GIS在節水領域的應用現狀與發展趨勢分析

朱彤彤，柳一玲，夏 陽

(江蘇慧仁生態科技有限公司，江蘇 揚州 225000)

1 概述

水是影響國家經濟和民生的基礎性自然資源和戰略性經濟資源，同時也是控制生態環境的重要要素。根據2022年《中國水資源公報》顯示，全國用水總量比2021年有所增加，用水效率得到顯著提升，用水結構不斷優化[1]；但我國水資源仍存在地區分布不均衡、供需矛盾、利用效率低以及管理不協調等問題[2]。而節約用水是解決我國水資源短缺問題最根本、最有效的戰略舉措，是保障我國經濟社會可持續發展的必然選擇。

黨中央、國務院高度重視節約用水工作，2014年3月，習近平總書記提出“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水思路，為推動新階段水利高質量發展指明了前進方向，提供了根本遵循。為大力推動全社會節水，全面提升水資源利用效率，國家先后印發了《國家節水行動方案》、《“十四五”節水型社會建設規劃》以及《水利系統節約用水工作要點》等；我國節水已取得顯著成果，萬元GDP用水量和萬元工業增加值用水量均下降20%以上，農田灌溉水有效利用系數顯著提升。然而在農業、工業和城鎮生活節水等領域仍存在水資源利用效率低、節水技術水平低及管理不完善[3-4]等問題。因此，創新節水技術、完善配套管理等有效手段成為進一步推動節水建設的關鍵。

地理信息系統(GIS)是一個用于描繪地球和其他地理要素并突出其特征的信息系統，利用計算機技術和軟件技術，能實現對各種地理空間信息數據的描述、分析、采集和存儲，被廣泛應用于我國自然資源領域[5]。作為一項探索地球地理信息的關鍵技術，GIS具有數據動態監測可視化、空間數據分析、多數據集成等優勢，利用其處理位置信息的能力，可以進行管網設計；其數據分析和預測能力，能夠預測節水潛力、不同作物耗水量，評估城市綠地節水效率、雨水收集量及比較多節水情景節水量等[6-7]；同時，它也可配合遙感、無人機航測等技術，結合地質、氣象等多源數據，因地制宜開發水文模型，便于水資源管理控制，在節水領域的應用逐漸受到重視。

然而，GIS技術應用于節水方面還存在一些問題，如信息系統不完善、信息采集局限性及推廣力度小等。因此，梳理節水領域中以GIS為主要創新方法的典型案例，能夠推進數字化、網絡化、智能化等方面的節水工作，加大GIS技術在節水方面的應用力度，以提高水資源管理和保護水平。

2 GIS在節水領域的應用現狀與問題

地理信息是水資源的重要特征之一。GIS是管理空間數據最有效直接的工具，能夠將節水信息標準化、網絡化、空間化，實現對水資源管理系統的定量、定位、可視化管理，合理規劃水資源的使用，進行水環境分析和節水灌溉等，已被廣泛應用于各領域的節水工作中。

2.1 GIS在農業節水的現狀與問題

農業是人類社會的基礎產業之一，對于確保糧食安全和促進經濟發展具有重要意義。農業用水一直是用水需求量最大的產業，2022年農業用水約占我國用水總量的63%[1]。在過去的幾十年里，GIS因其強大的空間分析優勢，已在農業節水中得到廣泛應用。

1) 水資源評估：通過將地理數據與水文數據集成，如利用降雨、水體(RSW)、回流和未計算補給等數據，結合地下水補給模型(GW)，估算當地水資源補給量，可以更好地了解水資源的分布情況和利用效率，為農業節水提供決策支持。包括水資源的空間分布、水量和質量的監測，以及水資源的預測和規劃管理[8-9]。

2) 灌溉系統規劃管理：根據地形、土壤類型、降雨分布和作物需水量等數據，可以確定最佳的灌溉方案，減少水資源的浪費[10-11]。此外，GIS還可以監測灌溉設施的運行情況，及時發現問題并進行調整。土壤類型、土地利用、未來氣候數據和土壤水資源規劃模型(SWAT)，評估2020—2059年水資源分配策略在農用和飲用水短缺之間的潛在沖突。

3) 土壤水分監測與調度：GIS結合傳感器和遙感數據，實現對農田的實時監測和精細管理，如進行耕地水分管理，包括水分監測、土壤濕度分布分析和灌溉調度等，提高灌溉水利用效率，減少水分的浪費[12]。

