基于GIS的長春市水資源可持續管理信息系統

〔摘 要〕按照安全性與開放性并重、領先性與成熟度并重、有效性與易用性并重原則，開發了基于GIS和網絡技術的長春市水資源可持續管理信息系統。系統平臺包括硬件條件、軟件環境、網絡支持和管護人員，數據庫包括基礎數據庫、方法數據庫、模型數據庫、動態數據庫、地圖數據庫和多媒體數據庫，子系統包括系統控制子系統、數據維護子系統、系統管理子系統、信息查詢子系統、動態監測子系統、分析預測子系統和信息發布子系統。系統的應用將使城市水資源管理由經驗管理、定性管理轉向科學管理、定量管理，為建設節水型城市提供決策依據。

〔關鍵詞〕地理信息系統；水資源管理信息系統；可持續發展；長春市

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０８２１．２０１０．１２．０１４

〔中圖分類號〕Ｇ２５０.７４ 〔文獻標識碼〕Ａ 〔文章編號〕１００８－０８２１（２０１０）１２－００５１－０４

Sustainable Water Resource Management Information

System Based on GIS Technology in Changchun CityFang Yan Sun Gang Liu Qian

（School of Life Science，Changchun Normal University，Changchun 130032，China）

〔Ａｂｓｔｒａｃｔ〕According to the principles of both security and openness，both primacy and maturity，both effectiveness and useability，a sustainable water resource management information system based on GIS and web technology in Changchun City.The system platform includes hardware conditions，software environment，web support，and managers.The master databases include basic database，methodology database，model database，dynamic database，map database，and multimedia database.The subsystems include system control subsystem，data maintainance subsystem，system management subsystem，information inquiry subsystem，dynamic monitoring subsystem，analysis prediction subsystem，and information issue subsystem.The application of the system will turn urban water resource management from empirical management，qualitative management to scientific management，quantitative management，provide stategic evidence for construction of water-saving city.

〔Ｋｅｙｗｏｒｄｓ〕GIS;water resource management information system;sustainable development;Changchun City

水是基礎性的自然資源、戰略性的經濟資源。隨著人口的不斷增長、生活水平的日益提高和社會經濟的高速發展，水資源短缺、水污染嚴重已經成為制約可持續發展的瓶頸。由于水資源管理涉及多領域、多學科、多因素，信息量繁雜而龐大，常規管理手段無法奏效，必須利用新方法、新技術進行科學管理、優化配置、合理開發［１］。城市水資源管理信息系統是以計算機、處理器為平臺，以GIS、網絡通信等現代科技為手段，進行城市水資源信息的采集、匯總、分析、計算、模擬、處理、存儲、傳輸與表達，為水資源管理工作提供信息和數據支持，為管理者提供決策依據［２］，通常包括水源管理、需水管理、供水管理、用水管理、業務查詢、水質管理、信息發布、預測分析等內容［３］。建立水資源可持續管理信息系統，可以及時掌握各取水工程的動態，對取水和用水實施有效監測和調控，合理制定取水計劃，有利于加強用水戶的節約用水意識，提高水資源宏觀決策能力，符合水資源統一管理、現代化管理、信息化管理、自動化管理的發展方向［４］，對長春市老工業基地振興和經濟社會可持續發展具有重要意義。

１ 研究區概況

長春市是吉林省省會，是著名的汽車城、電影城、文化城和森林城。地處我國東北松遼平原腹地、東部低山丘陵向西部臺地平原的過度地帶，市區海拔250m～350m之間，地勢平坦開闊，略有起伏。屬大陸性季風氣候，氣溫的年差較大，年平均氣溫4.8℃，最高溫度39.5℃，最低溫度-39.8℃，日照時間2 688hrs。年平均降水量522mm～615mm。春季干燥多風，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長，夏季降水量占全年降水量60%以上，具有四季分明、雨熱同季、干濕適中的氣候特征，為農業生產提供了良好條件。長春市境內有大小河流222條，分屬第二松花江、飲馬河、拉林河3個水系。流域面積在20km2以上的江河有206條，其中流域面積在100km2以上的江河有10條，即：松花江、拉林河、飲馬河、伊通河、新凱河、卡岔河、沐石河、霧開河、雙陽河、小南河。

