GIS在水文水資源領域的應用探究

龔文峰，王鑫鑫，郭 紅，李 恒

(1.黑龍江大學 水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080;2.哈爾濱學院 地理與旅游學院,黑龍江 哈爾濱 150086;3.黑龍江省三江工程建設管理局，黑龍江 哈爾濱 150081)

GIS在水文水資源領域的應用探究

龔文峰1，王鑫鑫1，郭 紅2，李 恒3

(1.黑龍江大學 水利電力學院,黑龍江 哈爾濱 150080;2.哈爾濱學院 地理與旅游學院,黑龍江 哈爾濱 150086;3.黑龍江省三江工程建設管理局，黑龍江 哈爾濱 150081)

GIS是近年來新興的一種源于計算機與信息化技術結合發展的產物，不僅具有高效的空間數據管理和靈活的空間數據綜合能力，而且還能夠解決復雜的規劃、動態預測、決策優化和管理等問題，并在國內外多個領域得到了廣泛的應用。本文基于GIS技術從水文水資源領域的研究應用入手，重點分析了GIS在地表水、地下水、防洪減災、水土保持等多個領域中的應用現狀，并探究GIS在水文水資源領域未來應用研究，以期為水文水資源領域研究水平提高提供一定的技術參考和理論依據。

GIS技術；水文資源；應用領域；發展趨勢

當前全球環境惡化加劇，其地理水資源逐步匱乏枯竭，用水危機由此受到人們的關注[1]，已經成為全球所關注的焦點，而由此展開對水資源的探索及水文相關資料的收集、整理、分析等綜合性研究也不斷增加[1]?？梢娫诋斍碍h境下，開展對水文水資源的研究就格外重要[2]?？茖W信息技術在不斷飛猛發展，然而高消耗、低效率的傳統水資源研究方式不能適應當代信息技術發展。因此，需要將現代信息技術引入到水文水資源的研究中[3]。GIS技術不僅能夠快速、準確的獲得水文資料，而且還能在水資源循環性、資源信息評估及有效利用率等方面發揮至關重要的作用[4]，并且能夠為水文水資源的規劃、管理、決策提供服務和技術支撐，并不斷的推動水文技術向前發展，發揮著較強的推動力?；诖?，GIS 技術在水文水資源方面的應用勢在必行。

1 GIS技術發展現狀

GIS(Geo-Information System)是一門結合了地理學、地圖學、計算機科學與遙感技術的綜合性學科[5]。是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機系統，具有區域空間分析、多要素綜合功能，能夠動態預測采集、管理、分析和輸出多種地學空間信息及處理并管理多種地理空間實體數據及其關系，包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據和屬性數據等[6]。同時，GIS是可以分析和處理空間信息(即是對地球上存在的現象和發生的事件進行成圖和分析)的一種基于計算機的工具，它把地圖的視覺化效果和地理分析功能與一般的數據庫操作(例如查詢和統計分析等)集成在一起，用于分析和處理在一定地理區域內分布的各種現象和過程，解決復雜的規劃、決策和管理問題。因此，GIS也被稱為“地理信息科學”( Geographic Information Science)，在最近幾年GIS也被稱為“地理信息服務”( Geographic Information Service)。

20世紀60、70、80和90年代，國際GIS技術經歷了開拓、鞏固與發展和普遍發展、應用推廣及全面應用四個階段，到如今GIS技術已經全面進入了應用普及時代。相比較而言，我國GIS技術發展起步較晚，經歷了從20世紀70年代初開始準備、80年代起步、90年代發展、1996年以來產業階段化四個階段[7-8]。我國GIS技術建設在實驗應用、技術理論、技術研究、產品開發和成果應用等方面都取得了巨大的發展，其表現為：

