水文和水資源領(lǐng)域GIS應(yīng)用綜述

張弘剛，王 虹，徐東晶

1. 吉林省第一地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長(zhǎng)春 130033 ；2. 山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/山東科技大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590

1 地理信息系統(tǒng)技術(shù)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS)是指在計(jì)算機(jī)硬件、軟件支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、模擬、分析、顯示和描述的系統(tǒng)。GIS既可以作為一門描述、存儲(chǔ)、分析和輸出空間信息理論和方法的交叉系統(tǒng)，也可以作為一個(gè)處理地理空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)。

2 GIS在水文和水資源領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展及其他技術(shù)（如RS、GPS等）的有力支撐，GIS在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在水文與水資源領(lǐng)域，GIS技術(shù)在空間數(shù)據(jù)管理、分析、處理的優(yōu)勢(shì)在此領(lǐng)域內(nèi)得到了充分的運(yùn)用和發(fā)展。在此主要從以下幾個(gè)方面來綜述水文和水資源領(lǐng)域中GIS的應(yīng)用。

2.1 GIS與水文模擬

GIS和水文模型的集成能提供許多傳統(tǒng)水文模型所無法提供的詳細(xì)的水資源評(píng)價(jià)信息，可最大限度地減少用戶選擇模型參數(shù)的主觀性，可節(jié)省分析時(shí)間，減少研究開支。實(shí)現(xiàn)時(shí)首先通過GIS對(duì)水文數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性等進(jìn)行預(yù)處理，將水文計(jì)算模塊植入GIS系統(tǒng)，最后進(jìn)行模型結(jié)果的后處理，從而完成水文模擬的全過程。

近年來，GIS在水文模擬中得到了廣泛的應(yīng)用，涉及地下水和土壤水模擬、河道演變模擬、水沙數(shù)值模擬、洪水模擬、降雨-徑流分析模型模擬、水污染過程模擬、地下水資源計(jì)算與分析模型、數(shù)值模擬模型和水質(zhì)與生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)模型等諸多方面。如張繼成等借助GIS技術(shù)和FEFLOW建立了研究區(qū)地下水系統(tǒng)概念模型和數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，對(duì)地下水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬與分析[1]，陳煥偉等采用GIS模擬模型對(duì)區(qū)域農(nóng)田土壤水氮行為進(jìn)行了模擬和評(píng)價(jià)[2]，在長(zhǎng)江口南支河道，集成地下數(shù)字高程模型（DEM）和GIS對(duì)河道演變特征進(jìn)行了模擬和分析[3]，梁國亭等開發(fā)的二維水沙數(shù)學(xué)模型模擬可視化系統(tǒng)[4]，柳佳斌等將三維仿真地理信息系統(tǒng)與二維的地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬和系統(tǒng)分析[5]，徐雨清等集成GIS與半干旱地區(qū)多年平均年徑流量與降雨量、地形、植被等關(guān)系模型來計(jì)算集水區(qū)的徑流量[6]，裴相斌等將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）方法和地理信息系統(tǒng)（GIS）方法結(jié)合起來建立了大連灣水污染與控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行了時(shí)空模擬和調(diào)控策略研究[7]，喬曉英等集成GIS與ArcObjects+ODE+VB等應(yīng)用技術(shù)對(duì)河西走廊黑河中游盆地地下水資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)與潛力分析[8]，姚煥玫等將環(huán)境模型與GIS相結(jié)合，建立了環(huán)境綜合評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)[9]等。

2.2 GIS與水資源管理和監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

2.2.1 GIS與水資源管理信息系統(tǒng)

水資源管理信息系統(tǒng)（WRMIS）是緊密結(jié)合水資源空間與屬性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建起來的用于水資源規(guī)劃與管理的一種信息系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水資源信息的查詢檢索、綜合分析、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)、信息輸出等功能。另外，水資源優(yōu)化管理信息系統(tǒng)的開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)圖形和屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢，使水資源數(shù)據(jù)管理走向更加系統(tǒng)、科學(xué)的道路。下面將綜述GIS在水資源管理信息的各方面應(yīng)用。

