际情况的水资源调配辅助方案的快速制订，针对不同区域面临情况做出相应决策。

(4)防汛抗旱子系统。通过对数据库中历年发生的洪灾和旱灾数据资料的查询整理，制作灾情分布图并进行相关评价。在系统中添加高程信息进行汛期和旱期及冰湖溃决的动态模拟分析，预测受灾情况下的人员伤亡情况和经济损失情况，并辅助决策人员快速制订相应的补救方案，最大限度地减少损失。

3 尼洋河流域水资源管理信息系统功能结构设计

西藏是山洪、山体滑坡、泥石流等自然灾害频发的地区，因局部暴雨引发的山洪、泥石流以及冰滑坡引发的冰湖溃决等灾害日益突出，在此情况下针对西藏地区特点，该水资源管理信息系统主要设计了五大功能，功能结构如图5所示。通过调用系统各模块完成水资源开发利用现状评价、水资源调查评价、水资源需求预测、排险减灾方案快速制订以及完成水资源的合理配置。基于GIS的水资源管理信息系统的建立，在为西藏水资源方面提供技术支持的同时，还可以为灾后的紧急响应、经济损失评估及决策制订提供一定的帮助，大大提高西藏地区水利信息化水平。

图4 尼洋河流域水资源管理信息系统总体设计结构Fig.4 Overall design structure of water resources management information system in Niyang River Basin

4 尼洋河流域水资源管理信息系统特点

针对西藏气候多变、地形复杂多样、降雨量在时间和空间分布上极不均匀而导致的径流变化等特点，建立尼洋河流域水资源管理信息系统旨在对西藏河流进行科学合理管控。同时，预测河流演变规律、模拟灾害发生时受灾状态以及损失评估等。此外，该系统有以下特点。

(1)可操作性及适用性强。西藏河流湖泊众多，水源、水量、水质等数据信息庞杂。在该系统中，空间数据的采集、存储、管理、显示、分析等功能可以大大简化科考工作人员的工作量，将相关数据存储在数据库中，可随时进行修改、编辑、删除等，并随时更新，操作简单；其可视化界面清晰简洁，管理灵活。打开数据库即可直观显示水域位置、流域面积等基本情况，适用于西藏多水区的管理。

(2)可实现实时共享与动态管理。西藏地区近年来发展迅速，但有关基础设施还不够完善，对于数据的采集等工作需耗时数天甚至数月，同时数据传输也多有不便。在现代通讯网络条件下，利用网络进行数据的实时共享已不是难事。随时随地掌握动态情况，并随时更新采集到的数据以及变化，包含尼洋河流域水资源位置信息、水资源分布现状、水量变化及利用情况等，使远在北京的工作人员也能够通过网络数据系统了解相关情况。

图5 尼洋河流域水资源管理信息系统功能结构Fig.5 Functional structure of the water resources management information system in the Niyang River Basin

(3)动态可视化分析。由于其独特的地理位置及环境特征，西藏地区自然灾害频繁。而对于灾害发生前及发生后的变化因子及运动轨迹，利用该系统可以通过影像形式进行动态显示，从而为相关研究提供便利。例如在探究水系中Ca2+、Mg2+等离子的变化情况时，可以从图中直观地看出随着时间的推移在同一河流的不同位置Ca2+、Mg2+的迁移情况，以及水电站的建立对水生态环境的变化影响等。这些都可以为西藏的水资源、水环境保护起到极其重要的作用。

5 结语

西藏水资源的规划和管理是一项十分耗时耗力且难度较大的工作，数据的采集与整理更是纷繁复杂。更重要的是，没有科学高效的工具来进行管理、分析和预测，一旦发生水资源调配不均或由天气导致的干旱或洪涝灾害，人员和财产的损失都将是无可估量的。该研究通过建立基于GIS的尼洋河流域水资源管理系统，进行流域的水资源管理与规划工作，简化工作量的同时科学有效地管理相关数据并直观显示数据成果，为西藏水资源的规划和管理提供巨大的便利；同时，对于供水需求分析以及水资源险情的预测，也必然会取得现实意义。