GIS 技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用

邢曉宇，田茂，江毛浪

（貴陽市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550000）

GIS（地理信息系統(tǒng)）是綜合管理和分析空間數(shù)據(jù)資料的技術(shù)工具，為科學(xué)研究和管理決策人員提供了在地區(qū)的綜合規(guī)劃、方案優(yōu)選和戰(zhàn)略決策等方面全面可信的地理和空間信息。

近年來，GIS 技術(shù)水平不斷提高，其適用范圍也在逐步拓寬，由于GIS 技術(shù)自身具備解決水資源問題的實(shí)力，對(duì)水資源領(lǐng)域的應(yīng)用條件也逐步完善了起來，其技術(shù)上的拓展也使其在地方水資源計(jì)劃與管理、水情預(yù)測與水文科研中的運(yùn)用變?yōu)榱藢?shí)際。

1 GIS 技術(shù)的概述

GIS 是一種處理、分析、管理和展示地理數(shù)據(jù)的技術(shù)體系。它將地理空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)處理、顯示和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)空間信息的可視化和空間關(guān)系的分析。其特點(diǎn)包括：（1）空間數(shù)據(jù)的組織和管理。GIS 可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)大量的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、管理和存儲(chǔ)，通過空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（SDBMS）、地圖代數(shù)、圖層等方式進(jìn)行組織和管理。（2）建立空間分析和空間關(guān)系。GIS 可以通過空間分析工具、算法和建模技術(shù)，快速、準(zhǔn)確地分析地理空間數(shù)據(jù)，并建立空間關(guān)系，從而得出有關(guān)地理信息的結(jié)論。（3）數(shù)據(jù)的可視化和圖形化。GIS 技術(shù)能夠通過地圖制圖、可視化展示和可交互式顯示等方式，使得數(shù)據(jù)更加直觀和易于理解。（4）多源數(shù)據(jù)的集成和共享。GIS 可以整合多源數(shù)據(jù)，包括地理、遙感、氣象、統(tǒng)計(jì)等各種數(shù)據(jù)源，從而提高數(shù)據(jù)的綜合利用程度。GIS 技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括自然資源管理、城市地理信息管理、農(nóng)業(yè)、氣象、交通、水文等多個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，GIS 技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、測繪學(xué)、遙感技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展。

2 GIS 技術(shù)的優(yōu)勢

GIS技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢：（1）空間分析能力。GIS 技術(shù)可以對(duì)水文水資源的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，例如地形、水文地質(zhì)、水文氣象、水文水質(zhì)等，從而更好地理解地理現(xiàn)象和空間關(guān)系。（2）數(shù)據(jù)整合能力。GIS 技術(shù)可以整合多種不同類型的數(shù)據(jù)，例如地圖、衛(wèi)星影像、傳感器數(shù)據(jù)等，形成更完整的水文水資源信息，為水資源管理和決策提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。（3）數(shù)據(jù)可視化效果好。GIS 技術(shù)可以將水文水資源數(shù)據(jù)以圖表、地圖等形式呈現(xiàn)，使數(shù)據(jù)更加直觀、易于理解和分析。（4）決策支持能力強(qiáng)。GIS 技術(shù)可以用于制定規(guī)劃、管理資源、分析市場等決策過程，為決策者提供科學(xué)依據(jù)，提高決策的準(zhǔn)確性和效率。（5）實(shí)時(shí)更新能力強(qiáng)。GIS 技術(shù)可以隨時(shí)更新水文水資源數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，為水資源管理和保護(hù)提供更及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。（6）可操作性強(qiáng)。GIS 技術(shù)可以進(jìn)行交互式操作和查詢，使用戶更方便、快捷地獲取所需信息，提高數(shù)據(jù)使用的效率和便捷性。（7）可視范圍廣。GIS 技術(shù)可用于多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，例如城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、交通等，具有廣泛的應(yīng)用前景，為水文水資源的管理和保護(hù)提供更多的應(yīng)用途徑和方法。綜上所述，GIS 技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用具有多種優(yōu)勢，為水資源的管理和保護(hù)提供了更強(qiáng)大的技術(shù)支持和保障。