（1）流域水資源管理系統(tǒng) 在水資源管理方面較為著名的有美國田納西流域的水資源管理系統(tǒng)[10]，通過對(duì)各種水資源數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、預(yù)警預(yù)報(bào)、決策支持、工程自動(dòng)控制等，實(shí)現(xiàn)了流域（區(qū)域）水資源的優(yōu)化配置和實(shí)時(shí)調(diào)度。同時(shí)還與收費(fèi)系統(tǒng)相結(jié)合，做到自動(dòng)收藏。

（2）城市水資源管理系統(tǒng) 系統(tǒng)以GIS為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)城市水資源信息的數(shù)字化，結(jié)合水資源模擬模型和優(yōu)化模型，可模擬水資源決策過程、驗(yàn)證決策方案。第一用在城市供水管理系統(tǒng) ：以汕頭市澄海區(qū)供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)[11]為例，系統(tǒng)集空間與屬性數(shù)據(jù)管理于一體、功能強(qiáng)大的管網(wǎng)應(yīng)用管理系統(tǒng)，它是用于城市管線及附屬設(shè)施管理的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。供水管理信息系統(tǒng)與供水調(diào)度系統(tǒng)建立連接，實(shí)時(shí)進(jìn)行供水綜合調(diào)度。第二用在城市排水管理系統(tǒng) ：以基于MapX大連市排水地理信息系統(tǒng)[12]為例，系統(tǒng)以C環(huán)境集成MapX5.0 控件,采用Microsoft SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，完成了地圖數(shù)字化與空間數(shù)據(jù)庫的建立，實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集錄入和及時(shí)更新功能、綜合查詢功能、統(tǒng)計(jì)和分析等功能，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用提供了圖以紙輸出、表格輸出等功能。

（3）河道堤防管理系統(tǒng) 以汾河河道堤防管理信息系統(tǒng)[13]為例，系統(tǒng)針對(duì)汾河流域河道工程建設(shè)與管理的現(xiàn)狀，基于ArcGIS對(duì)海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)采集、監(jiān)測(cè)、傳輸、科學(xué)分析、決策支持和對(duì)工程進(jìn)行科學(xué)調(diào)度、控制，以確保河道堤防的保護(hù)和合理利用，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)方便了人們查詢相關(guān)的信息，縮短了查詢的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理。

（4）地下水資源管理系統(tǒng) 以銅山縣地下水資源管理信息系統(tǒng)[14]為例，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)非農(nóng)業(yè)取水單位地下水取水工程的定位、水源井信息資料的輸入等，另外，還有陳佩佩等開發(fā)的徐州市巖溶地下水資源信息系統(tǒng)；武強(qiáng)等以MapInfo為平臺(tái)開發(fā)的塔里木盆地地下水資源管理地理信息系統(tǒng)；諸云強(qiáng)、宮輝力等基于組件技術(shù)開發(fā)的北京市地下水資源空間分析系統(tǒng)；魏加華等開發(fā)的北京密云—懷柔—順義地區(qū)地下水地理信息系統(tǒng)[15]。

（5）地下水資源空間分析系統(tǒng) 系統(tǒng)豐富了地下水領(lǐng)域的信息，帶來了數(shù)據(jù)格式、投影方式不統(tǒng)一等方面的問題。它總體構(gòu)成充分考慮了地下水管理工作的實(shí)際需要和地理信息系統(tǒng)本身的功能特點(diǎn),屬于地下水管理部門的辦公服務(wù)系統(tǒng)。在VB環(huán)境下嵌入MO控件，可實(shí)現(xiàn)通用的GIS 功能和專業(yè)應(yīng)用功能,在此基礎(chǔ)上開發(fā)的地下水資源空間分析系統(tǒng),可對(duì)地下水資源、水環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理,圖形與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢;可對(duì)任意空間區(qū)域進(jìn)行查詢分析,在此基礎(chǔ)上作出的評(píng)價(jià)，可以為地下水管理、開發(fā)提供科學(xué)的決策依據(jù)。

（6）地表水環(huán)境信息管理系統(tǒng) 以沈陽市地表水信息管理系統(tǒng)為[16]例，系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫為開發(fā)平臺(tái)，面向環(huán)境管理的、可視化的、動(dòng)態(tài)的信息系統(tǒng)。系統(tǒng)以電子地圖為背景建立沈陽市基礎(chǔ)地理信息基礎(chǔ)庫，可分層顯示，并建立河流、湖泊、水庫污染源、社會(huì)信息空間數(shù)據(jù)庫及地表水體、污染源、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等基本情況表，地表水水體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫,污染源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的更新維護(hù)功能。

