GIS在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用以及發(fā)展前景評述

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 GIS在水文水資源領(lǐng)域的應(yīng)用以及發(fā)展前景評述

五系  資源（2）班  20100512225  周方圓 　　 　　地理信息系統(tǒng)（GIS）是以計算機為基礎(chǔ)的綜合處理和空間數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，是集計算機科學(xué)、管理科學(xué)、信息科學(xué)、地學(xué)等為一體的新興邊緣研究領(lǐng)域。20世紀70年代，美國田納西河流域管理局利用GIS技術(shù)處理分析各種流域數(shù)據(jù)，為流域管理和規(guī)劃提供決策服務(wù)，GIS便開始逐漸應(yīng)用于水文水資源領(lǐng)域。80年代后隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，GIS與水文水資源領(lǐng)域也有了廣泛結(jié)合。   1    應(yīng)用進展   1.1    在水資源評價和規(guī)劃中應(yīng)用 　　　水資源評價和規(guī)劃中涉及大量的空間信息，如行政區(qū)劃、河流水系、地形地貌、水利工程分布、水文站控制斷面位置以及人口、實測水文數(shù)據(jù)等屬性數(shù)據(jù)，GIS可以支持這些具有明顯的時維性數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析、模擬及顯示。 　　　郭建斌等根據(jù)大汶河流域水資源量的形成、多少及分布受地形地貌、植被等下墊面要素和降水量的影響等特點，利用GIS建立了水資源計算與評價模型；王浩等探討了如何將GIS技術(shù)應(yīng)用到淮海流域的水資源綜合規(guī)劃中。此外，近年GIS技術(shù)在我國水環(huán)境質(zhì)量評價與規(guī)劃中也得到了越來越廣泛的應(yīng)用， 　　　在國外，Gupta等早在1977年就實現(xiàn)了將柵格型GIS數(shù)據(jù)管理工具用于流域規(guī)劃。隨后歐洲一些研究機構(gòu)也聯(lián)合開發(fā)了具有水文過程模擬、水污染控制、水資源規(guī)劃等功能的流域規(guī)劃決策支持系統(tǒng)“WATERWARE”。近年Carlo等在GIS平臺上開發(fā)了Ag-PIE模型，用于評價由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的地表和地下水水質(zhì)下降的程度。 1.2    在區(qū)域水資源管理中的應(yīng)用 　　在GIS基礎(chǔ)上建立的水資源管理信息系統(tǒng)，可為水資源管理提供迅速而全面的信息支持。張靜怡等以MapInfo為開發(fā)平臺，將全國河流水系、水文站網(wǎng)、行政區(qū)劃和重要城市等地理要素集成為一個整體，建立了全國水文站網(wǎng)管理信息系統(tǒng)，為優(yōu)化水文站網(wǎng)和提高站網(wǎng)管理水平提供了信息支撐。GIS在灌區(qū)水資源管理中也得到了廣泛應(yīng)用，如王振穎等建立了遼寧省農(nóng)田水利管理信息系統(tǒng)，改善了遼寧省農(nóng)田水利的管理等。 　　自20世紀70年代美國田納西河流域管理局利用GIS技術(shù)處理和分析各種流域數(shù)據(jù)，開始為流域管理提供決策服務(wù)以來，GIS技術(shù)亦廣泛應(yīng)用于國外的水資源管理中。如美國科羅拉多州的一些機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)了科羅拉多河決策支持系統(tǒng)，GIS被用于流域空間的存儲、檢索、分析和顯示，以便于科羅拉多河水資源的管理。在灌區(qū)的水資源管理方面，位于美國德克薩斯州Lower Rio Grande Valley的8個灌區(qū)較早地開發(fā)以GIS為基礎(chǔ)的灌區(qū)管理系統(tǒng)（DMS）。 1.3    在防洪減災(zāi)中的應(yīng)用    GIS技術(shù)可以作為防汛決策支持系統(tǒng)或信息管理系統(tǒng)的平臺，并在此基礎(chǔ)上進行災(zāi)情評估和洪澇災(zāi)害風險分析。