3 GIS 技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 GIS 技術(shù)在水文資源空間管理與決策方面的應(yīng)用

現(xiàn)代科技促進(jìn)GIS 技術(shù)持續(xù)發(fā)展，使得決策支持系統(tǒng)的優(yōu)勢不斷彰顯，這是由GIS、常規(guī)決策技術(shù)進(jìn)行提煉而生成的，并以其作為背景對(duì)應(yīng)用進(jìn)行研究，利用GIS 方法，與我國自然資源特點(diǎn)更加吻合，并將與我國自然災(zāi)害特點(diǎn)相結(jié)合，大力運(yùn)用該項(xiàng)研究，并把支持力量進(jìn)行擴(kuò)大，從而進(jìn)一步地達(dá)到新型決策研究方向。GIS 技術(shù)在水文資源管理的研究和決策領(lǐng)域中的運(yùn)用，主要涉及如下領(lǐng)域：

1.水文資源管理研究和評(píng)價(jià)：GIS 技術(shù)可以用于水文資源的調(diào)查與評(píng)價(jià)，通過獲取和整合水文數(shù)據(jù)，建立水文模型，分析水文特征，并生成各種專題地圖和報(bào)告，幫助決策者全面了解水文資源的現(xiàn)狀和潛在問題。

2.水資源規(guī)劃與管理：GIS 技術(shù)可以用于水資源的規(guī)劃與管理，通過制定水資源管理計(jì)劃，建立水資源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水資源信息的動(dòng)態(tài)更新和管理，以及制定保護(hù)和管理措施，保障水資源的安全與可持續(xù)發(fā)展。

3.水資源分配與利用：GIS 技術(shù)可以用于水資源的分配與利用，通過制定水資源分配方案，分析水資源利用效益，優(yōu)化水資源配置，實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和節(jié)約。

4.水環(huán)境保護(hù)與治理：GIS 技術(shù)可以用于水環(huán)境的保護(hù)與治理，通過分析水環(huán)境污染源和擴(kuò)散規(guī)律，優(yōu)化水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，制定水環(huán)境保護(hù)和治理方案，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境的監(jiān)管和保護(hù)。

5.水災(zāi)防治與應(yīng)急管理：GIS 技術(shù)可以用于水災(zāi)防治與應(yīng)急管理，通過建立水災(zāi)應(yīng)急預(yù)案，利用水文模型進(jìn)行洪水預(yù)測和預(yù)警，制定應(yīng)急響應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)水災(zāi)防治和應(yīng)急管理的科學(xué)決策。

3.2 GIS 技術(shù)在水環(huán)境管理方面的應(yīng)用

經(jīng)過多年研究，我國已經(jīng)成功建立水質(zhì)動(dòng)態(tài)管理信息系統(tǒng)，進(jìn)一步完善各級(jí)水環(huán)境管理質(zhì)量，其中GIS技術(shù)的應(yīng)用不可小覷，尤其應(yīng)用在水環(huán)境管理中的優(yōu)點(diǎn)更為顯著。首先，利用系統(tǒng)中不同模塊科學(xué)合理地調(diào)配、管理水環(huán)境，結(jié)合不同的發(fā)展進(jìn)度，達(dá)到動(dòng)態(tài)增減的目的，從而更好地保證資源平衡性、合理性。其次，通過應(yīng)用GIS 技術(shù)，可以更加準(zhǔn)確地對(duì)不同地域、分布、流向的水環(huán)境情況進(jìn)行判斷，例如上海借助GIS技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)黃浦江流域水量、水質(zhì)的監(jiān)測與預(yù)報(bào)工作，并在國際中得到各界人士的認(rèn)可。再者，GIS 技術(shù)可以用于水環(huán)境污染源的分析與控制，通過分析水環(huán)境污染源和擴(kuò)散規(guī)律，制定水環(huán)境污染源控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境污染源的監(jiān)管和管理。最后，GIS技術(shù)可以用于水環(huán)境擴(kuò)散模擬和預(yù)測，通過建立水環(huán)境擴(kuò)散模型，預(yù)測和分析水環(huán)境的擴(kuò)散規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境污染事件的監(jiān)管和應(yīng)急處置。