(1)中國科學院院士陳述彭教授提出將GIS作為一門新興學科。

(2)我國第一個GIS研究室的成立。

(3)國家正式將GIS列入“七五”國家科技攻關計劃。

(4)“3S”技術重點項目的實施。

(5)我國擁有了GIS軟件自主版權并進入產業化道路。這些成果都反映出我國GIS產業進入了新的發展階段[9]。

近年來，GIS與常規決策支持系統結合發展已成為趨勢，其結合發展的新型產物即空間決策支持系統(SDSS)，該決策系統的廣泛應用發展也逐漸拓展至水文水資源領域，成為GIS技術在水資源領域應用的重要分支，在水資源領域應用中具有良好的發展趨勢，并在水文水資源規劃、水污染控制、水文情報預報、防洪減災、水管網信息管理，以及生態用水量評估等方面得到了的具體的體現[10]。此外，GIS技術由傳統的集成、存儲性應用逐步向智能化、多功能方向轉變[1]，通過建立模型實現水文現象動態模擬也成為今后研究的重點，借助于GIS對空間數據的綜合分析功能，為水文狀況提供高精度、實時化信息，使水文基于GIS由二維、三維向多維發展[10-11]，使得GIS的綜合功能在水文水資源中得以廣泛應用，并解決許多工作中面臨的實際問題。

2 GIS技術在水資源領域的應用

GIS技術在水資源領域中的應用較為廣泛，具體可以應用于地表水水資源管理、水資源規劃與評價、水情預報、防洪減災、水土保持研究及地下水模型、地下水污染、地下水資源勘察、地下水水質評價和預測等方面。

2.1 GIS技術在地表水方面的應用

2.1.1 水資源保護

在水資源保護方面，RS和GIS技術結合在該領域得到了更為廣泛的運用。利用RS技術獲取實時周期性的地表水資源信息。利用GIS技術建立專業水資源保護系統，在系統內預先輸入各種水文數據，結合水質數值計算模型，對獲取的水資源數據進行處理計算，模擬并編制多種規劃方案，針對不同方案模擬實施后可能發生的各種情況通過圖像進行顯示，便于驗證方案的可行性及預測方案實施效果[6]，有利于提高變化趨勢預測的準確性和時效性[3]，可以很大程度地減少工作量，提高工作效率。

2.1.2 水資源規劃

與傳統大尺度水資源戰略規劃技術相比，GIS技術具有管理方便、獲取數據容易、更新快、操作靈活和數據準確等優勢。水資源規劃中的核心內容是建立水資源綜合規劃數據庫，GIS借助其空間數據的優勢，容易實現多種基礎數據庫的建立，包括與地理信息相關圖形信息的GIS圖形庫、水資源屬性數據庫、水資源歷史資料數據庫及實測數據庫[12]。在GIS軟件的支持下，根據不同需求完成水資源供需圖、流域灌溉規劃圖、水資源污染分布圖、洪水來源及洪水影響圖等各種類型的水資源專題規劃圖的繪制，借助于GIS強大空間分析功能，在完成流域內水資源與人口分布、區域社會關系、水資源蓄量、空間分布等定量分析的基礎上，實現規劃方案的準確、快速、直觀地查詢和管理功能，完成流域內規劃方案可行性選擇，為流域內設計調水路線、管理監測和評價工程效益提供技術支持和理論依據[13]。

2.1.3 水情預報

GIS技術在現代洪水預報工作當中的應用頻率越來越多、應用方面越來越廣，已經成為當代水情預報領域強有力的技術工具。GIS技術利用空間數據處理分析功能來實現洪水預報的自動化及網絡化。主要體現在設置自動報警裝置、確定水文模型參數、處理水文水情信息、開發水文模型，及建立數字高程模型五個方面[14]。

(1)自動報警設置：GIS系統能夠獲取高分辨率的地理信息資料，將這些地理信息資料與地理信息組建(Map Objects)結合開發出氣象信息分析組件，就可以對氣象情況進行監測與定位，再結合計算機的編程技術實現對災害性天氣的自動報警設置。

(2)確定水文模型參數[15]：當代的水文模型需要進行輸入的數據參數大多屬于地理信息數據參數，主要包含河道的寬度、長度、坡度，河流流域的重心、坡度、土壤情況，以及流域下滲狀況等。借助GIS系統可以直接確定這些河道與流域的水文信息模型參數。