（7）水環(huán)境功能區(qū)劃管理信息系統(tǒng) 以寧德市水環(huán)境功能區(qū)劃管理信息系統(tǒng)[17]為例，系統(tǒng)功能主要包括圖形顯示和信息查詢、數(shù)據(jù)庫管理、統(tǒng)計(jì)圖制作、繪制水環(huán)境功能區(qū)劃專題地圖、水環(huán)境功能區(qū)劃信息WEB發(fā)布等功能，是加強(qiáng)水污染防治、統(tǒng)一監(jiān)督管理的需要，也是將來為水環(huán)境管理提供技術(shù)支持的手段。

2.2.2 GIS與水資源管理決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)是以管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、控制論、行為科學(xué)和人工智能為基礎(chǔ)，運(yùn)用信息仿真和計(jì)算手段為基礎(chǔ)，綜合利用現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)庫、信息和模型來輔助決策者或決策分析人員解決結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化問題，甚至非結(jié)構(gòu)化問題的人機(jī)交互系統(tǒng)。下面將GIS在水資源管理決策支持系統(tǒng)各方面的應(yīng)用進(jìn)行概述，并以實(shí)例加以解釋說明。

（1）流域水資源管理決策系統(tǒng) 以基于地理信息系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)的鎮(zhèn)江市水資源管理決策系統(tǒng)[18]為例，系統(tǒng)借助GIS對(duì)水資源進(jìn)行監(jiān)控和管理分析水質(zhì)變化及未來變化趨勢(shì)，監(jiān)控污染源并進(jìn)行輔助分析決策。將水質(zhì)模型、GIS和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）結(jié)合起來，使模型的輸入、運(yùn)行、輸出和分析在一個(gè)統(tǒng)一的界面中完成，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的動(dòng)態(tài)管理與決策。

（2）節(jié)水農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng) 以張掖市甘州區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)[19]為例，系統(tǒng)以GIS與DSS技術(shù)、專業(yè)節(jié)水模型為支撐，建立一個(gè)集數(shù)據(jù)輸入、輸出、管理、分析、決策為一體的集成系統(tǒng)。

（3）防汛抗洪決策系統(tǒng) GIS在防汛抗洪中應(yīng)用廣泛，與流域?yàn)?zāi)害信息管理相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示查詢、統(tǒng)計(jì)和輸出等。①防汛水情信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)技術(shù)在防汛水情信息系統(tǒng)中的應(yīng)用,把水情數(shù)據(jù)庫信息通過矢量圖顯示、汛情統(tǒng)計(jì)分析,使防汛工作的自動(dòng)化進(jìn)程大大提高。②城市防洪決策支持系統(tǒng) 集成洪水預(yù)報(bào)地理信息模型，并利用GIS網(wǎng)絡(luò)分析功能支持模擬蓄洪區(qū)人員的撤退、物資的轉(zhuǎn)移，以選擇最佳撤退路線，最大限度的減少洪水造成的損失。另外，還有區(qū)域性防洪減災(zāi)信息系統(tǒng)，水庫及分洪區(qū)、滯洪區(qū)的自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，險(xiǎn)情自動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)及防洪指揮系統(tǒng)。

（4）地下水決策支持系統(tǒng) 系統(tǒng)提供了與地下水?dāng)?shù)值模擬模型的接口，可為模擬模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行統(tǒng)一的管理，并提供選擇方案的決策支持環(huán)境。比較著名的地下水資源決策支持系統(tǒng)，如C.M.Daene等建立的流域水資源分配決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用GIS和IDSS對(duì)流域水資源進(jìn)行規(guī)劃和管理。

2.2.3 GIS與水資源監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

借助GIS的直觀和理性的可視化功能、巨量空間數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、管理和分析功能以及良好的數(shù)據(jù)維護(hù)和更新功能等，通過分析水資源環(huán)境及其生態(tài)變化背后的各種驅(qū)動(dòng)因子來揭示水資源環(huán)境及其生態(tài)變化響應(yīng)的機(jī)制,從而模擬流域水資源環(huán)境變化及其在不同時(shí)空尺度下的生態(tài)變化響應(yīng)。下面將介紹幾種評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

