3S 技术在水文与水资源工程上的应用策略
2022-07-12赵青松
赵青松
(河北省地矿局第五地质大队,河北 唐山 063000)
0 引言
在水资源工程建设中,3S 技术获得广泛应用,尤其在水源治理、南水北调、水资源开发、水资源保护等方面,都发挥了关键作用。3S 技术以信息技术、传感技术和互联网技术为支撑,其在水资源开发和管理中的应用不断深入,符合时代发展和经济建设的需求。因此,相关部门要给予3S 技术以高度重视,结合水资源工程现状合理应用,发挥其技术优势,推动我国水资源开发事业的可持续发展。
1 3S 技术
1.1 GIS 技术
GIS 技术即地理信息系统,其以信息技术和地理知识为支撑,利用图像构建空间系统,通过对制定空间地理信息的数据采集和分析,将数据信息以图像或者地图的方式呈现,进而满足使用人员的实际需求。随着计算机技术的发展,三维成像技术已经十分成熟,将数据通过三维立体图像的方式呈现,还可以提升图像的全面性和直观性。随着GIS 技术的发展,三维成像技术已经在多个领域实现了广泛应用,在地质勘查、工程检测、地理学、水资源工程等方面都发挥了重要价值。
1.2 RS 技术
RS 技术即遥感技术,属于一门新型技术,该技术主要是通过遥感设备完成数据采集,当前较为常见的遥感设备为无人机和无人潜艇。遥感技术的工作原理是在遥感设备上安装摄影设备和传感器,在摄影中将采集的数据传输到地面,通过计算机分析进行数据处理,较为常用的传感器包括电磁波传感器和光辐射传感器。在遥感技术应用中,由于维度和空间不同,其接收的电波也存在差异,便于工作人员及时识别、核对信息。当前遥感技术已经在军事侦察、环境监测、自然灾害预防、山体监测以及气象监测中得到广泛应用。
1.3 GPS 技术
GPS 技术即全球导航卫星系统,随着我国航空航天事业快速发展,GPS 技术也更加完善和先进,以北斗为代表的卫星系统已经处于世界领先地位。利用GPS技术获取的数据具有较高的精度和可靠性,目前随着GPS 技术的成熟,其在军事、民生、环保、工程等领域不断获得应用,具有显著的经济价值、社会价值和生态价值。
2 3S 技术在水文与水资源工程中的应用理论分析
随着我国水资源开发保护事业的蓬勃发展,水文与水资源工程的数量也持续增加,应用3S 技术进行工程测量和数据获取,具有较高的便捷性、高效性,特别在探测水下地形中,其应用优势较为明显。通常情况下,探测地形主要是以横截面为准,而结合水资源工程需求,将截面布置在河道上,利用水位、水面等数据测量,可以掌握水域深度,便于探测水下地形。3S 技术在具体应用中,可以利用RS 遥感技术对河流的宽度、长度等数据进行测量,应用GPS 技术可以科学定位测量位置,确保实地面积和高程;应用GIS 技术能够将获取的数据分析,根据数据和信息形成数字化三维立体地图,为工程建设提供辅助作用[1]。
2.1 水文勘测
水文勘测属于3S 技术应用的主要方面,可勘测指定水域的水势、水源等内容,其应用理论如下:水文勘测主要在野外进行,GPS 技术在野外勘测中具有较强的应用性,能够对勘测位置进行准确校正和定位;RS遥感技术通过无人机等飞行器实现测量,在既定的测量区域中,可以将数据传输到地面,低区域的地貌特征、地形情况进行分析;GIS 技术可以根据获取的数据,构建合理的数字高程模型,并且对体积、高线以及面积等数据科学计算,同时,GIS 技术还能够确定水下地形、地貌以及植被分布,具体显著的应用效果。
2.2 水文模拟
在水文与水资源工程中,应用GIS 技术的主要作用是确定地形地貌,并且将获取的数据通过地形或者模型的方式呈现,而随着科学技术的发展,地形图更加直观,三维立体模式为主。在水文模拟中,主要通过DEM 技术实现,将水文模型和RS 技术充分结合,能够实现测量数据的可视化和精准化,进行可视化操作和空间化分析。同时,同时DEM 建模,还可以掌握地形的关键数据,包括流域界限、坡度等,促使模型更具参考和使用价值[2]。