3.3 GIS 技術(shù)在水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

空間數(shù)據(jù)采集和管理：通過GIS 技術(shù)可以對(duì)水管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理和管理，包括水管網(wǎng)的位置、長度、直徑、材質(zhì)等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)水管網(wǎng)的全面掌控。首先，空間分析和決策支持。GIS 技術(shù)可以對(duì)水管網(wǎng)進(jìn)行空間分析，如水管網(wǎng)的覆蓋范圍、管道的連接情況、水壓分布等，為水管網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和維護(hù)提供決策支持。其次，數(shù)據(jù)可視化和展示。GIS 技術(shù)可以將水管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)以地圖形式展示出來，使得水管網(wǎng)的信息更加直觀、清晰，方便用戶進(jìn)行查詢和分析。再者，管理和維護(hù)。通過GIS 技術(shù)可以對(duì)水管網(wǎng)進(jìn)行管理和維護(hù)，包括管道的檢修、更換、維護(hù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水管網(wǎng)的及時(shí)監(jiān)控和維護(hù)。最后，應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)害管理。GIS 技術(shù)可以對(duì)水管網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)害管理，如水管爆裂、漏水等情況的處理，及時(shí)采取措施，保障水管網(wǎng)的正常運(yùn)行。GIS 技術(shù)在水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用可以提高水管網(wǎng)的管理效率和水質(zhì)安全性，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持[1]。

3.4 GIS 技術(shù)在水文情報(bào)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

GIS 信息技術(shù)在水文情報(bào)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的運(yùn)用大致可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）地形分析。GIS 技術(shù)可以對(duì)地形進(jìn)行分析，包括地形高程、坡度、坡向等，這些信息對(duì)于水文情報(bào)預(yù)報(bào)非常重要。通過地形分析，可以確定水文過程中的水流方向、水流速度等信息，從而更好地預(yù)測洪水、干旱等水文事件。（2）水文數(shù)據(jù)管理。GIS 技術(shù)可以對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括水位、流量、降雨等數(shù)據(jù)。通過GIS 技術(shù)，可以將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，方便水文情報(bào)預(yù)報(bào)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策。（3）水文模型建立。GIS 技術(shù)可以用于建立水文模型，通過模擬水文過程，預(yù)測未來的水文情況。水文模型可以用于預(yù)測洪水、干旱等水文事件，為水資源管理和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。（4）空間分析。GIS 技術(shù)可以進(jìn)行空間分析，包括空間插值、空間統(tǒng)計(jì)等。通過空間分析，可以更好地了解水文情況的空間分布特征，為水文情報(bào)預(yù)報(bào)提供更準(zhǔn)確的信息[2]。

3.5 GIS 技術(shù)在水污染控制規(guī)劃方面的應(yīng)用

水污染問題是我國目前存在的社會(huì)難題，也是當(dāng)前我國水文與水資源行業(yè)較為重視的焦點(diǎn)問題，直接制約了水資源利用。可運(yùn)用GIS 技術(shù)獲取水污染的分布參量與數(shù)據(jù)，通過科學(xué)規(guī)劃方案，使城市污染網(wǎng)絡(luò)的主要功能實(shí)際使用狀態(tài)良好，從根本上有效降低了水域環(huán)境污染，增強(qiáng)了環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)管理功能，并通過合理確定控制的重點(diǎn)區(qū)域，明確定義了水環(huán)境污染對(duì)象范圍，可運(yùn)用GIS 技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)收集整理，從而形成了面向用戶的強(qiáng)大用戶數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以水污染監(jiān)控模式進(jìn)行全區(qū)域環(huán)境水污染問題管理[3]。

