基于GIS的尼洋河流域水資源管理信息系統研究

楊永濤，郭永剛，蘇立彬，汪仕情，吳 悅

(西藏農牧學院，西藏林芝 860000)

西藏自治區水資源豐富，河流湖泊眾多。據統計，全區水資源總量4 482億m3，按全區人口和耕地計算，人均占有水量和畝均占有水量均居全國首位。在西藏境內有河流356條，湖泊總面積約2.38×104km2,約占全國湖泊總面積的30%，是我國湖泊最多的地區[1]。尼洋河是雅魯藏布江左岸的一級支流，它發源于米拉山西側的錯木梁拉，自西向東流經西藏自治區工布江達、林芝和加查三縣，在林芝縣的則們附近匯入雅魯藏布江，流域介于92°10′～94°35′E、29°28′～30°30′N，全長307.5 km，落差2 273 m，平均坡降達7.39%，流域面積1.75萬km2(圖1)。流域內自然條件優越，土地肥沃，氣候溫和，森林和水力資源豐富，經濟發展迅速[2]。但同時也是自然災害頻繁的地區之一[3-4]。

西藏河流湖泊的統計、管理、查詢與檢索依然采用傳統方式管理,十分耗時耗力。地理信息系統(geographic information system簡稱GIS)是用于管理和研究空間數據的技術系統，在計算機軟硬件支持下，它可以對空間數據按地理坐標或空間位置進行采集、管理，并分析各種空間實體及其相互關系；通過對多因素的綜合分析，可以迅速地獲取滿足應用需要的信息，并能以地圖、圖表或數據的形式表示分析的結果；對于解決復雜的水資源分析、規劃與管理問題，提供了一種重要的很有潛力的途徑。目前，在水資源分析、規劃、水資源保護、水環境分析、洪澇災害防治等領域已經得到具體應用并取得較大進展[5-10]。筆者以尼洋河為背景建立基于GIS的水資源管理信息系統，將加強水資源管理、水資源優化配置和節約保護作為解決水資源供需矛盾的根本途徑，為水資源規劃管理提供高效的技術手段。

1 數據庫的構建

1.1數據庫的建立數據的采集與編輯為該信息管理系統的基礎，包括空間地理數據和屬性數據的采集錄入。空間地理數據包含基礎地理數據和水資源空間數據。基礎地理數據主要包括流域內各鄉鎮地區的行政區劃、居民區、道路分布、農耕區、水電站、水文站、氣象站等空間位置信息；水資源空間數據主要包括各干流和支流的空間位置及流域圖。屬性數據主要用于對各空間數據的描述，包括各區域名稱、面積、位置信息等，以及各水電站、水文站、氣象站的監測信息。數據庫建立結構圖如圖2所示。

1.2尼洋河流域數據庫的建立實例尼洋河流域的空間地理數據主要來源于最新發布的西藏地圖集、地理空間數據云公布的全球30 m的數字高程數據以及通過野外實地調查取得的相關空間地理數據。通過將地圖集中的地圖數據掃描成柵格圖像，添加到ArcMap中即可對其進行矢量化，轉化成所需的數字地圖，即shape文件；然后添加相對應的屬性數據，主要包括尼洋河流域中支流的長度、流域面積、水文站信息、高程信息以及水環境狀況等，這樣就建立了尼洋河流域基礎信息數據庫。

以尼洋河流域的兩支流娘曲和克拉曲為例，河流流域圖像矢量化完成后，在屬性表中錄入娘曲和克拉曲長度、流域面積等屬性信息。當需要查看支流的相關信息時，點擊HTML彈出窗，選擇支流即可。如圖3所示，娘曲和克拉曲的相關信息如河流長度、流域面積、所屬岸別、平均比降、多年平均降水深以及多年平均徑流深都清晰展現。同時，在資料齊備的情況下，還可以顯示多年平均氣溫、域內動植物分布情況以及河流水文水質等詳細信息。這些都可大大簡化水資源管理工作量，為水資源綜合規劃提供技術支持。

圖1 尼洋河流域Fig.1 Niyang River Basin

2 尼洋河流域水資源管理信息系統總體結構設計

西藏地區分布有大量的大陸型及海洋型冰川，地形復雜，降雨時空分布極不均勻。受地形、地貌及排水阻滯的影響，極易造成由暴雨引起的洪澇災害。如果大氣運動異常導致長時間、大范圍無降雨或者降水偏少而形成干旱，將直接造成土壤缺水、農田干枯、供水短缺，對農作物及經濟、生產、生活造成巨大影響。同時，受氣候變化影響，西藏境內冰湖擴張速度加快，冰湖潰決導致的泥石流也極大影響了人民群眾的人身及財產安全。

水資源管理信息系統利用已采集錄入的歷史的雨、水、工情信息、社會經濟、生態環境以及歷史洪澇、干旱、冰湖災害等信息，通過人機交互方式在計算機上進行水量預測并進行汛期和旱期及冰湖潰決的模擬分析，輔助水資源決策人員制訂相應的調配方案，并進行分析和評價；同時，可以及時地發布網絡進行數據共享，為區域水資源管理決策提供科學、全面的技術支持。

圖2 數據庫建立結構Fig.2 Structure of database establishment

尼洋河流域水資源管理信息系統主要由信息管理子系統、交互式水量分析預測子系統、交互式水資源調配子系統和防汛抗旱子系統四大部分組成，邏輯結構如圖4所示。各子系統功能如下。