(3)處理水文水情信息。依托數字地圖，借助GIS系統與數據庫管理技術對水情信息進行查詢、檢索、顯示及分析處理。

(4)水文模型開發。水文模型的開發可以為水文水資源研究提供科學依據。GIS系統利用降水量的空間分布狀況將其歸結為流域水文模型，流域水文模型結合現代計算機技術對不同水域中的降水量與匯流階段進行科學計算，從而合理客觀地預測出流域旱汛期，為防洪抗旱工作及實際工程施工提供技術支持[2]。

(5)建立數字高程模型(DEM)。數字高程模型不僅能夠進行流域匯流計算,還能夠結合水力學模型，對災情進行評估和分析。借助GIS技術建立數字高程模型，自動生成流域水系，為水文模型開發夯實基礎。此模型能夠準確、快速、客觀的預測和評價災情。

2.1.4 防洪減災

洪澇災害在我國發生的頻率頗高且危害范圍廣，給人類社會正常的生活、生產活動帶來非常大的損失和禍患。而GIS技術可為防洪減災提供防洪決策及信息管理平臺[16]。其主要表現如下：

(1)GIS系統能夠存儲、管理海量數據并可以對其進行查詢、檢索、更新和維護等操作。數據存儲與查詢功能能夠為洪水應用模型提供數據支持；可視化表達功能可以將防汛信息及防汛方案更動態、直觀、準確的表達。

(2)GIS技術可為災情進行評價與預估。通過對模型參數數據的優化升級對洪水災害進行預測預報，在此基礎上動態模擬洪水災害過程，提取災情數據，預估災情影響并分析解決災情方案；對不同強度洪水發生概率進行分析，對災害造成的損失進行預測。

(3)GIS在災情風險分析與區劃中起到很大作用，在城市防洪方面，GIS技術可以對城市內積退水進行預測預報，從而通過對排水設施的管理、規劃與設計，協助城市積水排泄[17]。對積水嚴重的區域或街道進行可視化顯示操作，進而準確快速的做出應對策略，結合RS技術，輔助支持防洪抗汛策略[18]，為災后地區重建做出技術支持[19]。

2.1.5 水土保持

水土流失的情況在我國經常出現，水土流失的類型多種多樣，包括水蝕、風蝕、冰川侵蝕、凍融侵蝕、重力侵蝕等各種類型，并且有大量的滑坡、泥石流、崩崗等山地災害[2]。第一次全國水利普查顯示，水土流失占國土總面積30.72%，第二次遙感普查顯示，占國土總面積37.01%，可見水土流失是近些年我國面臨的較為嚴重的自然災害，同時水土流失嚴重損害了我國的自然資源，該問題引起黨和國家及全社會的高度重視，先后在主要江河流域實施了多個水土流失綜合治理工程，并在重點防治區建成了水土保持監測站網。同時利用遙感(RS)技術的周期性和視域廣的特點、地理信息系統(GIS)的信息管理和分析功能，以及全球定位系統(GPS)的高精度定位的特點，使流域內有關水土流失的大量信息得到統一管理，并應用GIS技術來管理動態監測數據、進行水土流失預測、生態環境效益分析，從而提供及時可靠的決策依據[20]。

2.2 GIS技術在地下水方面的應用

2.2.1 地下水模型

GIS廣泛的被應用到地下水模型研究中，主要是通過建立空間數據庫、臨時數據庫、網格專題層、構建模型、識別模型、動態預測和制作水文地質圖件等七個步驟來實現的[21]。此外，在單層或多層區域的地下水水流模型中，GIS能夠完成定量模擬地下水補給量、地下水流量及地下水水位等的計算[22]。

2.2.2 地下水污染

地下水水質受到自然及人類的雙重影響往往會產生較為復雜的演化，成為監測治理地下水污染的艱巨問題[23]。GIS技術對信息的綜合分析及建模功能可以協助解決這一問題。GIS能夠動態模擬污染物的時空分布特征，在地下水污染事故發生時，能夠快速及時地了解事故發生地點、污染強度、水文現狀等水文信息，從而做出應急措施[24]。采用GIS技術進行地下水污染的研究可以確定污染源與污染源區域時空變化狀況、含水層易受污染區域、含水層污染程度與地質狀況關系，及污染物對地下水水質的影響[25]。

