張海廷

(濟(jì)寧市水文局，山東濟(jì)寧272019)

隨著水文水資源領(lǐng)域研究范圍的逐步拓展與研究的深入，對(duì)系統(tǒng)化、科技化、網(wǎng)絡(luò)化的要求不斷提升，利用現(xiàn)今不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助水資源領(lǐng)域的研究，對(duì)于解決新形勢(shì)下水資源短缺問(wèn)題有著極為重要的意義.水文水資源領(lǐng)域的研究工作需要快速、準(zhǔn)確地獲取精確的地理信息、水文信息、空間信息等，以便增強(qiáng)對(duì)水資源時(shí)空分布特性的了解.地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)有關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，為水文水資源領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)做出了重要貢獻(xiàn).GIS是通過(guò)對(duì)空間數(shù)據(jù)的采集、管理、分析與可視化輸出，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)服務(wù)于地理科學(xué)的系統(tǒng).從GIS的構(gòu)成來(lái)看，其核心主要是空間數(shù)據(jù)管理的子系統(tǒng)，這也是它能夠?yàn)榈乩砜茖W(xué)研究提供眾多輔助優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在.子系統(tǒng)由空間數(shù)據(jù)的分析和處理兩部分構(gòu)成.其數(shù)據(jù)來(lái)源包括專題地圖、遙感圖像、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等.GIS的功能主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:一是數(shù)據(jù)信息的采集、提取、分析、管理和輸出，這些數(shù)據(jù)具有典型的空間性和動(dòng)態(tài)性;二是區(qū)域空間分析、多要素綜合以及動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力，尤其是地理科學(xué)的融入，地學(xué)模型的應(yīng)用更顯優(yōu)勢(shì);三是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、遙感技術(shù)參與數(shù)據(jù)編輯和管理，數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用性和可靠性大幅度提升，成為重要的決策參考依據(jù).

目前，GIS技術(shù)正不斷地向著集成化和智能化的方向發(fā)展.多功能、高精度、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)的時(shí)態(tài)GIS技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展主流，將為水文水資源的研究提供更多有效的信息和資料.

1 GIS在水文水資源中的應(yīng)用

GIS在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，筆者從以下5個(gè)方面進(jìn)行分析.

1.1 水文情報(bào)預(yù)報(bào)及防洪減災(zāi)

GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)整合能力為水文情報(bào)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了很多方便，應(yīng)用這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)水文信息的提取、整合與編輯，這對(duì)于后期的水文預(yù)報(bào)有著重要作用.GIS技術(shù)能夠更好地確定模型參數(shù)，提升參與數(shù)據(jù)和模型設(shè)計(jì)的精確度，加速水文模型的高質(zhì)量開(kāi)發(fā).特別是數(shù)字高程模型的應(yīng)用，能夠融合水力學(xué)模型，更加客觀而高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)水文信息的監(jiān)測(cè).GIS技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為水文情報(bào)預(yù)報(bào)提供了重要的輔助資料，對(duì)加速各方面技術(shù)的研究都有著良性影響.GIS承擔(dān)著眾多骨干河道、大中型水庫(kù)的洪水預(yù)報(bào)方案編制和洪水作業(yè)預(yù)報(bào)，在應(yīng)用過(guò)程中取得了很好的效果.憑借水文水資源地理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)濟(jì)寧水情分中心和水文站點(diǎn)順利完成建設(shè)，并且成功編制了一套濟(jì)寧市雨量等值線圖軟件，完成了濟(jì)寧市中小河流治理水文站點(diǎn)布設(shè)及數(shù)據(jù)庫(kù)整合，完成了水情交換系統(tǒng)安裝調(diào)試工作，結(jié)束了原傳輸系統(tǒng)近10年的使用.

GIS技術(shù)目前在防洪減災(zāi)決策中的應(yīng)用主要集中在4個(gè)方面:管理平臺(tái)、災(zāi)情評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)分析與區(qū)劃和城市防洪.首先是防洪信息管理系統(tǒng)構(gòu)建下的決策支持平臺(tái)可以更好地完成時(shí)間、空間數(shù)據(jù)的管理，從搜集、查詢、檢索、更新和維護(hù)等方面加強(qiáng)對(duì)信息資源的整合與應(yīng)用，利用GIS的空間分析能力為防洪決策提供可靠的信息輔助支持，為各類應(yīng)用模型提供數(shù)據(jù)、優(yōu)化參數(shù)，從而做到準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和表達(dá)，可以說(shuō)是決策方案可視化的一種表現(xiàn).