長春境內地表水資源總量為12.90億m3，占境內水資源總量的47.9%。其中，飲馬河為4.92億m3，占境內水資源總量的38.1%；境內第二松花江干流為2.87億m3，占22.2%；拉林河為3.15億m3，占24.5%；伊通河為1.96億m3，占15.2%。長春境內地下水儲量為14.67億m3，占境內水資源總量的52.1%，可開采量為9.02億m3，占境內水資源總儲量的64.5%。其中，農安縣地下水可開采量為2.67億m3，占長春地下水可開采總量的29.6%；榆樹市為1.93億m3，占21.4%；德惠縣為1.88億m3，占20.8%；九臺市為1.44億m3，占16%；長春郊區為0.84億m3，占9.4%；雙陽縣為0.16億m3，占1.7%；長春城區為0.1億m3，占1.1%。

長春市屬于極度缺水地區，人均水資源量380m3，僅為吉林省人均水資源量的25%和全國人均水資源量的17%，水資源的供需矛盾突出，預測到2010年城鎮年缺水1.6億m3，到2020年城鎮年缺水4億m3，到2030年城鎮年缺水5.71億m3。同時，水資源配置不合理，水資源利用率偏低，尚未實現污水資源化；水資源浪費嚴重，供水主干線材料80%以上由鑄鐵管道組成，管網年久失修，加之節水器具普及率低和人們的節水意識不強，跑、冒、滴、漏現象比較嚴重，供水損失率在30%以上；一些地區過度開采地下水，形成“漏斗”；水體污染嚴重，以有機污染為主；水生態環境惡化，濕地面積減少。另外，水資源管理體系不完善，經濟結構和產業布局對水資源承載能力考慮不夠，一些高耗水、高污染的產業沒有受到水資源承載能力和水環境承載能力的約束；經濟結構調整、經濟增長方式還沒有徹底轉變，排污許可制度還沒有完全建立起來，對飲用水水源保護區內的入河排污口沒有采取有效的措施；促進節約用水的法規體系尚不健全，管理部門之間協調配合不夠，節水資金投入不足，節水設施建設和節水技術推廣力度不夠等。這些問題給工農業生產和人民生活帶來很多困難，已經成為阻礙長春市經濟發展和社會進步的重要限制因素。

２０１０年１２月第３０卷第１２期基于GIS的長春市水資源可持續管理信息系統Ｄｅｃ.，２０１０２ GIS與水資源管理

地理信息系統（GIS）是在計算機軟件、硬件及網絡支持下，運用地理學、信息科學、系統工程學、計算機科學、遙感學、環境科學、城市科學、空間科學、測繪學理論與方法，對有關空間數據及其載體（文字、數據、圖表等）進行預處理、輸入、存儲、查詢、檢索、修改、量測、處理、運算、分析、顯示、輸出、更新和提供應用，并在不同用戶、不同系統、不同地點之間傳輸地理數據的計算機信息系統，能夠為規劃、管理、決策提供服務［５］。GIS是傳統科學與現代技術相結合、科學發展與社會需求相結合的產物。GIS的物理外殼是計算機化的技術系統，操作對象是空間數據和屬性數據，即點、線、面、體等具備三維要素的地理實體。空間數據的最根本特點是每一個數據都按統一的地理坐標進行編碼，實現對其定位、定性和定量的描述，這是GIS區別于其它類型信息系統的根本標志。

由于GIS的技術優勢在于它的數據綜合、模擬與分析評價能力，可以得到常規方法或普通信息系統難以得到的重要信息，實現地理空間過程演化的模擬和預測，因此在水資源勘察、配置、規劃、管理和利用中得到廣泛應用。基于GIS的水資源管理信息系統可以生成所在區域的自然地理和社會要素底圖，并進一步繪制水資源供需圖、水資源規劃圖、水污染分布圖等，分析區域內水資源數量、質量與人口分布的關系、與經濟發展的關系、與社會進步的關系等，預測水資源動態變化趨勢，并以空間分布方式查詢和管理相關信息，為科學管理、保護、開發、規劃水資源提供有力支持［５］。

基于GIS的水資源管理信息系統大大提高管理效率和水平。GIS的圖形數據與屬性數據的相互耦合及圖形運算能力，使得數據輸入、更新維護、檢索查詢、數據分析、結果輸出等操作非常方便，有關數據信息、分析結果、預測結果、決策結果都以圖形體現，直觀性和可視性極強。GIS操作是Windows標準化的，有利于非專業的管理人員直接參與水資源管理的整個過程，根據具體情況和最新數據修訂決策方案。早在20世紀70年代，美國田納西流域管理局就已經利用GIS技術處理和分析各種流域信息，為流域管理和規劃提供決策服務。20世紀80年代后，隨著計算機技術的飛速發展，GIS在水文學及水資源管理領域的運用日漸普及［６］。

