GIS技术在水资源领域的应用与发展

Posted 2021-02-22

地理信息系统（GIS）是以计算机为基础的综合处理和空间数据分析系统，是集计算机科学、管理科学、信息科学、地学等为一体的新兴边缘研究领域。20世纪70年代，美国田纳西河流域管理局利用GIS技术处理分析各种流域数据，为流域管理和规划提供决策服务，GIS便开始逐渐应用于水文水资源领域。80年代后随着计算机技术的飞速发展，GIS与水文水资源领域也有了广泛结合。
1 ? ?应用进展
1.1 ? ?在水资源评价和规划中应用
　　　水资源评价和规划中涉及大量的空间信息，如行政区划、河流水系、地形地貌、水利工程分布、水文站控制断面位置以及人口、实测水文数据等属性数据，GIS可以支持这些具有明显的时维性数据的获取、管理、分析、模拟及显示。
　　　根据大汶河流域水资源量的形成、多少及分布受地形地貌、植被等下垫面要素和降水量的影响等特点，利用GIS建立了水资源计算与评价模型；探讨了如何将GIS技术应用到淮海流域的水资源综合规划中。此外，近年GIS技术在我国水环境质量评价与规划中也得到了越来越广泛的应用，
　　　在国外，Gupta等早在1977年就实现了将栅格型GIS数据管理工具用于流域规划。随后欧洲一些研究机构也联合开发了具有水文过程模拟、水污染控制、水资源规划等功能的流域规划决策支持系统“WATERWARE”。近年Carlo等在GIS平台上开发了Ag-PIE模型，用于评价由于农业生产造成的地表和地下水水质下降的程度。
1.2 ? ?在区域水资源管理中的应用
　　在GIS基础上建立的水资源管理信息系统，可为水资源管理提供迅速而全面的信息支持。以MapInfo为开发平台，将全国河流水系、水文站网、行政区划和重要城市等地理要素集成为一个整体，建立了全国水文站网管理信息系统，为优化水文站网和提高站网管理水平提供了信息支撑。GIS在灌区水资源管理中也得到了广泛应用，建立了辽宁省农田水利管理信息系统，改善了辽宁省农田水利的管理等。
　　自20世纪70年代美国田纳西河流域管理局利用GIS技术处理和分析各种流域数据，开始为流域管理提供决策服务以来，GIS技术亦广泛应用于国外的水资源管理中。如美国科罗拉多州的一些机构联合开发了科罗拉多河决策支持系统，GIS被用于流域空间的存储、检索、分析和显示，以便于科罗拉多河水资源的管理。在灌区的水资源管理方面，位于美国德克萨斯州Lower Rio Grande Valley的8个灌区较早地开发以GIS为基础的灌区管理系统（DMS）。
1.3 ? ?在防洪减灾中的应用
? ?GIS技术可以作为防汛决策支持系统或信息管理系统的平台，并在此基础上进行灾情评估和洪涝灾害风险分析。我国一些科研部门和流域水管理机构先后将GIS技术应用于防洪决策支持系统和洪水灾情评估系统的开发，部分省份和城市相应建立了基于GIS的城市防洪决策支持系统。此外，基于GIS的洪水演进模拟已在我国许多单位研制成功，技术也相当成熟。
　　　在国外，Davis曾将HEC-1、HEC-2与 GIS结合对洪水、水质和土坡侵蚀进行了模拟，可很好地用于洪灾损失评估。
1.4 ? ?在水环境监测和水资源保护中的应用
? ? GIS技术为水循环监测和区域水资源保护管理和决策提供了方便、直观和科学的工具，管理者可通过资料查询分析水质变化特点和未来趋势并了解方案实施效果，特别是当污染事故发生时借助GIS能迅速模拟预测污染物未来的时空分布特征，从而为迅速采取应急措施提供决策依据。在国内，上海市环境管理部门于20世纪80年代末开始GIS的应用研究，建立了黄浦江流域水环境GIS，该系统具有动态监测显示、水污染过程模拟及取水口水环境管理功能，可对水质做出快速预测分析和预报。此后国内不少学者基于GIS进行水质监测和水资源保护方面的研究，如何进朝等建立了水质动态管理信息系统，实现了水质监测、实时数据处理、水质评价和预测、系统维护等功能；张俐等以GIS数据为基础进行一维恒定流方程组和二维水质模型计算，实现了浓度场在GIS平台上的可视化；秦福来等在GIS和非点源污染模型SWAT的技术支持下，对DEM在非点源污染研究中的应用进行了有益的探讨。
　　　在国外，为了支持各种层次的水资源和水环境管理，美国国家环保局基于GIS技术和地调局水文数据开发了全美河段文件。He等将AGNPS、GRASS与GRASS Water Works模型集成在一起，综合评价了非点源污染对美国密歇根州Cass河水质的影响，近年来，Boyle等建立的IDOR2D系统将水污染模型与GIS集成。