在災(zāi)情評(píng)估環(huán)節(jié)，主要發(fā)揮GIS對(duì)基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)的管理優(yōu)勢(shì).其將空間數(shù)據(jù)和各種屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次整合、管理，在此基礎(chǔ)上對(duì)洪水災(zāi)害進(jìn)行演進(jìn)，從而為災(zāi)情數(shù)據(jù)的分析、提取、評(píng)估提供有利的輔助手段.

在評(píng)估完洪水災(zāi)害之后，是對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的分析和區(qū)劃.這種分析和區(qū)劃立足于系統(tǒng)對(duì)各種洪水發(fā)生概率和強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的模擬計(jì)算，對(duì)可能造成的危害和危險(xiǎn)性進(jìn)行分析與損失評(píng)估.這個(gè)過(guò)程需要集合GIS技術(shù)對(duì)自然、地理、社會(huì)因子等諸多因素并附上相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行空間疊加，然后完成分析和區(qū)劃，是一種評(píng)估災(zāi)害損失的有效手段.隨著GIS技術(shù)研究的深入以及多種災(zāi)情模型的構(gòu)建，近年來(lái)，評(píng)估系統(tǒng)所考慮的因素雖在不斷完善，也變得更加全面，但仍然還有更大的研討空間.例如充分利用GIS空間分析的功能，考慮流域上、下游的關(guān)系等.同時(shí)，GIS技術(shù)在數(shù)據(jù)層疊加、多邊形合并、緩沖區(qū)的運(yùn)用方面充分發(fā)揮了作用.

馬鎮(zhèn)等［3］利用GIS開(kāi)發(fā)了哈爾濱市的城市防洪體系，加強(qiáng)了對(duì)防洪警報(bào)、防洪預(yù)案以及洪澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，對(duì)城市的防洪搶險(xiǎn)工作有著積極意義.此系統(tǒng)根據(jù)汛前補(bǔ)充預(yù)報(bào)方案，成功完成了8次南四湖、泗河及各大、中型水庫(kù)的洪水預(yù)報(bào)及洪水展望工作，為防洪、抗洪工作決策的制定與實(shí)施提供了重要依據(jù)與輔助.王志剛等［4］基于以上系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了災(zāi)情評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)不同滯洪區(qū)的災(zāi)情水位進(jìn)行分析，不僅提供了相對(duì)可靠的損失數(shù)據(jù)，同時(shí)也根據(jù)計(jì)算出的滯洪量進(jìn)行了較為科學(xué)的災(zāi)情評(píng)估.

1.2 水文資源空間管理和決策支持系統(tǒng)研究

水文資源的空間管理和決策都要依賴于GIS技術(shù).基于GIS技術(shù)建立的空間數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)的核心，是相關(guān)水文決策必須考慮的重要參考數(shù)據(jù).只有在這些精準(zhǔn)數(shù)據(jù)上進(jìn)行決策，才能更好、更全面地做出科學(xué)而正確的決策.

建立具有水文水資源特色的數(shù)據(jù)庫(kù)，不止是為了更好地實(shí)現(xiàn)當(dāng)前水資源的管理，更重要是根據(jù)水資源分布的時(shí)間和空間變化做出預(yù)測(cè)，建立相關(guān)的決策支持系統(tǒng)，提升水資源的管控能力.近幾年發(fā)展起來(lái)的決策支持系統(tǒng)立足于常規(guī)決策支持系統(tǒng)和GIS技術(shù)，是一種優(yōu)勢(shì)明顯的新型系統(tǒng).但相對(duì)來(lái)說(shuō)，其開(kāi)發(fā)難度較大，需要大量財(cái)政資金支持.就我國(guó)水資源分布狀況與近年來(lái)洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率來(lái)看，加強(qiáng)這種新型決策支持系統(tǒng)的研究和應(yīng)用對(duì)于我國(guó)未來(lái)水資源的管理有著極為重要的意義［7－8］.

