地理信息系统在水利中的应用

GIS 在水利中的应用地理信息系统(GIS)是近几十年发展起来的对地理环境有关问题分析和研究的一门学科。它利用计算机建立地理数据库，将地理环境的各种要素(包括他们的地理空间分布状况和所具有的属性数据)进行存储，开发各种分析处理功能，建立有效的数据管理系统，通过对多要素的综合分析，方便快速的获取信息，满足应用和研究的需要，并能以图形和数据的方式表达结果。地理信息系统功能主要表现在以下几个方面： 空间系统直观描述功能：地理信息系统是现实世界的计算机模型。它采用点、线、面的方式模拟客观现实世界，同时它把特征数据与现实世界联系在一起。利用空间信息来说明对象在现实世界中所处的位置，利用专题属性信息来描述对象在现实世界中的状态。 空间分析功能；空间分析功能是地理信息系统区别于其他系统的一个显著特点，它通过空间数据的叠加分析、建立缓冲区、特征提取等空间操作功能，为用户提供大量空间分析成果。 数据管理功能：地理信息系统提供了强大的数据管理功能，它不但能管理空间数据，而且能有效地管理属性数据，实现空间数据与属性数据的统一管理， 属性数据的空间显示功能：地理信息系统可以把属性信息以空间分布图、图表的形式在地理图形上动态地表现出来。地理信息系统（GIS）是一个获取、存储、编辑、处理、分析和显示地理数据的空间信息系统，地理信息系统软件技术是一类军民两用技术，广泛用于航空航天、资源、环境、通信、水利、农业和军事领域。专家说，世界上75到80的信息都与地理空间位置有关。作为“数字地球”的骨架支撑技术之一，地理信息系统关系到国民经济建设、社会发展和国家安全。我国水资源短缺，而且分布极不均匀。同时由于社会经济飞速发展的过程中对环境保护不力，因此在资源性缺水的同时又加上水质性缺水，水资源严重短缺又存在有水资源浪费。面对如此严峻的形势，水资源的管理工作已经被赋上了维系社会经济可持续发展的历史性重任。由此也决定了必须用现代化的手段，实现以信息化为基础的技术来对水资源进行监控管理，才能解决好资源水利中的诸多复杂问题，这也为GIS提供了大显身手的机会。 目前，技术在国内水资源管理中的实际应用还处于起步阶段，在应用中还存在着深度和广度上的局限性，部分原因在于我们对技术能为水管理所提供的作用还没有深入的了解，对于适合国内水管理现状的技术作用范围没有具体的研究成果。目前我们参照国内外运用地理信息系统进行水管理的实例，基于区域水资源评价管理整个工作的特点，初步开发了支持安阳市基于技术的水资源评价管理系统，其技术应用侧重点主要在于拓展数据调查的广度和深度，为下一步进行水资源管理和规划的深入分析提供条件和可能。水资源信息的面非常广。有水文气象，地理，地质，水质，水利工程，水处理工程,各行各业与生活需水量等等.所以这些数据既有历史的，又有实时或现状的，从性质上决定了其多源，多时相，多种类和动态这几个基本特征。水资源信息管理系统发挥了从时间，空间上了解水资源的现状与变化，通过模拟可视化直观地表示水资源状况，有助于让研究人员和决策人员了解水资源的变化规律，通过信息处理和分析，提供管理的基础信息与手段，完善水资源信息的管理与更新，实现数据共享。 (1) 地下水地理信息系统以地区水资源总开发量最大为优化目标，以人工开发利用水资源量为决策变量，以地下水位为状态变量，将水资源系统的模拟模型作为约束条件集，嵌入到水资源系统的优化模型中，建立了水资源可持续利用量化模型。以水资源可持续利用量化模型为核心，在地理信息系统(GIS)支持下开发出城市水资源管理系统。该系统利用集成技术将多个应用软件的功能模块有机地组合在一起，以邯郸市为例完成了对城市水资源可持续利用的量化模拟、优化计算和科学管理。地表水与地下水模拟地表水模拟包括对地表水体如湖泊、河流等降水一径流关系的描述。降水一径流模拟需要众多参数来描述局部的地形地貌、土壤类型和土地利用等。GIS的数据编辑和处理功能可有效快捷地处理流域的特征参数。其强大的图形处理能力可以将流域内所有的特征用图形充分地显示出来。GIs在地下水模拟分析中的用途主要是模型输入数据的准备，地下水模型的有限元格网设计，模拟结果的可视化分析及最终结果的输出。区域水资源评价管理的目的在于了解水资源量的分布、水资源开发利用状况、水污染状况等，以达到调控人类自身活动，高效用水，防止水资源破坏，从而保护人类生存和经济社会的稳定发展。水资源管理是一种科学的管理与决策活动。近年来，随着计算机的发展和技术的进步，带来了科学决策和管理信息的新方法，而基于的信息管理技术是当前最先进的科学管理方法之一。在水资源规划管理方面，很强的图形显示功能和带有时间维的三维，有利于水文、水资源工作者研究流域或区域的水文空间分布，有助于了解降水、地下水、土壤水等在时间和空间上的变化情况及规律。地理信息系统以管理大量的空间属性见长，它可以作为空间属性数据的有效管理工具。