2.2.3 地下水資源勘察

地下水資源的勘察是進行水資源規劃、管理、保護及開發的關鍵步驟。地下水資源勘察的范圍集中在地下含水層，勘察內容包括含水層邊界、導水狀況、地質結構及空間分布等特征。GIS技術應用于地下水資源勘察中，能夠建立水文資料數據庫，并對其進行可視化顯示、查詢和檢索，在此基礎上預測水文動態發展趨勢，實現對地下水資源規律的探索，并為地下水資源管理的空間決策提供技術支持[26]。

2.2.4 地下水水質評價和預測

地下水水質評價主要包括地下水脆弱性評價及地下水功能性評價。傳統的地下水水質評價與預測手段單一落后，并且得到水質預測結果抽象模糊不夠準確。將GIS與水質評價預測模型進行耦合，不僅可以增加對地下水水質評價或預測的準確性，生動、直觀、準確的評價預測水質狀況，并對預測結果進行可視化模擬，還可以為地下水開發利用提供科學依據[27-28]。首先基于GIS系統完成數據采集，建立地下水資源數據庫，其次設計地下水資源預測評價模型，確定模型參數并輸入地下水資源數據庫中。最終完成將地下水資源預測評價模型與GIS系統的耦合集成[29]。

3 結論與展望

GIS技術是一門綜合性學科，是一種基于計算機的工具，具有實時獲取信息、管理方便、更新快、操作靈活、動態預測空間信息等特點。GIS這些強大的功能使得GIS在地表水文水資源領域中的水資源保護、水資源規劃、水情預報、水土保持、防洪減災，及在地下水資源的建模、勘察、排污、水質評價預測等方面得到廣泛應用。GIS目前仍存在著數據耦合困難、互操性差等問題，但隨著GIS未來不斷發展和進步，其在水文水資源領域中的各項應用技術會更加成熟，在水資源領域中的應用方面會更加廣泛。

隨著計算機技術及GIS技術的不斷發展，GIS系統模塊化、智能化、互操作性，GIS數據多元化，GIS平臺社會化，GIS應用網絡化成為其主流發展方向。特別在當前國內外學者的“全球信息”“數字地球”“數字水利”“智慧城市”等新鮮概念的影響下，讓傳統的工程型水利逐步轉變為信息化和數字化資源型水利發展。首先加強GIS與水文模型的相互融合，建立多功能并可以進行理論分析的信息系統、建立完整水文信息網，實現資源共享，創新完善水資源空間決策支持系統；GIS未來在水文水資源領域應用中會逐步向多維化、時態化、網絡化、智能化發展；為拓寬GIS在水資源領域的應用面，應加強GIS與RS、GPS技術的結合應用，尋求GIS與虛擬現實技術、移動通訊技術等高新技術的合作機會，更高效地將GIS運用到水文水資源領域中，為人類生產生活提供更多便利服務。

[1] 王丹丹.基于GIS在水文水資源領域中的應用分析[J].黑龍江水利科技,2016,44(2):95-98.

[2] 郭鋒.GIS在水文水資源領域中的應用研究[J].科技創新與應用,2016(31):237.

[3] 李智博.GIS在水文水資源領域中的應用研究[J].河北企業,2016,4(143):142-143.

[4] 梁永萬.GIS在水文水資源研究領域中的應用分析[J].科技與企業,2012(22):125.

[5] 孔云峰.論地理信息系統概念與內涵的演變[J].地球信息科學學報,2004,6(2):6-11.

[6] 李平夫,王艷穎.GIS技術在水資源管理中的應用研究[J].科技信息,2012(34):414.

[7] 王光明,粱秀娟,肖長來,等.GIS技術在水文水資源領域中的應用現狀與發展趨勢[J].吉林水利, 2009(6):1-5.

[8] 胡祎.地理信息系統(GIS)發展史及前景展望[D].北京：中國地質大學,2011.

[9] 黃曉宇.GIS技術發展歷程與產業發展現狀[J].北京測繪,2015(4):53-55.

