GIS在节水领域的应用现状与发展趋势分析

朱彤彤，柳一玲，夏 阳

(江苏慧仁生态科技有限公司，江苏 扬州 225000)

1 概述

水是影响国家经济和民生的基础性自然资源和战略性经济资源，同时也是控制生态环境的重要要素。根据2022年《中国水资源公报》显示，全国用水总量比2021年有所增加，用水效率得到显著提升，用水结构不断优化[1]；但我国水资源仍存在地区分布不均衡、供需矛盾、利用效率低以及管理不协调等问题[2]。而节约用水是解决我国水资源短缺问题最根本、最有效的战略举措，是保障我国经济社会可持续发展的必然选择。

党中央、国务院高度重视节约用水工作，2014年3月，习近平总书记提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，为推动新阶段水利高质量发展指明了前进方向，提供了根本遵循。为大力推动全社会节水，全面提升水资源利用效率，国家先后印发了《国家节水行动方案》、《“十四五”节水型社会建设规划》以及《水利系统节约用水工作要点》等；我国节水已取得显著成果，万元GDP用水量和万元工业增加值用水量均下降20%以上，农田灌溉水有效利用系数显著提升。然而在农业、工业和城镇生活节水等领域仍存在水资源利用效率低、节水技术水平低及管理不完善[3-4]等问题。因此，创新节水技术、完善配套管理等有效手段成为进一步推动节水建设的关键。

地理信息系统(GIS)是一个用于描绘地球和其他地理要素并突出其特征的信息系统，利用计算机技术和软件技术，能实现对各种地理空间信息数据的描述、分析、采集和存储，被广泛应用于我国自然资源领域[5]。作为一项探索地球地理信息的关键技术，GIS具有数据动态监测可视化、空间数据分析、多数据集成等优势，利用其处理位置信息的能力，可以进行管网设计；其数据分析和预测能力，能够预测节水潜力、不同作物耗水量，评估城市绿地节水效率、雨水收集量及比较多节水情景节水量等[6-7]；同时，它也可配合遥感、无人机航测等技术，结合地质、气象等多源数据，因地制宜开发水文模型，便于水资源管理控制，在节水领域的应用逐渐受到重视。

然而，GIS技术应用于节水方面还存在一些问题，如信息系统不完善、信息采集局限性及推广力度小等。因此，梳理节水领域中以GIS为主要创新方法的典型案例，能够推进数字化、网络化、智能化等方面的节水工作，加大GIS技术在节水方面的应用力度，以提高水资源管理和保护水平。

2 GIS在节水领域的应用现状与问题

地理信息是水资源的重要特征之一。GIS是管理空间数据最有效直接的工具，能够将节水信息标准化、网络化、空间化，实现对水资源管理系统的定量、定位、可视化管理，合理规划水资源的使用，进行水环境分析和节水灌溉等，已被广泛应用于各领域的节水工作中。

2.1 GIS在农业节水的现状与问题

农业是人类社会的基础产业之一，对于确保粮食安全和促进经济发展具有重要意义。农业用水一直是用水需求量最大的产业，2022年农业用水约占我国用水总量的63%[1]。在过去的几十年里，GIS因其强大的空间分析优势，已在农业节水中得到广泛应用。

1) 水资源评估：通过将地理数据与水文数据集成，如利用降雨、水体(RSW)、回流和未计算补给等数据，结合地下水补给模型(GW)，估算当地水资源补给量，可以更好地了解水资源的分布情况和利用效率，为农业节水提供决策支持。包括水资源的空间分布、水量和质量的监测，以及水资源的预测和规划管理[8-9]。

2) 灌溉系统规划管理：根据地形、土壤类型、降雨分布和作物需水量等数据，可以确定最佳的灌溉方案，减少水资源的浪费[10-11]。此外，GIS还可以监测灌溉设施的运行情况，及时发现问题并进行调整。土壤类型、土地利用、未来气候数据和土壤水资源规划模型(SWAT)，评估2020—2059年水资源分配策略在农用和饮用水短缺之间的潜在冲突。

3) 土壤水分监测与调度：GIS结合传感器和遥感数据，实现对农田的实时监测和精细管理，如进行耕地水分管理，包括水分监测、土壤湿度分布分析和灌溉调度等，提高灌溉水利用效率，减少水分的浪费[12]。