4) 農田排水系統設計：GIS可通過分析地形、土壤滲水性及降水量等數據，模擬可能的水流流向，監測排水溝和農田地表水和地下水位的變化與天氣和作物條件的關系，進行農田排水系統的設計和優化。優化排水系統，充分利用雨水等非常規水源[13]。

然而，目前我國GIS技術在灌區灌溉體系中的應用只有約62%，傳統的灌溉方式仍然存在[14]，GIS在農業節水中仍存在模型可遷移性差、數據共享難、評估體系不完善等問題，其主要原因為以下幾個方面：

1) 數據質量和準確性：GIS的應用需要依賴大量的數據，包括地理數據、遙感數據、氣象數據等。然而，這些數據的質量和準確性可能存在一定的問題。例如，遙感數據可能受到云層、大氣干擾等因素的影響，導致不準確的水資源分布信息。此外，數據的更新頻率也是一個挑戰，特別是對于動態變化的農田水分狀況和作物需水量等信息。

2) 缺乏標準化和一致性：在農業節水應用中，不同地區和農田之間存在差異，包括土壤類型、氣候條件、作物類型等。然而，目前缺乏統一的標準和一致性的數據格式和分析方法，使得不同地區的農業節水分析和決策結果很難進行比較和共享。模型和結果可遷移性差，這也限制了GIS在農業節水中的應用和推廣。

3) 數據集成和共享：在農業節水應用中，需要整合不同來源的數據，包括地理數據、遙感數據、氣象數據等。然而，目前數據集成和共享的機制還不完善，數據的獲取和整合過程比較復雜。這給農業節水的實際應用帶來了一定困難，也限制了GIS在農業節水中的應用效果。

4) 效果評估和監測：雖然GIS可以幫助農業節水的規劃和決策，但對于實際的效果評估和監測仍然存在一定的挑戰。如何準確評估GIS在農業節水中的貢獻，并監測農田的水分狀況和水資源的利用效率，需要建立合理的評估指標和監測體系。

5) 技術門檻和人力資源：GIS技術的應用需要相關的技術知識和專業的人力資源。然而，目前農業領域中對GIS的理解和應用還相對較低，缺乏專業的GIS人員和農業專家。這導致了GIS在農業節水中的應用受到一定的限制，特別是在農田水分監測、灌溉調度等方面的實際操作。

2.2 GIS在工業節水的應用現狀與問題

工業是立國之本、富國之源，但同時工業是我國用水量的第二大領域，2022年占全國總用水量的16.2%[1]。GIS在工業節水中的應用也得到了廣泛關注，主要集中在利用用水大數據分析預測、管理決策系統的開發利用等幾方面：

1) 水資源科學管理和合理利用：對水資源大數據進行采集、整理，利用GIS強大的空間邏輯分析功能，可為企業提供精確的用水預測、水資源配置和節水技術方案，從而提高水資源利用效率和降低生產成本[15]。

2) 水污染防治和水環境保護：GIS可以利用其空間分析工具，如相關核密度評估模型，對工業廢水、廢氣和廢渣等污染源進行監測和管理，分析工業源水污染排放空間分布格局，幫助企業制定出更加科學合理的污染防治措施，保護水環境和人類健康[16-17]。

3) 移動應用和云平臺：隨著移動設備的普及和云計算技術的成熟，GIS利用C++、Java等計算機語言，開發節水領域的移動應用和云平臺，使決策者可以實時獲取和管理水資源數據，并進行決策分析，提高管理效率和決策水平[18]。

綜上，GIS在工業節水應用中具有不可替代的作用；然而，GIS在工業節水應用中還存在一些不足之處，制約了其充分發揮作用，主要體現在以下幾方面：

1) 數據質量和時效性不足：工業節水需要大量的實時數據支持，如水源、用水設備、用水量、排水量等。然而，很多企業的GIS系統數據不全面、不及時，導致節水措施無法落實到位。同時，受到地理環境、氣候等因素的影響，GIS數據存在更新不及時和準確性的問題，影響了節水效果。

2) 功能不全面：目前，GIS主要用于查詢、分析和展示地理信息，而在工業節水中更需要的是針對具體問題的解決方案和決策支持。然而，很多GIS系統缺乏針對節水的專門功能模塊，無法滿足企業的實際需求。