（1）水資源綜合評(píng)價(jià)信息管理系統(tǒng) 以基于GIS的湖北荊州市水資源綜合評(píng)價(jià)信息管理系統(tǒng)[20]為例，它實(shí)現(xiàn)了水資源綜合評(píng)價(jià)信息的空間定位、查詢和顯示，使水資源評(píng)價(jià)成果更好地為荊州市的水資源規(guī)劃管理工作服務(wù)。

（2）水資源管理與水質(zhì)預(yù)測(cè)系統(tǒng) 以流溪河水資源管理與水質(zhì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)[21]為例，系統(tǒng)將原有零散的水質(zhì)、水文、研究成果整理成數(shù)據(jù)庫由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理，并可實(shí)現(xiàn)水污染事故的水質(zhì)預(yù)測(cè)可視化，運(yùn)用一維、二維水質(zhì)預(yù)測(cè)模型對(duì)突發(fā)水污染事故引起的水質(zhì)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（3）水資源與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)管理信息系統(tǒng) 水資源與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)管理信息系統(tǒng)采用“三庫三系統(tǒng)”的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，以屬性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、基于GIS方式的水資源與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)管理信息系統(tǒng)、基于WebGIS方式的水資源與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)綜合信息查詢系統(tǒng)三種方式面向用戶前臺(tái)。系統(tǒng)集遙感、地理信息系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)技術(shù)的功能于一體，構(gòu)成高度自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和智能化的信息系統(tǒng)。除了上述系統(tǒng)外，還有其他各類水資源監(jiān)測(cè)及水質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。例如國家水利部水利水電研究院開發(fā)的黃河流域水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（HWHS）、趙冬至等建立的海灣陸源污染物總量控制信息系統(tǒng)、美國的Edward Copeland和Brian McCaig開發(fā)的地下水保護(hù)區(qū)的管理信息系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)、水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水土保持管理信息系統(tǒng)、水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)系統(tǒng)、地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)及污染物分析系統(tǒng)、水污染控制信息系統(tǒng)、城市污水處理地理信息系統(tǒng)、礦井水文信息系統(tǒng)等，GIS在水環(huán)境和水污染評(píng)價(jià)中應(yīng)用，還有如武漢大學(xué)姚煥玫采用GIS技術(shù)對(duì)湖泊水質(zhì)污染進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，貝克將GIS制圖方法用于長(zhǎng)春市地下水污染的評(píng)價(jià)，崔寶俠在GIS的基礎(chǔ)上建立了水環(huán)境評(píng)價(jià)決策支持系統(tǒng)，潘世兵進(jìn)行了水資源水環(huán)境模擬模型與GIS相集成的技術(shù)研究等。

3 GIS技術(shù)在水文和水資源領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)

GIS技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)軟件、硬件、元數(shù)據(jù)庫的建設(shè)、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)、遙感(RS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、數(shù)字?jǐn)z影與自動(dòng)成像等技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。GIS在水文與水資源領(lǐng)域發(fā)展不僅僅取決于GIS技術(shù)的發(fā)展，更取決于水文與水資源領(lǐng)域信息化的進(jìn)程，隨著現(xiàn)代化、信息化的水資源領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，GIS將在該領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

GIS將會(huì)走向系統(tǒng)互操作、數(shù)據(jù)多元化、系統(tǒng)模塊化、系統(tǒng)智能化、平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、應(yīng)用社會(huì)化的道路。首先GIS發(fā)散發(fā)展 未來的水資源領(lǐng)域中的地理信息系統(tǒng)將走向三維GIS、四維GIS、時(shí)態(tài)GIS、網(wǎng)絡(luò)GIS、開放GIS，GIS智能化、集成化、高維化并駕齊驅(qū)；其次GIS聯(lián)合發(fā)展GIS與RS、GPS（三者統(tǒng)稱“3S”技術(shù)）及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)的緊密結(jié)合，平臺(tái)聯(lián)合技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步將會(huì)拓GIS在水文與水資源領(lǐng)域的應(yīng)用空間，更好的為人類服務(wù)。

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