4) 农田排水系统设计：GIS可通过分析地形、土壤渗水性及降水量等数据，模拟可能的水流流向，监测排水沟和农田地表水和地下水位的变化与天气和作物条件的关系，进行农田排水系统的设计和优化。优化排水系统，充分利用雨水等非常规水源[13]。

然而，目前我国GIS技术在灌区灌溉体系中的应用只有约62%，传统的灌溉方式仍然存在[14]，GIS在农业节水中仍存在模型可迁移性差、数据共享难、评估体系不完善等问题，其主要原因为以下几个方面：

1) 数据质量和准确性：GIS的应用需要依赖大量的数据，包括地理数据、遥感数据、气象数据等。然而，这些数据的质量和准确性可能存在一定的问题。例如，遥感数据可能受到云层、大气干扰等因素的影响，导致不准确的水资源分布信息。此外，数据的更新频率也是一个挑战，特别是对于动态变化的农田水分状况和作物需水量等信息。

2) 缺乏标准化和一致性：在农业节水应用中，不同地区和农田之间存在差异，包括土壤类型、气候条件、作物类型等。然而，目前缺乏统一的标准和一致性的数据格式和分析方法，使得不同地区的农业节水分析和决策结果很难进行比较和共享。模型和结果可迁移性差，这也限制了GIS在农业节水中的应用和推广。

3) 数据集成和共享：在农业节水应用中，需要整合不同来源的数据，包括地理数据、遥感数据、气象数据等。然而，目前数据集成和共享的机制还不完善，数据的获取和整合过程比较复杂。这给农业节水的实际应用带来了一定困难，也限制了GIS在农业节水中的应用效果。

4) 效果评估和监测：虽然GIS可以帮助农业节水的规划和决策，但对于实际的效果评估和监测仍然存在一定的挑战。如何准确评估GIS在农业节水中的贡献，并监测农田的水分状况和水资源的利用效率，需要建立合理的评估指标和监测体系。

5) 技术门槛和人力资源：GIS技术的应用需要相关的技术知识和专业的人力资源。然而，目前农业领域中对GIS的理解和应用还相对较低，缺乏专业的GIS人员和农业专家。这导致了GIS在农业节水中的应用受到一定的限制，特别是在农田水分监测、灌溉调度等方面的实际操作。

2.2 GIS在工业节水的应用现状与问题

工业是立国之本、富国之源，但同时工业是我国用水量的第二大领域，2022年占全国总用水量的16.2%[1]。GIS在工业节水中的应用也得到了广泛关注，主要集中在利用用水大数据分析预测、管理决策系统的开发利用等几方面：

1) 水资源科学管理和合理利用：对水资源大数据进行采集、整理，利用GIS强大的空间逻辑分析功能，可为企业提供精确的用水预测、水资源配置和节水技术方案，从而提高水资源利用效率和降低生产成本[15]。

2) 水污染防治和水环境保护：GIS可以利用其空间分析工具，如相关核密度评估模型，对工业废水、废气和废渣等污染源进行监测和管理，分析工业源水污染排放空间分布格局，帮助企业制定出更加科学合理的污染防治措施，保护水环境和人类健康[16-17]。

3) 移动应用和云平台：随着移动设备的普及和云计算技术的成熟，GIS利用C++、Java等计算机语言，开发节水领域的移动应用和云平台，使决策者可以实时获取和管理水资源数据，并进行决策分析，提高管理效率和决策水平[18]。

综上，GIS在工业节水应用中具有不可替代的作用；然而，GIS在工业节水应用中还存在一些不足之处，制约了其充分发挥作用，主要体现在以下几方面：

1) 数据质量和时效性不足：工业节水需要大量的实时数据支持，如水源、用水设备、用水量、排水量等。然而，很多企业的GIS系统数据不全面、不及时，导致节水措施无法落实到位。同时，受到地理环境、气候等因素的影响，GIS数据存在更新不及时和准确性的问题，影响了节水效果。

2) 功能不全面：目前，GIS主要用于查询、分析和展示地理信息，而在工业节水中更需要的是针对具体问题的解决方案和决策支持。然而，很多GIS系统缺乏针对节水的专门功能模块，无法满足企业的实际需求。

