流域水文模型和GIS集成技術研究現狀與應用展望

王辰鵬

摘 要：目前，流域式水文模型成為了水文重點關注的熱點，而現在也研發出了一項新技術—GIS集成技術，它是解決跨平臺、跨地域的遠近程數據與系統相互操作的技術手段。本文將該兩項技術結合起來，分析了流域水文模型的研究現狀，并論述了這類模型在GIS集成技術操作下的應用前景。

關鍵詞：流域水文模型；GIS集成技術；技術手段

1 流域水文模型和GIS集成技術的應用前提

流域水文模型，簡單的來說就是通過數學的計算方式去解釋并模擬重現水文循環的過程，通過數學函數對水文模式構造一種數學物理模型。目前水文現象存在許多的問題沒有解決，GIS集成技術能夠對相關的信息進行獲取，存儲和操作等，在一定程度上能解決水文的問題。

2 流域水文模型和GIS集成技術的探討背景

2.1 流域水文模型的概念

這是一個對水文流域進行模擬的數學模型，簡單的來說，就是利用了數學方法對水循環過程進行模擬。與此同時，流域水文模型生成流量過程線以及徑流系列。例如對水文的計算，可以在計算機的輔助下，對徑流進行模擬，從而生成日、月、年流量；水文預報可以進行實時預報，在國內外，其功能是使用最多的。對人類活動產生的影響進行估計也是其中功能之一，可以通過活動變化來適當的改變水文模型。最后它還能對水質的各種因素進行計算，從而對水質進行控制。

2.2 GIS集成技術概述

GIS集成技術擁有強大地空間數據和管理能力，是流域水文模型進行數據管理和處理的重要基礎。所以當把流域水文模型和GIS集成技術結合起來時，流域水文模型的管理就更上了一層樓。但是在目前，將兩者很好的結合起來也是個不小的挑戰，甚至有時候會對資源造成不必要的浪費。流域水文模型的功能其實可以看作是一個服務性的功能，這恰巧跟GIS集成技術的計算服務宗旨相一致。現在就是需要相關研究人員充分利用GIS集成技術的優勢，使流域水文模型更好的發展，從而更好的激發出流域水文模型的應用和管理潛力。

3 流域水文模型和GIS集成技術的發展現狀

3.1 流域水文模型目前發展中的問題

流域水文方面一直是比較復雜的，即使現在科技發展如此先進，但是人們還是不能通過數學物理對其中的每個過程進行嚴格的描述。所以，在目前，很多流域水文模型都是很依賴傳統的經典函數關系描述。但是這樣就會出現水文模型包含的許多參數都沒有具體的物理意義，對所求的數據有了一定的經驗籠統性。

目前，就算流域水文模型與計算機技術發展不可分割，但是計算機系統總是以離散凡是僅從模擬流域徑流的處理。雖然有效的計算方法很重要，但是流域匯流過程是一個連續的過程，即使是在數學模型的模擬下，還是會帶來很多的離散誤差。而且計算機的數字位數總量有限，這必然也會或多或少帶來很多誤差。當誤差很嚴重時，會出現背離物理圖景的計算結果。

3.2 流域水文模擬理論上的發展現狀

目前的水文模型發展算是比較的成熟的，也對一些經典的模型的進行了廣泛的應用，但是很多的特殊地區，還是缺乏了相應的模擬模型。大多數水文模型大多數是根據水文地質的條件來進行的模擬。

例如，大多數巖溶地下水都是通過大氣降水來補給。因此水文模型就會采取灌入性的補給，或者滲入型的補給。但是巖溶地下水的變化比較迅速，而且反應時間也會滯后，所以往往會出現流域水量的峰值時間比真正降水的時候要延后。并且，巖溶地下水的介質有多重性的特點，管道流和裂隙流是并存的。因此，面對巖溶地區如此復雜的水文現象，對目前的水文模型來說，大部分水文模型只能考慮那些地區的滲透和地下徑流的問題。而對巖溶地區的水文規律進行如實的反應目前還是很困難的。