3) 技術支持不足：GIS技術的應用需要專業的技術人員和設備支持，而很多企業缺乏專業的GIS技術人員，導致GIS系統無法正常運行。同時，GIS設備的價格較高，很多中小企業難以承受，限制了GIS在工業節水中的推廣應用。

2.3 GIS在城鎮節水的應用現狀與問題

城鎮化是現代化進程中不可避免的趨勢，城鎮用水是全球用水量增長較快的領域，2022年我國城市供水占當年用水總量的11.24%[19]。GIS在城鎮節水中的應用主要包括以下幾個方面：

1) 水資源管理與調度：GIS通過對水資源數據的收集和分析，協助政府部門對城市的水資源進行全面管理和調度提供科學的決策支持，包括水資源的預測、供應、調度和需求側管理等，實現水資源的高效利用[20]。

2) 水環境監測與保護：GIS根據河流檢測站點傳輸的實時數據，將多年數據進行橫向和縱向對比，監測城市河流、湖泊、地下水等水環境狀況，及時發現水質異常情況，為水環境保護提供數據支持。同時，GIS還可以幫助建立水環境監測網絡，提高水環境監測的效率和準確性[21]。

3) 水資源規劃與利用：GIS可利用水資源空間信息，進行包括水資源開發、利用、保護和綜合調度等方面的城市水資源規劃，分析提供合理的水資源規劃方案，實現水資源的高效利用[22]。隨著遙感(RS)和地理信息系統(GIS)技術的結合，根據流域的各種物理特征，采用基于GIS的多準則評價技術，綜合考慮潛在徑流、土壤類型、河流順序、沉降和流域面積等空間變化的參數來評估選址，規劃者更容易確定城市最佳蓄水點[23-24]。

4) 防洪減災與水災害防治：根據雨情數據，結合指標體系評估法，綜合考慮多種洪澇災害指標，利用層次分析法完善指標權重的定量分析[25]，結合GIS對洪澇災害風險等級進行評估，為洪澇災害相關部門對洪澇災害的預防與洪澇災害研究提供理論依據[26]，同時根據空間結論，提供準確的洪水預測和洪水調度方案，進行洪水預警、洪水調度、水災害防治等，減少洪水對城市的影響[27]。

5) 城市水資源信息化管理：建立城市水資源信息化管理系統，用于城市水資源信息化管理，包括水資源信息的采集、存儲、分發和利用等方面，提高水資源信息的傳輸效率和利用率，實現水資源的高效管理[28]。

盡管GIS已廣泛應用于城鎮節水領域，但在信息采集、應用實時性、數據共享和更新等方面還存在一些局限性。

1) 信息采集局限性：傳統的GIS技術主要應用于地理空間數據的分析和處理，對于城鎮節水信息的采集和分析還不夠完善。很多城市的供水系統、排水系統、水資源狀況等信息都沒有納入GIS系統，導致節水信息的不完整和不準確。

2) 應用缺乏實時性：GIS技術通常需要事后處理數據，無法實時地反映水資源狀況和變化趨勢。而城市節水工作需要及時掌握水資源變化情況，以便采取有效的應對措施。

3) 數據共享和更新不及時：由于城市間的地理信息數據存在差異，導致GIS系統中的數據不完整、不準確。如果城市間的節水信息不能實現共享和更新，將影響節水工作的效率和成效。

4) 技術門檻和人力資源：由于GIS技術的復雜性，很多地區的技術支持和人才隊伍建設還不夠完善，影響了GIS在城鎮節水應用中的推廣和應用。

綜上所述，GIS在節水領域的應用前景廣闊，可以為用水單位和水利部門提供快速、準確、全面的數據支持和信息管理，有利于提升節水效率，改善水資源的利用和管理，從而推動節水事業的發展和進步。

3 GIS在節水領域的發展趨勢

GIS技術作為一種具有強大信息整合和空間分析功能的工具，其數據采集分析、模型開發、資源管理功能等，已經在農業、工業及城鎮等重點節水領域得到了廣泛應用。但我國大部分地區對GIS在節水的應用管理較為粗放，存在信息采集局限性、應用時效性和功能不全面等問題。未來，GIS應充分利用其優勢，推動節水領域智能化、精細化、定制化、多數據集成化等方向的發展[28-32]。