3) 技术支持不足：GIS技术的应用需要专业的技术人员和设备支持，而很多企业缺乏专业的GIS技术人员，导致GIS系统无法正常运行。同时，GIS设备的价格较高，很多中小企业难以承受，限制了GIS在工业节水中的推广应用。

2.3 GIS在城镇节水的应用现状与问题

城镇化是现代化进程中不可避免的趋势，城镇用水是全球用水量增长较快的领域，2022年我国城市供水占当年用水总量的11.24%[19]。GIS在城镇节水中的应用主要包括以下几个方面：

1) 水资源管理与调度：GIS通过对水资源数据的收集和分析，协助政府部门对城市的水资源进行全面管理和调度提供科学的决策支持，包括水资源的预测、供应、调度和需求侧管理等，实现水资源的高效利用[20]。

2) 水环境监测与保护：GIS根据河流检测站点传输的实时数据，将多年数据进行横向和纵向对比，监测城市河流、湖泊、地下水等水环境状况，及时发现水质异常情况，为水环境保护提供数据支持。同时，GIS还可以帮助建立水环境监测网络，提高水环境监测的效率和准确性[21]。

3) 水资源规划与利用：GIS可利用水资源空间信息，进行包括水资源开发、利用、保护和综合调度等方面的城市水资源规划，分析提供合理的水资源规划方案，实现水资源的高效利用[22]。随着遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术的结合，根据流域的各种物理特征，采用基于GIS的多准则评价技术，综合考虑潜在径流、土壤类型、河流顺序、沉降和流域面积等空间变化的参数来评估选址，规划者更容易确定城市最佳蓄水点[23-24]。

4) 防洪减灾与水灾害防治：根据雨情数据，结合指标体系评估法，综合考虑多种洪涝灾害指标，利用层次分析法完善指标权重的定量分析[25]，结合GIS对洪涝灾害风险等级进行评估，为洪涝灾害相关部门对洪涝灾害的预防与洪涝灾害研究提供理论依据[26]，同时根据空间结论，提供准确的洪水预测和洪水调度方案，进行洪水预警、洪水调度、水灾害防治等，减少洪水对城市的影响[27]。

5) 城市水资源信息化管理：建立城市水资源信息化管理系统，用于城市水资源信息化管理，包括水资源信息的采集、存储、分发和利用等方面，提高水资源信息的传输效率和利用率，实现水资源的高效管理[28]。

尽管GIS已广泛应用于城镇节水领域，但在信息采集、应用实时性、数据共享和更新等方面还存在一些局限性。

1) 信息采集局限性：传统的GIS技术主要应用于地理空间数据的分析和处理，对于城镇节水信息的采集和分析还不够完善。很多城市的供水系统、排水系统、水资源状况等信息都没有纳入GIS系统，导致节水信息的不完整和不准确。

2) 应用缺乏实时性：GIS技术通常需要事后处理数据，无法实时地反映水资源状况和变化趋势。而城市节水工作需要及时掌握水资源变化情况，以便采取有效的应对措施。

3) 数据共享和更新不及时：由于城市间的地理信息数据存在差异，导致GIS系统中的数据不完整、不准确。如果城市间的节水信息不能实现共享和更新，将影响节水工作的效率和成效。

4) 技术门槛和人力资源：由于GIS技术的复杂性，很多地区的技术支持和人才队伍建设还不够完善，影响了GIS在城镇节水应用中的推广和应用。

综上所述，GIS在节水领域的应用前景广阔，可以为用水单位和水利部门提供快速、准确、全面的数据支持和信息管理，有利于提升节水效率，改善水资源的利用和管理，从而推动节水事业的发展和进步。

3 GIS在节水领域的发展趋势

GIS技术作为一种具有强大信息整合和空间分析功能的工具，其数据采集分析、模型开发、资源管理功能等，已经在农业、工业及城镇等重点节水领域得到了广泛应用。但我国大部分地区对GIS在节水的应用管理较为粗放，存在信息采集局限性、应用时效性和功能不全面等问题。未来，GIS应充分利用其优势，推动节水领域智能化、精细化、定制化、多数据集成化等方向的发展[28-32]。