应用地理信息系统可以管理、分析、处理大容量的空间属性数据，特别是水资源各要素中的应用，解决了水文地质中长期以来存在的数据量和信息量不足的问题。同时，当前地理信息系统逐渐的低成本趋势、具有实时预报的特点和数据的可持续利用，在水资源的规划和管理领域中具有广泛的应用前景。通过对地下水资源系统特点的分析，在系统论的思想指导下，我们建立了区域地下水富水性评价系统，该系统是基于空间信息与计算机技术结合的决策支持系统，系统的目标是通过对地下水资源动力系统中各子系统及其内部要素空间信息的迭置分析，确定富水地段和派生出其它有用信息，为地下水资源评价管理和决策提供准确全面的信息、依据和手段；提高地下水资源管理的水平；促进地下水资源管理的规范化和科学化。系统的主要特点是对地下水资源系统各子系统及其内部要素进行空间迭置分析，并对不同的研究对象采取不同的分析方法，从而揭示其各子系统的内部联系，确定区域相对富水地段。(2)非点源污染模拟非点源污染研究需要综合和显示各种空间信息，因而非常适合在GIs支持下进行。非点源模型与GIS对接能大大简化模拟工作。由GIs建立的数据库可自动制作模型输入参数和处理时空系列数据、表格和文本信息。利用GIs对空间数据的处理能力及模型的模拟能力，可研究不同的土地利用方式对流域水文和水质的影响，为制订满足水环境保护要求的土地利用规划提供依据。对于非点源污染模拟而言，分布过程模型和GIs集成应用，可支持和加强所选定流域空间分布处理过程能力，提高对空间变化的认识，减少因空间数据均化而引起的不确定性。(3)排水系统模拟GIS的网络分析功能可用来分析流域降水一径流特征，描绘流域汇流的等流时线。利用水文模拟程序结合GIs的网络分析功能可模拟城市区域或农业流域的排水情况，从而对排水系统的排水能力进行评估。利用该项功能还可为新建排水系统的设计提供参数。(4)水环境评价和规划GIS具有叠置分析、包含分析、距离分析、缓冲区分析、三维分析等功能，它们均可用于水环境评价和规划。如在污染源分析和水源保护区划分中，可利用GIS缓冲区分析功能划定缓冲区，然后将缓冲区与其它信息作叠置分析，以确定受污染源影响或影响水源保护的因素。基于GIS的流域水资源管理系统设计,建立基于GIS的流域水资源综合管理系统的设计目标主要包括以下几个方面：(1)能存储和处理流域水文学和社会经济的相关资料，并能提供查询功能。(2)通过基于GIS的查询和分析，能提供必需的空间信息，为今后水利工程布局提供基础数据。(3)能为决策机构提供丰富的社会经济信息，为水资源的调配提供依据。(4)可对水资源开发利用现状及存在的主要问题以及未来需求量进行评估和预测。(5)能对水资源的开发潜力进行分析计算，为合理开发水资源提供决策依据。(6)结合相关的环境模型，能对水资源开发战略和方案做出评估 系统模块设计基于上述分析，河流域水资源管理系统主要集成以下模块：数据录入模块、检索和查询模块、统计分析模块、空间分析模块、辅助决策分析模块和数据输出模块。（见下图）。基于GIS的水资源管理系统数据输出辅助决策空间分析统计分析检索查询数据录入（1）数据录入模块。用于系统中空间和属性数据的获取与更新。空间和属性数据可通过键盘、扫描仪及数字化仪等输入设备录入计算机，也可从其它系统直接将数据转入本系统，同时这一模块还提供对数据的适时更改和补充功能。（2）检索与查询模块。提供属性-空间的逻辑查询和空间-属性的空间查询功能。由于GIS系统中数据同地图中点、线、面相对应， 这两种操作实际结果是一致的。数据库的操作能及时反映在地图上，而对地图的操作也能在数据库中表现出来。（3）统计分析模块。包括对查询结果的统计分析、对空间分析结果的统计分析以及对水文、土壤、人口、经济等监测数据的统计分析。统计的范围可由用户自行设定，如通过矩形、圆形或多边形工具来确定范围大小。同时，这种统计分析功能既可进行一项数据的统计分析，也可对多项数据同时进行统计分析查询，查询结果可通过报表、地图、表格或文字说明的形式打印输出。 （4）空间分析模块。负责对图形进行地形分析、缓冲区分析、空间叠置分析等操作，并能将分析结果进行汇总，以各种专题图表及统计图表的形式输出。（5）辅助决策分析模块。主要包括水量计算模型(如辽河流域项目中使用的IGSM水资源模型)、水质模型（如MIKE 11模型）、水资源供需分析及预测模型、决策支持系统模型等。以上模型可对一项或多项数据进行预测或评价，从而了解流域或特定地区水资源开发利用情况及发展趋势。同时，通过模型模拟出各个候选方案的实施效果后，可利用决策支持系统模型优化出水资源合理开发利用和管理的最佳方案，为最终的水资源管理和规划决策提供直接的依据。（6）数据输出模块。可将统计、分析和决策的结果以文本、报表或图形的形式输出。GIS技术发展日益成熟，在水资源方面的运用逐渐广泛开来，存储或经系统分析而派生出各种图形文件进行查询，如耕地、渠道、河流水系、水库地形等高线、典型年降水量等随着辽河水