GIS在菏澤市水資源管理可視化中應(yīng)用

趙永才

（鄄城縣水務(wù)局，山東 鄄城 274600）

GIS即 Geographic Imformation System，是加拿大著名的測量學(xué)家Roger R Tomlinson提出了的融測量學(xué)、地理學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的新興邊緣科學(xué)，意在計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、人工智能等軟硬件技術(shù)支持下構(gòu)建對地理事象予以信息采集、管理、分析、空間信息可視化、信息發(fā)布的決策系統(tǒng)。

1 GIS在水資源管理中的可視化應(yīng)用

1.1 基于GIS的水文水資源信息管理

GIS不僅能夠管理屬性信息，還能夠編輯、管理、處理、維護(hù)空間信息，這是GIS區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。GIS的信息管理這項(xiàng)基本功能應(yīng)用于水文水資源管理中，可實(shí)現(xiàn)對水文信息以及以水文信息為載體的相關(guān)信息進(jìn)行查詢、檢索、特殊處理，從而達(dá)到對目標(biāo)信息進(jìn)行匯總整理、屬性描述、分析決策的功能。按照信息化處理流程，主要包含3個(gè)方面：1）信息獲取。水文水資源離散信息中針對天然水的有地理位置、形狀、數(shù)量、范圍、時(shí)間等信息，如某水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)所包含的經(jīng)緯度坐標(biāo)、高程、河段位置、流域范圍、流量大小等數(shù)據(jù)。2）信息管理。水文水資源要素實(shí)體及其屬性信息的編輯是水資源管理的重要內(nèi)容之一，如歷史數(shù)據(jù)的更新均需要對其進(jìn)行重新賦值、要素重構(gòu)、新建拓?fù)潢P(guān)系等。3）信息應(yīng)用。將相關(guān)的目標(biāo)信息予以可視化表達(dá)。

1.2 基于GIS的水文模擬可視化

應(yīng)用GIS水文模擬功能將氣象水文監(jiān)測數(shù)據(jù)作為主要資料予以輸入，輔以數(shù)字地形和數(shù)字高程模型測算徑流過程，從而實(shí)現(xiàn)水文過程模擬。GIS作為地理空間信息可視化集成平臺(tái)，通常沿用其 TOPMODEL、IHDM、SHE、TIN 等子模塊對流域特征進(jìn)行提取。常見的應(yīng)用GIS的水文模擬模型主要有動(dòng)態(tài)分布式降雨徑流模型、分布式流域物理水文模型、作物蒸散量模型、流域生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模型。為說明GIS在水文模擬可視化中的應(yīng)用，以30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在ArcGIS10.2的平臺(tái)上應(yīng)用掩膜分析工具提取鑲嵌好的菏澤市數(shù)字高程模型，然后應(yīng)用Hydrology模塊，提取流域分布。

1.3 基于GIS的水文資源數(shù)據(jù)庫

水文水資源信息數(shù)據(jù)庫是水文信息化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。地理空間實(shí)體具有空間性、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性，GIS系統(tǒng)以特定的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)將地理數(shù)據(jù)予以存儲(chǔ)和建立空間索引，從而形成了空間數(shù)據(jù)庫。水文水資源信息系統(tǒng)中包含多種實(shí)體要素，按照數(shù)據(jù)類型一致的原則將數(shù)據(jù)層予以劃分，從而進(jìn)行分層組織存儲(chǔ)。根據(jù)水文水資源要素類、要素集、對象表、幾何網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上利用ArcCatalog建立Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫。

1.4 基于GIS的水環(huán)境評價(jià)與規(guī)劃

水污染控制是水資源保護(hù)的重要工作，對于排污管網(wǎng)、功能水域的空間分布、承載量等信息可用地圖式信息進(jìn)行管理，以便在環(huán)境建設(shè)、城市規(guī)劃布局中對其加以防范和規(guī)避。在水環(huán)境監(jiān)測方面，可應(yīng)用GIS空間分析、查詢等功能，如對于發(fā)生的電源污染，獲知排放強(qiáng)度、徑流通徑等信息后可應(yīng)用緩沖區(qū)分析、空間插值、SWAT等模塊預(yù)測失控場的分布特征，在此基礎(chǔ)上采取應(yīng)急解決措施。

2 基于GIS的菏澤市水環(huán)境承載力評價(jià)

2.1 數(shù)據(jù)來源

以時(shí)域?yàn)?011—2015年的各指標(biāo)平均值為基礎(chǔ)，以菏澤市縣域?yàn)樵u價(jià)單元。鑒于時(shí)間序列和相關(guān)指標(biāo)需要，從《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012—2016）、《山東統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012—2016）、《菏澤統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012—2016）中提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基本數(shù)據(jù)處理、熵權(quán)計(jì)算在Excel 2016中進(jìn)行，水資源承載力可視化在ArcGIS10.2中進(jìn)行。

2.2 評價(jià)方法與過程

1）構(gòu)建水生態(tài)環(huán)境承載力評價(jià)指標(biāo)體系。將影響水生態(tài)環(huán)境的因素劃分為3個(gè)層次：經(jīng)濟(jì)社會(huì)、水資源然環(huán)境、人類活動(dòng)，指標(biāo)如表1所示。

2）采用熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重，并歸一化正負(fù)指標(biāo)，計(jì)算菏澤市縣域水生態(tài)承載力指數(shù)。

式中

指標(biāo)歸一化方式如下：

正向指標(biāo)：yij=（xij－minxj）/（maxxj－minxj）

負(fù)向指標(biāo)：yij=（maxxj－xij）/（maxxj－minxj）

表1 衡水市生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系

3）水生態(tài)承載力評價(jià)與GIS可視化。單項(xiàng)指標(biāo)表征某一因子對水資源安全的作用程度，運(yùn)用綜合指數(shù)法，將各項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值與指標(biāo)貢獻(xiàn)值加權(quán)求和則能量化反映區(qū)域水資源安全綜合水平。

2.3 可視化結(jié)果

圖1 基于GIS的菏澤市水環(huán)境承載力可視化

如圖1所示，菏澤市以縣域?yàn)閱卧乃鷳B(tài)承載力呈現(xiàn)空間差異。就社會(huì)系統(tǒng)而言，鄆城、定陶、巨野承載力較好，而菏澤市區(qū)最差，其他縣區(qū)居中；就自然環(huán)境系統(tǒng)來講，東明、曹縣的環(huán)境承載力居于較高水平，巨野和成武相對較差；就人為響應(yīng)系統(tǒng)來說，定陶的承載力最差，其次為巨野、成武，再次是市區(qū)、東明、鄆城，最好的是曹縣、單縣和鄄城。綜合來看，菏澤市各縣水生態(tài)承載力依次為菏澤＜成武＜巨野＜定陶＜單縣＜鄄城＜東明＜鄆城＜曹縣。其中市區(qū)水環(huán)境承載力居于最低等級；成武、巨野為第二等級；定陶、鄆城、東明、鄄城屬于第三級；鄆城、曹縣屬于第四級，該結(jié)果可為水環(huán)境保護(hù)、生態(tài)規(guī)劃、水源涵養(yǎng)提供決策依據(jù)。

[1]吳曦.基于Grass GIS水文分析算法并行化研究與實(shí)現(xiàn)[D].南昌大學(xué),2016.

[2]張亮.基于GIS的忻州市水文地質(zhì)空間信息系統(tǒng)研發(fā)[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京）,2014.