我國一些科研部門和流域水管理機構(gòu)先后將GIS技術(shù)應(yīng)用于防洪決策支持系統(tǒng)和洪水災(zāi)情評估系統(tǒng)的開發(fā)，部分省份和城市相應(yīng)建立了基于GIS的城市防洪決策支持系統(tǒng)。此外，基于GIS的洪水演進模擬已在我國許多單位研制成功，技術(shù)也相當成熟。 　　　在國外，Davis曾將HEC-1、HEC-2與 GIS結(jié)合對洪水、水質(zhì)和土坡侵蝕進行了模擬，可很好地用于洪災(zāi)損失評估。 1.4    在水環(huán)境監(jiān)測和水資源保護中的應(yīng)用     GIS技術(shù)為水循環(huán)監(jiān)測和區(qū)域水資源保護管理和決策提供了方便、直觀和科學(xué)的工具，管理者可通過資料查詢分析水質(zhì)變化特點和未來趨勢并了解方案實施效果，特別是當污染事故發(fā)生時借助GIS能迅速模擬預(yù)測污染物未來的時空分布特征，從而為迅速采取應(yīng)急措施提供決策依據(jù)。在國內(nèi)，上海市環(huán)境管理部門于20世紀80年代末開始GIS的應(yīng)用研究，建立了黃浦江流域水環(huán)境GIS，該系統(tǒng)具有動態(tài)監(jiān)測顯示、水污染過程模擬及取水口水環(huán)境管理功能，可對水質(zhì)做出快速預(yù)測分析和預(yù)報。此后國內(nèi)不少學(xué)者基于GIS進行水質(zhì)監(jiān)測和水資源保護方面的研究，如何進朝等建立了水質(zhì)動態(tài)管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)處理、水質(zhì)評價和預(yù)測、系統(tǒng)維護等功能；張俐等以GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行一維恒定流方程組和二維水質(zhì)模型計算，實現(xiàn)了濃度場在GIS平臺上的可視化；秦福來等在GIS和非點源污染模型SWAT的技術(shù)支持下，對DEM在非點源污染研究中的應(yīng)用進行了有益的探討。 　　　在國外，為了支持各種層次的水資源和水環(huán)境管理，美國國家環(huán)保局基于GIS技術(shù)和地調(diào)局水文數(shù)據(jù)開發(fā)了全美河段文件。He等將AGNPS、GRASS與GRASS Water Works模型集成在一起，綜合評價了非點源污染對美國密歇根州Cass河水質(zhì)的影響，近年來，Boyle等建立的IDOR2D系統(tǒng)將水污染模型與GIS集成。 1.5    在水文模擬中的應(yīng)用 　　　基于GIS的數(shù)字地形模型（DTM）和數(shù)字高程模型（DEM）存儲的地形信息為流域水系統(tǒng)信息參數(shù)的自動化提取提供了可能。通過GIS提取流域特征，不僅可以使GIS與傳統(tǒng)的概念性水文模型相結(jié)合，更重要的是其為物理性分布式水文模型的研制提供了平臺。 　　　國外的分布式水文模型起始于1969年，比較著名的有TOPMODEL、SHE、IHDM模型和美國農(nóng)業(yè)部的SWAT模型，目前得到了長足發(fā)展并在多個地區(qū)進行了實踐和應(yīng)用。近年出現(xiàn)的基于不規(guī)則三角網(wǎng)格（TIN）構(gòu)建出得完全分布式模型，只需原始柵格節(jié)點的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計算效率，為大型流域的水文模擬提供了可能，是今后分布式水文模型研究的熱點。國內(nèi)的分布式水文模型研究起步較晚，沈曉東等在研究降雨和下墊面自然地理參數(shù)空間分布的不均勻性對徑流過程的影響基礎(chǔ)上，提出一個動態(tài)分布式降雨徑流流域模型，實現(xiàn)了基于柵格DEM的坡面產(chǎn)匯流與河道匯流的數(shù)值模擬；郭生練等建立了一個基于DEM的分布式流域水文物理模型，用來模擬小流域的降雨徑流時空變化過程；任立良等考慮了流域空間的變異性，基于DEM建立了參考作物蒸散量的分布式模型；李蘭等在提出的變動生態(tài)產(chǎn)流模式的概念基礎(chǔ)上建立了LL-I分布式降雨徑流模型，能明顯改善模擬預(yù)報精度，適合不同水文特征地區(qū)的產(chǎn)匯流計算 　　　當前GIS技術(shù)已逐步應(yīng)用到了水文水資源領(lǐng)域的各個方面。