1.3 水環(huán)境管理

水環(huán)境管理的目的決定了這項(xiàng)工作相較一般水文管理在空間屬性和層次上的要求更高.GIS技術(shù)的應(yīng)用除了能夠精確體現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境狀況，還能根據(jù)空間及時(shí)間范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)，利用系統(tǒng)內(nèi)的多種信息模塊加強(qiáng)對(duì)水環(huán)境的管理，還能根據(jù)不同水環(huán)境需要適當(dāng)進(jìn)行加減.上海市水環(huán)境管理部門從20世紀(jì)80年代就開(kāi)始研究GIS技術(shù)在水環(huán)境管理中的應(yīng)用，不僅建立了黃浦江流域的水環(huán)境管理系統(tǒng)，還加強(qiáng)了水質(zhì)、水量的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，促進(jìn)了水環(huán)境的高效、優(yōu)質(zhì)管理.此后，國(guó)內(nèi)一些科學(xué)家也根據(jù)這些研究成果建立了水質(zhì)動(dòng)態(tài)管理信息系統(tǒng)，更進(jìn)一步提升了水環(huán)境管理的質(zhì)量［5－7］.

1.4 水污染控制規(guī)劃

水污染作為現(xiàn)今水文水資源領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一，對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用有著巨大的消極影響.區(qū)域環(huán)境規(guī)劃過(guò)程中如何做好水污染的控制，將會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境規(guī)劃目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量和效率.因此，利用GIS技術(shù)做好水污染的控制規(guī)劃具有重要意義.

水污染控制規(guī)劃方案要做好各功能區(qū)域水資源的分布設(shè)計(jì).根據(jù)污染源的種類及分布，利用圖的可視化形式做好分布方位與范圍的設(shè)計(jì)，確保城市的排污網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)揮最大的排污效果，減少水污染在區(qū)域環(huán)境范圍內(nèi)的影響.具體流程如下:首先確定水污染控制規(guī)劃的對(duì)象，建立水污染控制規(guī)劃的數(shù)據(jù)包以及規(guī)劃模型庫(kù);然后分別利用數(shù)據(jù)庫(kù)及管理信息系統(tǒng)，建立面向用戶的信息系統(tǒng)，根據(jù)用戶所需要的數(shù)據(jù)、圖表等信息完善水污染控制規(guī)劃模型;最終完成區(qū)域環(huán)境內(nèi)水污染的控制.美國(guó)水利科學(xué)家德博瑞就利用這種污染控制系統(tǒng)成功地計(jì)算了美國(guó)多個(gè)河流周邊流域的污染值，更好地實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)的監(jiān)測(cè)與污染的控制，在非點(diǎn)源污染控制上又上了一個(gè)層次［1］.

1.5 給水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)研究

利用GIS技術(shù)對(duì)給水工程中的管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)主要有3種形式:獨(dú)立開(kāi)發(fā)、集成二次開(kāi)發(fā)以及單純二次開(kāi)發(fā).獨(dú)立開(kāi)發(fā)較為簡(jiǎn)單，在應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中完全不依賴GIS技術(shù).集成二次開(kāi)發(fā)就需要多方面應(yīng)用GIS技術(shù)的功能進(jìn)行通用編程軟件開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須依賴GIS技術(shù)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化工具的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，是難度最高的應(yīng)用開(kāi)發(fā)形式.單純二次開(kāi)發(fā)主要是對(duì)GIS技術(shù)的借用，在開(kāi)發(fā)難度上略低于集成二次開(kāi)發(fā).利用GIS技術(shù)進(jìn)行集成二次開(kāi)發(fā)，能夠優(yōu)化相關(guān)信息的提取、采集與編輯，提升水利計(jì)算的能力，優(yōu)化選泵點(diǎn)等，這些積極因素都將為給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供強(qiáng)大的支持，從而設(shè)計(jì)出更合理的管網(wǎng)建設(shè)方案.美國(guó)科羅拉多州利用GIS技術(shù)完成了科羅拉多河的決策支持系統(tǒng)，給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)較之前更加科學(xué)，為灌溉區(qū)域的水資源應(yīng)用和管理帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［2］.