4 流域水文模型和GIS集成技術的結合與應用

4.1 GIS概述

它是通過系統和科學的理論，對相關的地理數據進行綜合的處理和分析。也是為相關的技術人員提供了他們所需的合理并且全面的數據。GIS集成技術在流域水文模型領域主要是對與模型相關的空間數據或優秀成果進行獲取信息，操作和展示，借助GIS集成系統可以提取流域的墊面特征，水系等基本特征，并且進行網格化劃分或者是子流域化的劃分。這樣能使傳統的概念性和流域水文模型融合起來，對流域水文模型的基本數據信息進行分析和管理。

4.2 GIS在流域水文模型方面的應用

在當前的研究成果來看，流域水文模型與GIS集成技術的結合方式主要分為這三種：

4.2.1 GIS集成技術中嵌入水文模型

目前流行的水文流域模型軟件多基于Windows平臺，可視化程度較高。但是，這種方式的集成其空間數據處理分析功能有限，還需要借助其他GIS工具軟件實現大規模數據的輸入和前處理。

4.2.2 流域水文模型中嵌入GIS集成技術

目前流行的部分GIS平臺嵌入了專業應用模塊，方便了用戶直接應用于專門流域的開發。

4.2.3 兩個相互進行嵌套的模式

目前這種模式是通過各種工具軟件，將二者連接起來，開發數據接口程序，通過共享數據庫或數據文件交換的方式進行連接。通過GIS提供的宏語言或二次開發4GL高級語言，將水流數值模擬模型和GIS緊密連接的方式。一般情況下，GIS在后臺運行，但模擬模型可充分利用GIS的空間數據和屬性數據處理功能，并能夠實現水流動態的實時模擬和演示。

在應用上，GIS集成技術主要是對水文流域的空間信息進行有效的管理。在氣候和地理要素空間方面，它們這些氣象地理因素，如氣溫、降水、濕度等，通常都市利用GIS集成技術的空間技術進行觀測的。因此，近來GIS集成系統對多站點的降水數據進行空間技術的內插也引起了流域水文模型的重點關注。

地形也是控制流域水文模型的重要因素之一，所以GIS集成技術為了對其進行更好的分析，設立了以DEM為基礎的數字地形分析。它能夠確定水源單位的水流方向，流域邊界和河網水系以及河流比降等一系列的地質參數。從而能獲得水文流域的空間信息和數字化信息。但是雖然國內外以及做了大量的研究，但是能夠對其流域空間特征信息進行準確獲取，恐怕還需要很大的努力。但是不管怎樣，以DEM為基礎的數字地形分析系統還是在越來越完善的過程中。GIS集成技術還對水文模擬單位進行劃分，并采用了目前較為成熟的FLUEL模式，利用GIS集成技術來進行較為深入的研究，雖然目前與HRU劃分的標準有較大的差異，存在著很多的不確定性，但是隨著FLUEL模式的快速興起，這樣的問題很快就會被解決。

5 結論與展望

流域水文模型一直是我國比較重要的水文處理模式，雖然目前廣泛存在的水文模型絕大多數都仍然處于概念性的狀態，它們具備一定的物理基礎，對模型的適用性也很強，對水文模擬的發展起到了很大的作用。但是隨著各種生態水文，人類活動和氣候等因素的快速變化，水文流域也因此有了很大的變化。因此流域水文模型的問題就缺乏及時的解決方案，希望研究人員能進行進一步的完善。

流域水文模型與GIS集成技術相互嵌套的模式應用最為廣泛。常見的水利設施調度就是在這種模式應用下實現的。不過，如今的水文信息采集傳感器種類較多，生成的文件格式千差萬別。這就導致很多技術相對區域化，不同地區的相關數據文件無法共用。這極大地影響了設施建設和水文模型的發展。所以在流域水文模型與GIS集成技術相結合應用的過程中，開放源代碼，統一技術標準才是刻不容緩、急需解決的問題。

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