３ 系統設計與集成

３.１ 總體規劃

水資源管理信息系統采用以客戶／服務器體系（C/S）結構為主、以瀏覽器／服務器（B/S）結構為輔的總體方案。在Windows NT環境，通過數據庫、GIS、水資源管理專業模型之間的耦合和集成，使其具有用戶權限管理、數據管理、GIS分析、數值計算、實時更新、網絡傳輸、預測預報、成果發布等功能，能在單機或局域網內運行。

３.２ 框架結構

按照安全性與開放性并重、領先性與成熟度并重、有效性與易用性并重原則開發的水資源管理信息系統，是一個由多個模塊和子系統組成、具有多項功能的復雜系統（圖１）。圖１ 基于GIS的長春市水資源管理信息系統框架結構

３.３ 模塊組成

３.３.１ 數據庫模塊

基礎數據庫包括水文、氣象、城市規劃、社會經濟、工程建設、人口、排污數據等，根據時空屬性可分為時間序列數據和空間分布數據。

方法數據庫包括儲存各種標準計算方法的數據庫，包括常規統計分析方法，如平均值、最大值、最小值、方差、正態分布檢驗等，以及回歸分析、聚類分析、模糊數學、灰色預測、主成分分析等方法。

模型數據庫包括與水資源分析、預測、預報有關的數理和化學模型，可以編譯為執行程序（.EXE）或動態連接庫（.DLL），連同模型參數、計算方法、相關說明、中間計算結果、最終計算結果一起存儲于系統中，對系統的性能和表現至關重要。

動態數據庫包括地下水信息、地表水信息、水污染信息、供水信息、需水信息、年度用水計劃信息、工程信息、規劃信息等，要根據實時信息對水資源的動態變化情況及時更新和補充，保證數據庫的時效性和準確性。

地圖數據庫包括圖形數據、空間數據、屬性數據等，如GIS數據、矢量化數據、遙測遙感數據及影像、GPS數據、航拍數據等。

多媒體數據庫包括影像、視頻、圖片、聲音、文字等，涉及政策法規、管理條例、成果展示、國家標準、規劃方案、工程描述等等。

３.３.２ 子系統模塊

系統控制子系統：借助人機對話，管理數據庫之間、子系統之間的集成，驗證用戶身份，保證系統的安全運轉和正常使用，負責系統的數據輸入和結果輸出等。

數據維護子系統：在地理信息系統的支持下，進行數據的維護。

系統管理子系統：包括水資源供需的管理、水環境質量的管理、取水許可管理、水資源繳費管理、文件管理等。

信息查詢子系統：包括水資源、水文、氣象、水污染、經濟社會發展等信息的查詢。

動態監測子系統：包括地下水水位監測、地表水水位監測、地下水水質監測、地表水水質監測、排污監測、地下水取水預警、地表水取水預警等。

分析預測子系統：根據模型計算和仿真模擬結果，進行水資源現狀分析和預測預報，包括生活用水、工業用水、農業用水、林牧副漁業用水、生態用水等，為水資源科學規劃、合理配置和高效利用提供決策支持。

信息發布子系統：包括水資源公報和成果發布，對水資源各種指標及變化情況分析統計，撰寫、編輯水資源公報，把政策法規、地方條例、國家標準、管理成果等通過網絡發布）等［７］。

３.３.３ 計算機模塊

單機模式由基本外設、處理設備和輸出設備構成。局域網模式有專線連接，適用于部門或單位內部GIS建設。廣域網模式由公共通訊連接。

系統軟件關系到GIS和開發語言使用的有效性，是GIS的重要組成部分，主要包括計算機操作系統以及各種標準外設的驅動軟件，目前流行的有DOS、Windows98/NT/2000/XP、UNIX等。基礎軟件包括數據庫軟件和圖形平臺。數據庫軟件用來管理空間數據，包括圖形數據和屬性數據。流行的數據庫軟件主要有Oracle、Sybase、Informix、DB2、SQL Server、Ingress等。目前GIS軟件中主要采用關系數據庫管理屬性數據。圖形平臺有AutoDesk公司開發的基于AutoCAD的AutoMap GIS軟件、Intergraph公司的基于MicroStation的MGE GIS軟件等。

４ 系統特點

４.１ 強大的查詢功能

系統支持海量信息的查詢，包括相關工程（供水工程、蓄水工程、引水工程等）、水質監測、空間遙感、污染排放、水文氣象、經濟增長、社會發展等數據，而且還可以將各個要素的空間屬性疊加起來，獲得綜合分析結果。