3.1 GIS在农业节水中的发展趋势

1) 精细化管理：随着传感器技术和遥感技术的不断进步，GIS可以更精确地监测和分析农田的土壤湿度、作物需水量等信息，实现农田的精细化管理。通过精准的数据采集和分析，农民可以更好地掌握农田的水分状况，准确制定灌溉计划，提高水资源利用效率。

2) 多源数据集成：未来GIS在农业节水应用中将会进一步整合多源数据，包括遥感数据、气象数据、土壤数据等。通过将不同来源的数据进行融合和分析，可以更全面地了解农田的水分状况和水资源的分布情况，为农业节水提供更准确的决策支持。

3) 数据可视化和智能化决策支持工具：GIS将展现更强大的数据可视化和决策支持功能。将农田水分、作物需水量等数据以地图可视化形式展示，农民和决策者可以更直观地了解农田的水分状况和水资源利用情况。同时，高级的决策支持工具将提供多种决策方案的模拟和评估，帮助农民和决策者制定最佳的农业节水策略。例如，可以基于历史数据和气象预报，智能地预测未来的降雨量和作物需水量，并自动调整灌溉方案。

4) 智能化水资源管理：未来将更加注重智能化水资源管理，集成传感器、物联网技术和GIS，可以实现对农田水分、灌溉设备状态以及水资源利用情况的实时监测和控制。智能化的水资源管理系统可以根据实时数据和预测模型，自动调整灌溉方案和水资源分配，提高农业节水的效率。

5) 综合管理平台和合作共享：在农业节水应用中，GIS将发展出综合管理平台和合作共享机制。通过建立农业节水的综合管理平台，农民、决策者、科研机构和相关部门可以共享数据、经验和最佳实践，加强合作，共同推动农业节水的发展。综合管理平台还将提供农业节水的监测、评估和报告功能，帮助实现农业节水的全面管理和评价。

3.2 GIS在工业节水中的发展趋势

1) 智能化：随着大数据和人工智能技术的不断发展，GIS将更加智能化，能够对海量的水资源信息进行快速分析和处理，为企业提供更为精准的节水方案，与其他信息技术相结合，实现设备的智能化控制，提高节水效率。

2) 多元化：未来GIS在工业节水应用中将更加多元化，除了地理信息的整合和分析，还可以结合大数据、物联网等技术，为企业提供更加全面的节水解决方案。此外，GIS还可以与其他行业的信息技术相结合，实现跨领域的数据共享和应用。

3) 定制化：企业对节水方案的个性化需求不断增加，GIS将更加注重定制化服务，为不同企业提供针对性的节水方案，提高节水效果。

3.3 GIS在城镇节水中的发展趋势

1) 促进智慧水务的发展：智慧水务是基于GIS技术，利用物联网、大数据和人工智能等先进技术手段，实现水资源的智能感知、智能分析、智能调度和智能管理。通过智慧水务，城市可以实现水资源的高效利用和管理，提高城市的防灾减灾能力。

2) 进一步提高城市水资源管理和调度能力：通过对城市水资源数据的实时监测和分析，GIS将进一步政府部门制定科学的水资源管理政策和调度方案，提高用水效率，减少浪费。

3) 推动城市水环境治理的智能化：城市水环境治理包括河流、湖泊、湿地等水体的保护和修复。GIS通过对城市水环境进行三维可视化展示，监测水质变化，预测水环境风险，为水环境治理提供科学依据。

4) 推动城市水资源管理和利用的国际化：随着全球化进程的加速，城市之间的合作越来越紧密。未来GIS技术可以实现城市之间的水资源信息共享，提高城市之间的合作水平，推动全球水资源管理和利用的国际化进程。

4 结语

GIS因其数字化、智能化、高效率等优势得到了广泛认可，在节水领域的应用不断扩大。本文结合我国用水量较大的3个领域，对GIS在节水领域的应用现状、问题和未来发展趋势进行了探究分析。从农业、工业及城镇节水3个方面的应用分析中可以看出，GIS在节水领域具有广阔的应用前景和发展空间。同时，随着GIS二次开发的不断发展，智慧节水是今后的发展方向，其应用场景将变得更加丰富多样，对节水领域的发展将产生深远的影响。