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

五系  資源（2）班  20100512225  周方圓 　　 　　地理信息系統(tǒng)（GIS）是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的綜合處理和空間數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，是集計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)算機(jī)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(jìn)展   1.1    在水資源評(píng)價(jià)和規(guī)劃中應(yīng)用 　　　水資源評(píng)價(jià)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(shí)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(shí)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(diǎn)，利用GIS建立了水資源計(jì)算與評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(shí)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(jī)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(tái)上開發(fā)了Ag-PIE模型，用于評(píng)價(jià)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(tái)，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(gè)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(jì)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(jī)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(chǔ)、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(gè)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(tái)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行災(zāi)情評(píng)估和洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析。我國一些科研部門和流域水管理機(jī)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(píng)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(jìn)模擬已在我國許多單位研制成功，技術(shù)也相當(dāng)成熟。 　　　在國外，Davis曾將HEC-1、HEC-2與 GIS結(jié)合對(duì)洪水、水質(zhì)和土坡侵蝕進(jìn)行了模擬，可很好地用于洪災(zāi)損失評(píng)估。 1.4    在水環(huán)境監(jiān)測和水資源保護(hù)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(hù)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(diǎn)和未來趨勢并了解方案實(shí)施效果，特別是當(dāng)污染事故發(fā)生時(shí)借助GIS能迅速模擬預(yù)測污染物未來的時(shí)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(jì)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(dòng)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(duì)水質(zhì)做出快速預(yù)測分析和預(yù)報(bào)。此后國內(nèi)不少學(xué)者基于GIS進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測和水資源保護(hù)方面的研究，如何進(jìn)朝等建立了水質(zhì)動(dòng)態(tài)管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、水質(zhì)評(píng)價(jià)和預(yù)測、系統(tǒng)維護(hù)等功能；張俐等以GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行一維恒定流方程組和二維水質(zhì)模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了濃度場在GIS平臺(tái)上的可視化；秦福來等在GIS和非點(diǎn)源污染模型SWAT的技術(shù)支持下，對(duì)DEM在非點(diǎn)源污染研究中的應(yīng)用進(jìn)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(píng)價(jià)了非點(diǎn)源污染對(duì)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(chǔ)的地形信息為流域水系統(tǒng)信息參數(shù)的自動(dòng)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(tái)。 　　　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(gè)地區(qū)進(jìn)行了實(shí)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(diǎn)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(jì)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(diǎn)。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(duì)徑流過程的影響基礎(chǔ)上，提出一個(gè)動(dòng)態(tài)分布式降雨徑流流域模型，實(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)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(bào)精度，適合不同水文特征地區(qū)的產(chǎn)匯流計(jì)算 　　　當(dāng)前GIS技術(shù)已逐步應(yīng)用到了水文水資源領(lǐng)域的各個(gè)方面。除以上五個(gè)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(qiáng)GIS應(yīng)用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究 　　　在實(shí)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(dú)立開發(fā)的。由于缺乏一個(gè)完整的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)平臺(tái)、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(diǎn)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(qiáng)GIS應(yīng)用規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)GIS應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確，并及時(shí)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(cái)力，必須集中財(cái)力保證重點(diǎn)，分布實(shí)施，成熟后再予以推廣，就我國當(dāng)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(dāng)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(duì)水文水資源信息具備了較強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算方法和軟件逐步過渡到以柵格為計(jì)算空間數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)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(diǎn)。 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(shí)空動(dòng)態(tài)特征，所以需要開發(fā)能實(shí)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(jìn)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(jì)算機(jī)與空間技術(shù)的進(jìn)步以及水文水資源領(lǐng)域的發(fā)展要求，GIS將由獨(dú)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(jìn)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(jìn)步和社會(huì)需求的變化，其含義也會(huì)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。