2.3 水文预报
水文预报属于水文与水资源工程中应用3S 技术的重要功能,通过科学的预报能够为当地防洪救灾提供指导,3S 技术在具体应用中,主要是利用RS 技术对水域相关数据进行采集,然后通过对云图动态分布和气象资料开展分析,将分析数据与GIS 获取的地理信息技术相结合,形成水文气象模型,模型中涉及大量的水文要素,可以做出提前预报,例如洪峰的持续时间、流量等参数,进而帮助相关部门判断洪峰造成的影响,制定应对措施和居民疏散计划。
2.4 水环境监测
水环境监测工作具有一定的动态性、即时性和持续性,在监测活动中,3S 技术发挥了关键作用,其应用理论如下:通过自动监测设备实现监测工作,将自动化和智能化监测设备与3S 系统结合;例如在RS 技术应用中,将红线测量仪安装在无人机上,可以实现对水环境污染程序的动态监控;将传感器与GIS 技术相结合,可利用传感器及时传递的数据,判断水环境的污染物、污染程度、pH、重金属含量等[3]。
3 3S 技术在水文与水资源工程中的具体应用
3.1 在工程规划中应用
水资源是一种重要且稀缺的资源,我国拥有丰富的水资源储备量,但是由于人口众多,人均占水量落后于世界平均水平,水文与水资源工程能够对水资源进行合理使用和科学开发,从源头规避水资源浪费情况。在以往的工程规划中,需要消耗大量的人力和物力资源用于采集信息数据,进而为工程建设提供数据支撑。应用3S 技术可以快速完成数据采集,减少企业的人力和物力资源投入,数据采集具有高效性,数据真实可靠。例如在判断水域水量中,可利用GIS 技术可以获取水域的宽度、长度、流速等关键数据,然后利用计算机技术建立水体流量模型,以三维立体成像的方式,帮助工作人员判断水体流量[4]。
3.2 在水污染监测中应用
当前我国政府提出构建“生态型社会”这一理念,生态发展也深入人心,人们对生态保护也更加重视。在以往粗放式发展模式下,水污染情况较为严重,在开展水源治理中,需要通过污染监测,明确水源的污染源、污染程度、污染物性质,进而制定科学的整治方案。在水污染监测中应用3S 技术,能够对指定水域的污染变化情况进行分析,例如应用RS 遥感技术,可以通过无人机对整个水域进行监测,及时发现排放污染物的源头,将具体位置传输到地面;又例如应用GIS 技术,能够对水域污染程度的变化进行动态分析,并且建立水源污染模型,便于相关部门掌握水域的污染程度和污染情况,制定科学的应对处理措施。
3.3 在预防洪涝灾害中的应用
洪灾属于一种自然灾害,具有突然性、不可预见性以及破坏性等特点,如果发生严重洪灾,会危害当地居民的财产和生命安全,如果可以在发生洪灾前及时预警。紧急撤离当地居民,则能够降低洪灾的危害,避免造成社会动荡和居民伤亡。随着科学技术的发展,3S 技术在洪涝灾害预防中获得深入应用,对促进防洪工作的全面开展具有重要价值。例如应用RS 遥感技术,能够对水域的水量变化信息进行动态采集,将数据传输到地面,便于工作人员判断水量变化情况;又例如应用GIS 技术,可以获取水域的相关图片、影像和数据,构建准确的水量变化模型,提前预判可能发现的洪灾,进而制定相关应对方案。随着遥感技术的发展,其在灾区重建中也发挥了关键作用,利用无人机可以对灾区情况进行全面监控,为制定重建计划提供数据辅助。
3.4 在水土保护中的应用
当前,我国广大农村地区普遍存在水土流失问题,不仅对当地生态环境带来负面影响,还阻碍了经济建设进程,水土保护已经成为当地政府和农业部门的重要任务。在开展水土保护中应用3S 技术,能够快速完成数据获取,通过数据分析制定科学的应对方案。水土流失是一个缓慢的过程,应用GIS 技术水土流失数据进行动态采集,通过每天产生的数据建立模型,通过模型分析掌握导致水土流失的原因,为开展防治工作提供帮助。