2 GIS在水文水資源中的應(yīng)用展望

GIS應(yīng)用與開(kāi)發(fā)一直是一個(gè)不斷發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程.GIS的應(yīng)用提升了水資源的信息管理水平，對(duì)于當(dāng)前水文水資源的研究和利用起到了積極的促進(jìn)作用.但當(dāng)前GIS應(yīng)用與開(kāi)發(fā)中仍存在著諸多問(wèn)題，如水流運(yùn)動(dòng)、水質(zhì)的時(shí)間序列以及周圍空間環(huán)境的數(shù)據(jù)耦合仍需加強(qiáng)研究，不同開(kāi)發(fā)單位之間水文數(shù)據(jù)組織和設(shè)計(jì)方式的差異為互動(dòng)操作增加了難度，不利于大范圍的水資源數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建等［16－17］.如何在GIS應(yīng)用與開(kāi)發(fā)過(guò)程中更好地切合實(shí)際需求，并充分發(fā)揮GIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)需要努力攻關(guān)的課題.筆者認(rèn)為可從以下幾方面加強(qiáng)GIS在水文水資源中的應(yīng)用.

1)加強(qiáng)GIS應(yīng)用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究.實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，GIS的研發(fā)是各部門根據(jù)生產(chǎn)和科研需要獨(dú)立進(jìn)行的.但GIS技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一性，開(kāi)發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)模式呈現(xiàn)多樣化，這種情況對(duì)于開(kāi)展大范圍內(nèi)的水文信息交流、構(gòu)建全面豐富的水文水資源信息管理網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)存在一定弊端.因此，應(yīng)當(dāng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外多個(gè)成功的試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)與需求，通過(guò)擬定統(tǒng)一的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)加強(qiáng)GIS的研究與開(kāi)發(fā)［9］.

2)建立水文水資源地理空間數(shù)據(jù)庫(kù).空間數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)的核心、決策的基礎(chǔ)，因此加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，尤其是具有水文水資源領(lǐng)域特色的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，如雨情和水情數(shù)據(jù)庫(kù)、水旱災(zāi)情數(shù)據(jù)庫(kù)、蓄滯洪區(qū)空間展布式社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)等［10－12］，對(duì)于系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)具有積極意義.這些數(shù)據(jù)庫(kù)不僅包括流域內(nèi)的水文水資源信息，同時(shí)還包括自然資源與社會(huì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)情況等基本數(shù)據(jù)，并且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，保持?jǐn)?shù)據(jù)的高度準(zhǔn)確性、全面性與即時(shí)性.

3)建立水文水資源空間決策支持系統(tǒng).空間決策支持系統(tǒng)是近年來(lái)在常規(guī)決策支持系統(tǒng)和GIS相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型信息系統(tǒng).這種系統(tǒng)雖然應(yīng)用前景廣闊，但是開(kāi)發(fā)難度較大，需要大量的人力、財(cái)力與物力.因此，必須集中財(cái)力保證重點(diǎn)，分步實(shí)施，成熟后再予以推廣.從我國(guó)水文水資源分布情況來(lái)看，建立黃河與長(zhǎng)江的水文水資源空間決策支持系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急，同時(shí)也是進(jìn)行試點(diǎn)的最佳地區(qū)，對(duì)于后期加強(qiáng)全面水資源信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有著極為重要的意義與作用［13－14］.

4)促進(jìn)GIS與水文水資源專業(yè)模型的融合.在目前的一些GIS專業(yè)模型中，雖然大多數(shù)都具備了較強(qiáng)的信息儲(chǔ)存與管理等功能，但是重點(diǎn)仍然是數(shù)據(jù)，在表達(dá)地理空間、分析和決策支持等方面還稍顯不足.因此，需要充分利用GIS系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)管理功能，將現(xiàn)有的各類計(jì)算方法和軟件逐步過(guò)渡到以柵格為計(jì)算空間單元的分布式模型上來(lái)，實(shí)現(xiàn)GIS與水文水資源專業(yè)模型的集成，更好地發(fā)揮系統(tǒng)的功能與優(yōu)勢(shì)［15］.

總的來(lái)說(shuō)，水文水資源領(lǐng)域的深入研究帶動(dòng)了GIS的應(yīng)用和發(fā)展，GIS技術(shù)的應(yīng)用又進(jìn)一步加強(qiáng)了水資源領(lǐng)域的研究力度，二者互相促進(jìn)，不斷提升著水文水資源的管理水準(zhǔn).這對(duì)于當(dāng)前環(huán)境下緩解我國(guó)水資源短缺和水資源污染局面有著重要意義，對(duì)于未來(lái)更好地開(kāi)拓GIS技術(shù)的應(yīng)用前景也起著重要作用.

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