淺談地理信息系統在水文水資源領域的應用

姜輝 薛鵬林 王志華

（1.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.河南省煤田地質局物探測量隊，河南 鄭州 450000）

1 引言

地理信息系統（Geographic Information System，以下簡稱GIS）是一門包括地理學、地圖制圖學、計算機科學、遙感科學和信息科學等的綜合性系統，主要實現對空間地理信息的數據采集、管理、分析和地圖可視化輸出等功能。

GIS技術的功能還體現在數據提取、轉換和編輯，數據集成，數據重構和轉換，查詢和檢索，空間操作和分析，空間顯示和成果輸出等。GIS技術的核心在于對空間數據的管理和分析。空間數據的主要來源有基礎底圖（包括行政區劃、水系、道路、居民地等要素）、專題地圖（等水位線圖、地形地貌圖、水文地質圖、水化學圖等）、遙感圖像、統計數據及實測數據等。

2 GIS在水文水資源領域的應用特點

2.1 基礎電子地圖

基礎GIS地圖所需基礎數據采用1∶25萬，或其他比例尺國家基礎電子地圖系統數據，包括行政區劃邊界、城鎮、居民點、江河湖泊、水庫、鐵路、公路等信息，覆蓋范圍廣。

2.2 專題電子地圖

在GIS軟件中，將水文水資源專題數字地理數據與基礎電子地圖疊加，建立水文水資源專題GIS地圖。專題圖對水文水資源信息的描述更為具體和實用，包含的信息更為專業，如流域分區邊界（水資源分區）、水體功能區、各類水利工程的分布、各類水文測站和水質測站的分布等信息。

2.3 遙感信息庫

遙感信息庫是與基礎地理數據相匹配的經過解譯后所得到的遙感遙測數據。根據遙感影像可對研究區域進行水體信息解譯，監測區域水文水資源特征信息，通過不同時期同一區域遙感影像對比，監測區域內水文水資源特征變化。

2.4 屬性數據庫

GIS屬性數據庫是對空間數據的描述，是GIS的基礎數據庫，如分區內社會經濟狀況、地表水資源與地下水資源狀況、水資源開發利用狀況、水環境狀況、水利工程參數及狀況、流域內土地利用狀況等。

2.5 軟件系統

軟件系統是在基礎GIS地圖、專題GIS地圖、遙感影像庫、屬性數據庫的基礎上，采用GIS嵌入技術結合水資源管理的需要而開發的水資源管理軟件系統。其功能包括空間數據管理、屬性數據管理，及兩者相結合的信息管理等。

2.6 WebGIS信息查詢

WebGIS信息查詢是為外部用戶而設計的查詢系統，外部用戶可通過互聯網訪問并查詢水資源與生態環境等信息。

3 GIS在水文水資源領域的主要應用

近年來，GIS技術在水文水資源領域的應用取得了快速發展，已成為水文水資源調查、規劃、評價、管理、決策的重要技術手段之一。

3.1 在水文模擬方面的應用

在水文模擬方面，主要是在GIS數字地形模型和數字高程模型的基礎上，監理流域水文信息參數的數字化系統，GIS將提取的流域特征與傳統水文模型相結合，實現對流域水文模型的模擬。水文模型主要有TOPMODEL模型、IHDM模型、SHE模型、不規則三角網格模型等。在大型流域的水文模擬中，不規則三角網格完全分布式模型應用得最為普遍，它只需5%～10%的原始柵格節點數據，就可以充分描述流域地形的水文特征，不規則三角網格模型在某流域的應用效果如圖1所示。

3.2 在防洪方面的應用

近年來，GIS技術在防洪方面的應用日趨廣泛，為進一步提升防洪預測精度提供科學依據。GIS技術在防洪方面的操作流程分為以下幾個方面。

（1）建設管理平臺：建設與完善河、庫等防洪管理平臺、決策平臺，對時間與空間數據進行管理；對平臺數據和功能定期更新維護，提高數據的時效性與分析效率，增強決策的可靠性與有效性，保證預測數據準確、可靠，提高信息管理效果。

（2）洪澇災害評估：制定多層次整合與管理方案，獲取準確的數據信息，結合水利學模型和GIS技術，對洪水風險和強度進行計算，對洪水推進、演化以及淹沒范圍等進行模擬演示，評估危害與損失。建設多類型災害模型，科學分析，提高災害損失的評估質量。

（3）劃分范圍：建設多種災害模型，考慮各類影響因素，劃分災害影響范圍。將GIS數據信息作為依據，制定決策方案，對洪災進行全面監測與評價，及時發現洪災，積極開展搶險。

3.3 在水環境監測和水資源保護中的應用

在水環境監測和區域水資源保護管理和決策方面，GIS技術能夠提供方便快捷、科學有效的解決方案，水環境監測和區域水資源保護方面的管理者可利用GIS相關軟件，結合歷史資料查詢分析轄區內水質變化特點和未來趨勢，并了解相關預案的實施效果，特別是當污染事故發生時，借助GIS能迅速模擬預測污染物未來的時空分布特征以及發展趨勢，為管理者迅速制定決策，采取有效的應急措施提供有力的決策依據[1]。

3.4 在水資源評價中的應用

流域水資源規劃涉及大量地形地貌、氣象水文、土壤植被、生態環境、水旱災害等資料的管理和存儲，在這些信息基礎上進行分析計算、方案決策和規劃結構的景觀描述。GIS在水資源規劃方面可用于對海量空間信息進行管理，搭建水資源規劃支持系統的基礎平臺，使得水資源規劃建立在數字化流域框架基礎上，從而為水資源管理和滾動規劃提供信息支撐。

常規的水資源評價方法往往只注重對區域內水資源總量及其利用的數量進行評價，而無法對區域內水資源的空間分布進行直觀展示。特別是在水資源短缺地區、空間分布不均衡的狀況下，這類評價方法的缺點尤為突出，經常導致水資源分布和利用的空間差異，這種差異往往對區域水資源利用有效性的分析結果以及精度造成直接影響。

而GIS強大的空間數據管理和分析功能，以及在空間信息處理上的獨特優勢，是研究區域水資源及其利用的空間差異的一把利器。利用相關的GIS管理系統及軟件，基于現有的流域自然地理和社會要素繪制基礎底圖，提供流域水資源供需圖、灌溉規劃圖、水污染分布圖、洪水來源以及洪水影響圖等，同時可以完成流域內水資源儲蓄量與分布的關系分析、水資源與人口分布關系分析、水資源與區域社會關系分析、預測信息等地理分布上的查詢和管理，包括單一對象相關信息的查詢，以及剖面顯示、補給和開采模擬等[2]。

此外，GIS還廣泛應用于水文預報、流域雨量計算、地下水勘查、水污染控制、給水管網信息管理系統等方面。

4 結語

GIS的應用促進了水文水資源領域的發展，同時，水文水資源領域對GIS的需求又加快了GIS的更新換代。“數字水利”的提出，工程水利向資源水利、傳統水利向現代水利和可持續發展水利的轉變，都表明，水利信息化是必由之路，GIS與水文水資源緊密結合的應用前景十分廣闊。