[10] 殷同生.淺析GIS技術在水文水資源領域的應用[J].河南水利與南水北調,2016(9):31-32.

[11] 趙德遠.GIS技術在水資源領域的應用[J].中國新技術新產品,2011(17):47.

[12] 齊建懷.GIS技術在水資源綜合規劃中的應用[C]//arcgis暨erdas中國用戶大會.2004.

[13] 王疆霞,李云峰,徐中華.GIS技術及其在水文學和水資源管理方面的應用[J].西北地質,2003,36(1):109-113.

[14] 孫寶森,于仲偉,張斌.談GIS在水文情報預報中的應用[C]//山東水利學會優秀學術.2004.

[15] 鄭作偉,李文訓.GIS在水文情報預報中的應用[J].山東理工大學學報(自然科學版),2007,21(4):52-55.

[16] 閻俊愛.城市智能型防洪減災決策支持系統研究[D].天津：天津大學,2003.

[17] 張新.區域性防災減災信息服務體系研究[D].北京：中國科學院遙感應用研究所,2006.

[18] 陳秀萬.遙感與GIS在洪水災情分析中的應用[J].水利學報,1997(3):70-73.

[19] 彭盛華,趙俊琳,袁弘任.GIS技術在水資源和水環境領域中的應用[J].水科學進展,2001,12(2):264-269.

[20] 王亞楠,胡素杰,秦奮.RS與GIS在水土保持中的應用-以前張家溝小流域為例[J].許昌學院學報,2007,26(5):133-136.

[21] 武強,曹紅梅,張作辰,等.地理信息系統在地下水模型中應用初探[J].水文地質工程地質,1996(1):43-44.

[22] 徐中華,李云峰,王疆霞.GIS技術在水資源領域的應用與發展[J].水利科技與經濟,2005,11(9):571-573.

[23] 于海英,曹劍峰.地理信息系統(GIS)在地下水領域中的應用及最新進展[J].世界地質,1997(4):47-51.

[24] 王長勝.GIS技術在地下水污染監測、評價系統的應用[J].環境科技,2008,21(1):150-153.

[25] 高永芹,李家法.分析GIS技術在水文水資源領域的應用現狀與展望[J].信息與電腦,2015(13):34-36.

[26] 趙娟.GIS技術在水文水資源領域的應用現狀與展望[J].吉林水利,2014(10):45-48.

[27] 王強,李大治.淺析GIS技術在水資源評價中的應用[J].今日科苑, 2008(16):291-298.

[28] 索海生.GIS技術在水資源評價中的應用[J].山西水利,2005,21(3):53-54.

[29] 向速林,吳彩斌,鄢貴權.基于GIS的地下水水質評價與預測系統研究[J].水文地質工程地質,2007,34(1):123-125.

Exploration of GIS on application in hydrology and water resources

GONG wenfeng1，WANG xinxin1, GUO hong2, LI heng3

(1.College of Hydraulic and Ectrical Engineering,Heilongjiang Unviersty,Habin 150080,China;2. College of Geography and Tourism ,Harbin University, Habin 150086,China;3. Sanjiang Engineering Construction Administration Bureau of Heilongjiang Province, Habin 150081,China)

GIS technology is a kind of technology product developed in combined with computer technology and information technology in recent years. It not only has high efficiency spatial data management and flexible spatial data comprehensive ability, but also can solve complex planning, dynamic forecasting, decision optimization and management and other issues, and in a number of areas at home and abroad has been widely used. Based on these ,this paper is based on the research and application of GIS technology in hydrology and water resources and focuses on the application of GIS in surface water, groundwater, flood control and disaster reduction, soil and water conservation and other aspects of the application of GIS in the field of hydrology and water resources future applications to explore, in order to provide a certain technical reference for hydrology and water resources to improve the level of research.

geographical information system technology; hydrology and water resources; application field; development trend

黑龍江省自然基金項目(D201410);黑龍江省教育廳科研項目(1253153)

龔文峰(1976-)，男，河南南陽人，教授，主要從事3S技術在農業水土和資源監測上的應用研究。E-mail: gwf101@163.com。

TP79；TV213.9

A

2096-0506(2017)07-0039-05