3.6 GIS 技術(shù)在防洪減災(zāi)中的應(yīng)用

GIS 技術(shù)在防洪減災(zāi)中有著廣泛的應(yīng)用包括：（1）利用GIS 技術(shù)對(duì)洪水水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，預(yù)測未來可能發(fā)生的洪水狀況；還可以通過數(shù)字高程模型（DEM）和河流地圖，對(duì)洪水泛濫的范圍和深度進(jìn)行模擬和預(yù)測。（2）利用GIS 技術(shù)進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定洪水易發(fā)區(qū)、脆弱區(qū)和重點(diǎn)保護(hù)區(qū)的空間分布；還可以通過GIS 空間分析和決策支持系統(tǒng)，進(jìn)行防洪預(yù)案的優(yōu)化和制定。（3）利用GIS 技術(shù)建立洪水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集洪水監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括雨量、水位等指標(biāo)；并實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水影響范圍的多角度、全方位監(jiān)測。（4）利用GIS 技術(shù)建立應(yīng)急響應(yīng)和應(yīng)急預(yù)案，并將其與地圖集成，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)響應(yīng)，以便有效地控制和減輕洪災(zāi)的損失。（5）利用GIS 技術(shù)整合和共享多種數(shù)據(jù)源，包括氣象、地理、遙感、水文、地形等多種信息數(shù)據(jù)，以便更好地理解洪災(zāi)的成因和趨勢，為決策提供更準(zhǔn)確、全面、科學(xué)的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行災(zāi)情控制的宏觀規(guī)劃，并提升減災(zāi)規(guī)劃質(zhì)量[4]。

3.7 GIS 技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用

進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代以后，由于更大的水土流失問題，引發(fā)了黨和國家以及整個(gè)人民社會(huì)的高度重視，并相繼在全縣重點(diǎn)河道流域?qū)嵤┝艘幌盗械乃燎治g綜合治理項(xiàng)目，并在全國主要防治地區(qū)建立起了水土保持監(jiān)測站網(wǎng)，并憑借遙感技術(shù)（RS）的高周期性和視野更廣闊的優(yōu)勢、比GIS 技術(shù)更強(qiáng)的信息處理和大數(shù)據(jù)分析能力，以及全球衛(wèi)星定位所具有的高精度定位特性統(tǒng)一管理流域內(nèi)水土流失的諸多信息，并通過使用GIS 技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、預(yù)測水土流失、分析生態(tài)環(huán)境效益，進(jìn)而保證所提供決策依據(jù)的可靠性、及時(shí)性。現(xiàn)階段，我國在全國范圍內(nèi)建立了基于GIS 技術(shù)的水土保持管理系統(tǒng)，就比方說：長江流域水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[5]。

4 GIS 技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用發(fā)展趨勢

GIS 技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用已經(jīng)有很長時(shí)間了，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷增加，未來GIS 技術(shù)在水文水資源中的發(fā)展趨勢主要有以下幾點(diǎn)。（1）數(shù)據(jù)共享和集成：數(shù)據(jù)共享和集成是未來GIS 技術(shù)在水文水資源中的重要方向。通過數(shù)據(jù)共享和集成，可以解決數(shù)據(jù)來源不一致、數(shù)據(jù)缺失等問題，提高水文水資源數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。（2）多源數(shù)據(jù)融合：GIS 技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將遙感影像、地面觀測數(shù)據(jù)、模型模擬結(jié)果等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以提高水文水資源數(shù)據(jù)的精度和空間分辨率。（3）智能化分析和決策支持：未來GIS 技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展智能化分析和決策支持技術(shù)，通過人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水文水資源數(shù)據(jù)的更深入、更全面的分析，為決策提供更準(zhǔn)確和可靠的支持。（4）大數(shù)據(jù)和云計(jì)算：隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，未來GIS 技術(shù)將更多地應(yīng)用于水文水資源領(lǐng)域，通過云計(jì)算、分布式計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、共享和處理的高效和智能化。（5）三維可視化：未來GIS 技術(shù)將更多地應(yīng)用于三維可視化技術(shù)，通過三維空間模型對(duì)水文水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，使數(shù)據(jù)更加直觀、易于理解和分析。總之，未來GIS 技術(shù)在水文水資源中的應(yīng)用將更加廣泛和深入，將有助于提高水文水資源數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，為水資源的管理和保護(hù)提供更好的支持和保障[6]。

5 結(jié)語

綜上所述，GIS 技術(shù)是一種新興的計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)，目前在中國水文水資源行業(yè)都已受到廣泛應(yīng)用。GIS 方法管理、處理、分析的是空間信息的分布數(shù)據(jù)，并且為城市設(shè)計(jì)開發(fā)階段、政府進(jìn)行重大決策過程中的決策，以及自然資源保護(hù)方面提供了比較科學(xué)、直接的依據(jù)，同時(shí)也為水文學(xué)科研究領(lǐng)域的探索提供了必要的輔助作用。