1.5 ? ?在水文模拟中的应用
　　　基于GIS的数字地形模型（DTM）和数字高程模型（DEM）存储的地形信息为流域水系统信息参数的自动化提取提供了可能。通过GIS提取流域特征，不仅可以使GIS与传统的概念性水文模型相结合，更重要的是其为物理性分布式水文模型的研制提供了平台。
　　　国外的分布式水文模型起始于1969年，比较著名的有TOPMODEL、SHE、IHDM模型和美国农业部的SWAT模型，目前得到了长足发展并在多个地区进行了实践和应用。近年出现的基于不规则三角网格（TIN）构建出得完全分布式模型，只需原始栅格节点的5%~10%就可以充分描述流域地形的水文特征，大大提高了分布式模型的计算效率，为大型流域的水文模拟提供了可能，是今后分布式水文模型研究的热点。国内的分布式水文模型研究起步较晚，沈晓东等在研究降雨和下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程的影响基础上，提出一个动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟；郭生练等建立了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程；任立良等考虑了流域空间的变异性，基于DEM建立了参考作物蒸散量的分布式模型；李兰等在提出的变动生态产流模式的概念基础上建立了LL-I分布式降雨径流模型，能明显改善模拟预报精度，适合不同水文特征地区的产汇流计算
　　　当前GIS技术已逐步应用到了水文水资源领域的各个方面。除以上五个方面外，GIS技术还在水利工程移民安置、旱情分析预测、库区地质分析等多方面得到成功的应用。
2 ? ?发展趋势与展望?
2.1 ? ?加强GIS应用规范和标准的研究
　　　在实际操作中，GIS的应用和开发基本上是各部门根据具体的生产和科研需要而独立开发的。由于缺乏一个完整的技术规范和标准，开发平台、数据格式的多样化给信息交流与共享带来了较大的困难。在国内，尽管行业规范的试点工作已经开始，但仍然存在与国家规范保持一致的问题，因此应加强GIS应用规划和标准研究。
2.2 ? ?建立水文水资源地理空间数据库
　　空间数据库是系统的核心、决策的基础，因而必须在加强GIS应用标准化、规范化的基础上大力开展基础数据库德建设，尤其是具有水文水资源领域特色的数据库，如雨情和水情数据库、水旱灾情数据库、蓄滞洪区空间展布式社会经济数据库等。此外，数据库还要包括流域流域内自然资源和社会经济环境的基本数据。数据库的数据采集要保持全面、准确，并及时更新。
2.3 ? ?建立水文水资源空间决策支持系统
　　空间决策支持系统（SDSS）是近年来在常规决策支持系统和GIS相结合的基础上发展起来的一种新型信息系统。由于其开发难度大，需要大量的人力和财力，必须集中财力保证重点，分布实施，成熟后再予以推广，就我国当前状况来看，长江和黄河的防洪决策支持系统以及黄河的水资源调度系统是当务之急，应该优先建立并逐步完善。
2.4 ? ?GIS与水文水资源专业模型的融合
　　在目前的一些水文水资源专业模型中，尽管大多数GIS对水文水资源信息具备了较强的数据存储、管理和输入输出功能，但其主要是以数据为中心，在表达水文地理空间、水文现象空间分析和支持决策的能力方面还远远不够，尤其体现在基于GIS、RS的分布式水文模型中。如何将现有的各类计算方法和软件逐步过渡到以栅格为计算空间数据管理功能，实现水文水资源专业模型与GIS的集成，是今后的研究重点。
2.5 ? ?水文水资源领域要求GIS向多维方向发展
　　　由于水文水资源变化过程具有明显的时空动态特征，所以需要开发能实现三维和四维空间分析和显示等功能的GIS软件。目前只有少量的GIS软件可以进行真三维的分析，如IVM、SGM、GRASS系统等，但它们在几何建模和分析功能上存在不足。随着计算机与空间技术的进步以及水文水资源领域的发展要求，GIS将由独立的系统走向兼容与集成，从二维走向多维。
3 ? ?结语 ??
? ?GIS的应用促进了水文水资源领域的发展，反过来，水文水资源领域对GIS的需求又加快了GIS的更新换代，水文水资源、地理信息系统随着技术的进步和社会需求的变化，其含义也会发生相应的变化。“数字水利”的提出，以及工程水利向资源水利、传统水利向现代水利和可持续发展水利的转变，水利信息化是必由之路，可见GIS与水文水资源研究紧密结合的应用前景将十分广阔。