3.5 在地形测量中的应用
在开展水文与水资源工程中,地形测量属于关键环节,数据的准确性、科学性与工程建设质量密切相关,而在应用3S 技术中,需要整合各个技术的优势,进而缩短测量的周期、保证数据真实。在地形测量中,通过GIS 技术能够对海量的数据进行处理分析,处理过程为:智能化采集、动态储存、集成管理以及综合处理;应用GPS 技术可以快速、实时的提供目标空间信息;应用RS 技术可以快速获得目标地点的数据信息。将3S技术进行整合,能够快速得出目标地形的具体信息,并且生成三维立体图形,实现智能化、实时化以及自动化测量。同时,3S 技术还可以解决以往测量中存在的问题,例如在测量地下平面和地形高程中,通过应用GIS 技术能够快速生成数据,得到高进度的地形图和断面图。
3.6 在断层富水分析中应用
断层是工程建设中较为常见的现状,断层通常是指地区内存在的导水通道,富含大量的水资源,需要对其富水进行科学分析。在应用3S 技术中,首先,需要结合当地的地理信息和地理资料,对断层进行初步判断,重点分析其岩性,不同材料和结构的断层,其透水性能和储水性能存在差异;其次,利用GIS 技术获取其地理信息和水文地质等信息,判断断层岩石的疏松程度,如果结构较为疏松,则富水含量较大,乳沟结构较为紧实,则富水含量较小;最后,应用GPS 技术和GIS 技术,采集和分析断层数据以及岩层结构,将各项数据以图像的方式呈现,能够帮助工作人员更加准确的判断其富水含量。
3.7 在水资源自动监测中的应用
水资源监测属于水资源开发和利用的基础性工作,在自动监测中应用3S 技术,能够节约物力以及人力资源,进而保证监测质量和数据准确。检测单位首先要建设监测信息化平台,将动态获得的数据信息上传到平台上,而获取信息的方式则为3S 技术,例如应用RS 遥感技术,对指定水域的宽度、流速进行动态监测;利用GIS 技术,将数据生成可视化图像,并且实现数据的自动化保存和利用。同时,将GIS 技术和RS 技术充分结合,还能够对水资源的污染情况、水土流失、富营养化以及污染源分布进行监控
3.8 在水文勘测中的应用
在勘测水文地质中,3S 技术也发挥了关键作用,其能够对江河湖泊的具体情况进行探测,获取图形、图像以及数据等相关信息,并且将数据储存到云端。例如利用RS 遥感技术,能够动态收集各项水文地质数据,然后将其传输到地面,利用GIS 技术进行数据建模,使用GPS 技术核对相关位置和数据,确定检验范围。在完成图像建模后,可通过三维立体图形将数据直观展示给使用者,完成水文地质的全面勘测。同时,应用数字化模型,还可以体现勘测目标的体积、面积等数据,进而更好地体现勘测区域的地貌特点和水文特性。
4 在水文与水资源工程中3S 技术的应用关键点
4.1 落实前期准备
在应用3S 技术之前,需要制定科学的应用方案,并且遵守相关法规法律在明确技术方案后,制定RS 遥感飞行的路线。同时,施工单位还要准备好相关人员、设备以及材料,对工程成本、质量、速度以及安全等因素进行综合考虑,为后续的工程建设夯实基础。
4.2 做好组织协调
在3S 技术具体应用中,施工单位需要做好组织协调工作,如果发现工作中存在问题和不足,要及时组织人员解决,并且对原本的技术方案进行妥善修改。同时,在连续作业中还要做好交接工作,规范临时设备的使用行为,确保后续工作的有序和顺利进行。
5 结语
总而言之,随着社会的蓬勃发展,水作为一种重要的资源,在社会生产、居民生活和经济建设中扮演了关键角色,在水文和水资源工程中应用3S 技术,能够显著提升工程质量,实现水资源的科学开发利用,充分满足社会居民的用水需求。因此,相关部门要积极开发和利用3S 技术,扩大其应用范围、提升其应用价值,缓解社会生产与水资源管理的矛盾。