(1)信息管理子系統。主要完成西藏地區數據信息的收集、處理與檢索查詢以及充實和更新地理數據庫，包括基礎空間地理數據、災情數據信息等。在對信息進行管理時，可實現基本的圖形的放大、縮小、移動、量距以及添加、刪除圖層或對其進行編輯、修改等；同時，還可以進行動態預測及動畫效果的展示，從動態方面更形象直觀的表現。對于屬性數據也可以及時更新，添加最新數據，生成圖表加以顯示。

圖3 娘曲和克拉曲兩支流Fig.3 Two affluents of Niangqu and Kelaqu

(2)交互式水量預測子系統。 除包括可用水量和需水量的預測外，還可進行在突發情況如強降雨和干旱時水量的變化預測。以1990—2016年尼洋河流域降水量、地表水量和地下水量以及域內工業、農業及城市用水統計數據為基礎,分別構建可利用水量分析模型和需水量預測模型，并不斷進行分析模型的校正。對于特殊情況如汛期和旱期水量變化情況，建立專用模型。利用模型進行可利用水量的分析預測，最終進行結果的輸出及相應圖表的顯示。

(3)水資源調配子系統。西藏地區河流分布不均且在氣候變化等因素的影響下，土地沙化嚴重。同時，風力侵蝕、水力侵蝕和凍融侵蝕導致的水土流失也日趨嚴重。水資源調配子系統主要用于完成基于實際情況的水資源調配輔助方案的快速制訂，針對不同區域面臨情況做出相應決策。

(4)防汛抗旱子系統。通過對數據庫中歷年發生的洪災和旱災數據資料的查詢整理，制作災情分布圖并進行相關評價。在系統中添加高程信息進行汛期和旱期及冰湖潰決的動態模擬分析，預測受災情況下的人員傷亡情況和經濟損失情況，并輔助決策人員快速制訂相應的補救方案，最大限度地減少損失。

3 尼洋河流域水資源管理信息系統功能結構設計

西藏是山洪、山體滑坡、泥石流等自然災害頻發的地區，因局部暴雨引發的山洪、泥石流以及冰滑坡引發的冰湖潰決等災害日益突出，在此情況下針對西藏地區特點，該水資源管理信息系統主要設計了五大功能，功能結構如圖5所示。通過調用系統各模塊完成水資源開發利用現狀評價、水資源調查評價、水資源需求預測、排險減災方案快速制訂以及完成水資源的合理配置。基于GIS的水資源管理信息系統的建立，在為西藏水資源方面提供技術支持的同時，還可以為災后的緊急響應、經濟損失評估及決策制訂提供一定的幫助，大大提高西藏地區水利信息化水平。

圖4 尼洋河流域水資源管理信息系統總體設計結構Fig.4 Overall design structure of water resources management information system in Niyang River Basin

4 尼洋河流域水資源管理信息系統特點

針對西藏氣候多變、地形復雜多樣、降雨量在時間和空間分布上極不均勻而導致的徑流變化等特點，建立尼洋河流域水資源管理信息系統旨在對西藏河流進行科學合理管控。同時，預測河流演變規律、模擬災害發生時受災狀態以及損失評估等。此外，該系統有以下特點。

(1)可操作性及適用性強。西藏河流湖泊眾多，水源、水量、水質等數據信息龐雜。在該系統中，空間數據的采集、存儲、管理、顯示、分析等功能可以大大簡化科考工作人員的工作量，將相關數據存儲在數據庫中，可隨時進行修改、編輯、刪除等，并隨時更新，操作簡單；其可視化界面清晰簡潔，管理靈活。打開數據庫即可直觀顯示水域位置、流域面積等基本情況，適用于西藏多水區的管理。

(2)可實現實時共享與動態管理。西藏地區近年來發展迅速，但有關基礎設施還不夠完善，對于數據的采集等工作需耗時數天甚至數月，同時數據傳輸也多有不便。在現代通訊網絡條件下，利用網絡進行數據的實時共享已不是難事。隨時隨地掌握動態情況，并隨時更新采集到的數據以及變化，包含尼洋河流域水資源位置信息、水資源分布現狀、水量變化及利用情況等，使遠在北京的工作人員也能夠通過網絡數據系統了解相關情況。

圖5 尼洋河流域水資源管理信息系統功能結構Fig.5 Functional structure of the water resources management information system in the Niyang River Basin

(3)動態可視化分析。由于其獨特的地理位置及環境特征，西藏地區自然災害頻繁。而對于災害發生前及發生后的變化因子及運動軌跡，利用該系統可以通過影像形式進行動態顯示，從而為相關研究提供便利。例如在探究水系中Ca2+、Mg2+等離子的變化情況時，可以從圖中直觀地看出隨著時間的推移在同一河流的不同位置Ca2+、Mg2+的遷移情況，以及水電站的建立對水生態環境的變化影響等。這些都可以為西藏的水資源、水環境保護起到極其重要的作用。

5 結語

西藏水資源的規劃和管理是一項十分耗時耗力且難度較大的工作，數據的采集與整理更是紛繁復雜。更重要的是，沒有科學高效的工具來進行管理、分析和預測，一旦發生水資源調配不均或由天氣導致的干旱或洪澇災害，人員和財產的損失都將是無可估量的。該研究通過建立基于GIS的尼洋河流域水資源管理系統，進行流域的水資源管理與規劃工作，簡化工作量的同時科學有效地管理相關數據并直觀顯示數據成果，為西藏水資源的規劃和管理提供巨大的便利；同時，對于供水需求分析以及水資源險情的預測，也必然會取得現實意義。