除以上五個方面外，GIS技術(shù)還在水利工程移民安置、旱情分析預(yù)測、庫區(qū)地質(zhì)分析等多方面得到成功的應(yīng)用。   2    發(fā)展趨勢與展望    2.1    加強GIS應(yīng)用規(guī)范和標準的研究 　　　在實際操作中，GIS的應(yīng)用和開發(fā)基本上是各部門根據(jù)具體的生產(chǎn)和科研需要而獨立開發(fā)的。由于缺乏一個完整的技術(shù)規(guī)范和標準，開發(fā)平臺、數(shù)據(jù)格式的多樣化給信息交流與共享帶來了較大的困難。在國內(nèi)，盡管行業(yè)規(guī)范的試點工作已經(jīng)開始，但仍然存在與國家規(guī)范保持一致的問題，因此應(yīng)加強GIS應(yīng)用規(guī)劃和標準研究。 2.2    建立水文水資源地理空間數(shù)據(jù)庫 　　空間數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心、決策的基礎(chǔ)，因而必須在加強GIS應(yīng)用標準化、規(guī)范化的基礎(chǔ)上大力開展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫德建設(shè)，尤其是具有水文水資源領(lǐng)域特色的數(shù)據(jù)庫，如雨情和水情數(shù)據(jù)庫、水旱災(zāi)情數(shù)據(jù)庫、蓄滯洪區(qū)空間展布式社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫等。此外，數(shù)據(jù)庫還要包括流域流域內(nèi)自然資源和社會經(jīng)濟環(huán)境的基本數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)采集要保持全面、準確，并及時更新。 2.3    建立水文水資源空間決策支持系統(tǒng) 　　空間決策支持系統(tǒng)（SDSS）是近年來在常規(guī)決策支持系統(tǒng)和GIS相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型信息系統(tǒng)。由于其開發(fā)難度大，需要大量的人力和財力，必須集中財力保證重點，分布實施，成熟后再予以推廣，就我國當前狀況來看，長江和黃河的防洪決策支持系統(tǒng)以及黃河的水資源調(diào)度系統(tǒng)是當務(wù)之急，應(yīng)該優(yōu)先建立并逐步完善。 2.4    GIS與水文水資源專業(yè)模型的融合 　　在目前的一些水文水資源專業(yè)模型中，盡管大多數(shù)GIS對水文水資源信息具備了較強的數(shù)據(jù)存儲、管理和輸入輸出功能，但其主要是以數(shù)據(jù)為中心，在表達水文地理空間、水文現(xiàn)象空間分析和支持決策的能力方面還遠遠不夠，尤其體現(xiàn)在基于GIS、RS的分布式水文模型中。如何將現(xiàn)有的各類計算方法和軟件逐步過渡到以柵格為計算空間數(shù)據(jù)管理功能，實現(xiàn)水文水資源專業(yè)模型與GIS的集成，是今后的研究重點。 2.5    水文水資源領(lǐng)域要求GIS向多維方向發(fā)展 　　　由于水文水資源變化過程具有明顯的時空動態(tài)特征，所以需要開發(fā)能實現(xiàn)三維和四維空間分析和顯示等功能的GIS軟件。目前只有少量的GIS軟件可以進行真三維的分析，如IVM、SGM、GRASS系統(tǒng)等，但它們在幾何建模和分析功能上存在不足。隨著計算機與空間技術(shù)的進步以及水文水資源領(lǐng)域的發(fā)展要求，GIS將由獨立的系統(tǒng)走向兼容與集成，從二維走向多維。   3    結(jié)語         GIS的應(yīng)用促進了水文水資源領(lǐng)域的發(fā)展，反過來，水文水資源領(lǐng)域?qū)IS的需求又加快了GIS的更新?lián)Q代，水文水資源、地理信息系統(tǒng)隨著技術(shù)的進步和社會需求的變化，其含義也會發(fā)生相應(yīng)的變化。“數(shù)字水利”的提出，以及工程水利向資源水利、傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利和可持續(xù)發(fā)展水利的轉(zhuǎn)變，水利信息化是必由之路，可見GIS與水文水資源研究緊密結(jié)合的應(yīng)用前景將十分廣闊。