3.1 GIS在農業節水中的發展趨勢

1) 精細化管理：隨著傳感器技術和遙感技術的不斷進步，GIS可以更精確地監測和分析農田的土壤濕度、作物需水量等信息，實現農田的精細化管理。通過精準的數據采集和分析，農民可以更好地掌握農田的水分狀況，準確制定灌溉計劃，提高水資源利用效率。

2) 多源數據集成：未來GIS在農業節水應用中將會進一步整合多源數據，包括遙感數據、氣象數據、土壤數據等。通過將不同來源的數據進行融合和分析，可以更全面地了解農田的水分狀況和水資源的分布情況，為農業節水提供更準確的決策支持。

3) 數據可視化和智能化決策支持工具：GIS將展現更強大的數據可視化和決策支持功能。將農田水分、作物需水量等數據以地圖可視化形式展示，農民和決策者可以更直觀地了解農田的水分狀況和水資源利用情況。同時，高級的決策支持工具將提供多種決策方案的模擬和評估，幫助農民和決策者制定最佳的農業節水策略。例如，可以基于歷史數據和氣象預報，智能地預測未來的降雨量和作物需水量，并自動調整灌溉方案。

4) 智能化水資源管理：未來將更加注重智能化水資源管理，集成傳感器、物聯網技術和GIS，可以實現對農田水分、灌溉設備狀態以及水資源利用情況的實時監測和控制。智能化的水資源管理系統可以根據實時數據和預測模型，自動調整灌溉方案和水資源分配，提高農業節水的效率。

5) 綜合管理平臺和合作共享：在農業節水應用中，GIS將發展出綜合管理平臺和合作共享機制。通過建立農業節水的綜合管理平臺，農民、決策者、科研機構和相關部門可以共享數據、經驗和最佳實踐，加強合作，共同推動農業節水的發展。綜合管理平臺還將提供農業節水的監測、評估和報告功能，幫助實現農業節水的全面管理和評價。

3.2 GIS在工業節水中的發展趨勢

1) 智能化：隨著大數據和人工智能技術的不斷發展，GIS將更加智能化，能夠對海量的水資源信息進行快速分析和處理，為企業提供更為精準的節水方案，與其他信息技術相結合，實現設備的智能化控制，提高節水效率。

2) 多元化：未來GIS在工業節水應用中將更加多元化，除了地理信息的整合和分析，還可以結合大數據、物聯網等技術，為企業提供更加全面的節水解決方案。此外，GIS還可以與其他行業的信息技術相結合，實現跨領域的數據共享和應用。

3) 定制化：企業對節水方案的個性化需求不斷增加，GIS將更加注重定制化服務，為不同企業提供針對性的節水方案，提高節水效果。

3.3 GIS在城鎮節水中的發展趨勢

1) 促進智慧水務的發展：智慧水務是基于GIS技術，利用物聯網、大數據和人工智能等先進技術手段，實現水資源的智能感知、智能分析、智能調度和智能管理。通過智慧水務，城市可以實現水資源的高效利用和管理，提高城市的防災減災能力。

2) 進一步提高城市水資源管理和調度能力：通過對城市水資源數據的實時監測和分析，GIS將進一步政府部門制定科學的水資源管理政策和調度方案，提高用水效率，減少浪費。

3) 推動城市水環境治理的智能化：城市水環境治理包括河流、湖泊、濕地等水體的保護和修復。GIS通過對城市水環境進行三維可視化展示，監測水質變化，預測水環境風險，為水環境治理提供科學依據。

4) 推動城市水資源管理和利用的國際化：隨著全球化進程的加速，城市之間的合作越來越緊密。未來GIS技術可以實現城市之間的水資源信息共享，提高城市之間的合作水平，推動全球水資源管理和利用的國際化進程。

4 結語

GIS因其數字化、智能化、高效率等優勢得到了廣泛認可，在節水領域的應用不斷擴大。本文結合我國用水量較大的3個領域，對GIS在節水領域的應用現狀、問題和未來發展趨勢進行了探究分析。從農業、工業及城鎮節水3個方面的應用分析中可以看出，GIS在節水領域具有廣闊的應用前景和發展空間。同時，隨著GIS二次開發的不斷發展，智慧節水是今后的發展方向，其應用場景將變得更加豐富多樣，對節水領域的發展將產生深遠的影響。