４.２ 便于更新和維護

系統具有開放式結構和實時動態的功能，在軟硬件方面保證良好的擴展能力，便于與其它相關系統對接，實現數據共享和融合，完成系統的升級。

４.３ 具有電子地圖功能

水資源管理信息系統與地理信息系統、圖像處理、航空攝影、遙感數據相結合，具有電子地圖功能，與水資源相關的節點均可直觀地得以圖示，包括城市邊界、區縣邊界、各級流域分區邊界、居民生活區、工業區、農業區、公園、綠地、氣象站、水文站、蒸發站、雨量站、排污口、水庫、湖泊、河流、濕地、鐵路、公路、環保監測站、排污口等。

４.４ 標準化設計

水資源管理信息系統的開發和建設，盡量采用標準化方法，包括軟件、數據庫、計算規則、編碼代碼、評價手段、硬件配套、系統集成等。凡是已經頒布了國家、行業標準或條例的，都嚴格執行，尚沒有統一標準或條例的，則采用慣例標準。

４.５ 可視化設計

系統以鏈接屬性數據庫的形式在Windows平臺查詢圖形上各點的相關數據。通過提取某些圖層，增減專題圖件。設計制作用于打印輸出的報告級專題圖件。

４.６ 具有保密功能

用戶使用時，要經過身份認證，系統將檢驗用戶的合法性，如賬號、密碼等。對用戶的使用權限進行分級和授權，不同級別的用戶所能使用的軟件資源和獲得的數據資源不同。數據庫管理員擁有全部權限，開發維護使用人員擁有數據的增、刪、改、查，數據庫備份和恢復等權限，瀏覽訪問用戶只有數據查詢權限。無授權的用戶無法進入該系統。系統對操作軟件進行加密處理，非法用戶無法使用該軟件，如果強行破譯該軟件，系統將自動毀掉［８］。

５ 展 望

我國多個城市已經嘗試了GIS技術在水資源管理領域中的應用，但與國外發達國家相比，還處于初級應用階段，無論是數據采集、存儲、管理和查詢檢索，還是動態監測、空間分析、模型計算、預測預報、信息發布、決策支持功能都還處于較低水平。建立一個功能齊備的水資源管理信息系統需要投入大量的人力、物力和財力，因此在系統的開發過程中應根據實際情況量力而行，建設規模適宜的水資源管理信息系統，并逐步提高應用水平［９］。保證基礎數據庫的可靠性，及時、全面、準確地獲取水文、氣象、水資源、相關自然資源、水污染、社會經濟、環境質量的基本數據并實時更新，加強數據的集成化程度和共享度。進一步研究復合系統的計算方法和模型集成，提高各種系統模型（如監測模型、管理模型、動態模型、規劃模型、污染模型、評價模型等）的預測精準度，建立實用的信息管理系統、專家智能系統和決策支持系統［５］。基于GIS的水資源可持續管理信息系統投入使用后，將會大大改善長春市水資源管理的手段，使水資源行政管理部門能夠借助先進的科學技術更好地履行管理職責，使城市水資源管理由傳統的經驗管理、定性管理轉向現代的科學管理、定量管理，更好地適應信息化發展和社會公眾的要求，為長春市建設節水型城市提供決策依據，促進長春市進一步改善人居環境、增強核心競爭力、實現社會——經濟——環境可持續發展。

參考文獻

［１］袁建平，方正，王暉．地理信息系統在城市水資源管理中的應用［Ｊ］．中國給水排水，2005，21（11）：23-25．

［２］陳鎖忠，常本春，黃家住，等．水資源管理信息系統［Ｍ］．北京：科學出版社，2005．

［３］張錦明，楊文建，薛偉．地理信息系統在北京市水管理中的應用［Ｊ］．北京水利，2003，（2）：26-30．

［４］趙巨偉，孟曉路．基于GIS平臺的遼陽市水資源管理信息系統設計［Ｊ］．吉林水利，2008，（5）：25-26．

［５］王景峰．地理信息系統及在水文水資源方面的應用［Ｊ］．內蒙古農業大學學報，2006，27（1）：144-147．

［６］姜哲，傅春．GIS技術在長春市地下水水質評價中的應用［Ｊ］．地下水，2006，28（6）：34-36．

［７］李云，范子武，徐世凱，等．城市水資源管理信息系統的開發與應用［Ｊ］．中國水利，2003，（6）：73-75．

［８］毛學文，李怡庭，高俊杰．水資源質量信息管理與服務系統設計［Ｊ］．水利技術監督，2003，（4）：34-37．

［９］趙玉霞，趙俊琳．GIS技術及其在區域水環境管理中的應用［Ｊ］．水科學進展，2000，11（3）：340-341．