GIS技術在水資源領域的應用與發展

地理信息系統（GIS）是以計算機爲基礎的綜合處理和空間數據分析系統，是集計算機科學、管理科學、信息科學、地學等爲一體的新興邊緣研究領域。20世紀70年代，美國田納西河流域管理局利用GIS技術處理分析各類流域數據，爲流域管理和規劃提供決策服務，GIS便開始逐漸應用於水文水資源領域。80年代後隨着計算機技術的飛速發展，GIS與水文水資源領域也有了普遍結合。
1    應用進展
1.1    在水資源評價和規劃中應用
　　　水資源評價和規劃中涉及大量的空間信息，如行政區劃、河流水系、地形地貌、水利工程分佈、水文站控制斷面位置以及人口、實測水文數據等屬性數據，GIS能夠支持這些具備明顯的時維性數據的獲取、管理、分析、模擬及顯示。
　　　根據大汶河流域水資源量的造成、多少及分佈受地形地貌、植被等下墊面要素和降水量的影響等特色，利用GIS創建了水資源計算與評價模型；探討了如何將GIS技術應用到淮海流域的水資源綜合規劃中。此外，近年GIS技術在我國水環境質量評價與規劃中也獲得了愈來愈普遍的應用，
　　　在國外，Gupta等早在1977年就實現了將柵格型GIS數據管理工具用於流域規劃。隨後歐洲一些研究機構也聯合開發了具備水文過程模擬、水污染控制、水資源規劃等功能的流域規劃決策支持系統「WATERWARE」。近年Carlo等在GIS平臺上開發了Ag-PIE模型，用於評價因爲農業生產形成的地表和地下水水質降低的程度。
1.2    在區域水資源管理中的應用
　　在GIS基礎上創建的水資源管理信息系統，可爲水資源管理提供迅速而全面的信息支持。以MapInfo爲開發平臺，將全國河流水系、水文站網、行政區劃和重要城市等地理要素集成爲一個總體，創建了全國水文站網管理信息系統，爲優化水文站網和提升站網管理水平提供了信息支撐。GIS在灌區水資源管理中也獲得了普遍應用，創建了遼寧省農田水利管理信息系統，改善了遼寧省農田水利的管理等。
　　自20世紀70年代美國田納西河流域管理局利用GIS技術處理和分析各類流域數據，開始爲流域管理提供決策服務以來，GIS技術亦普遍應用於國外的水資源管理中。如美國科羅拉多州的一些機構聯合開發了科羅拉多河決策支持系統，GIS被用於流域空間的存儲、檢索、分析和顯示，以便於科羅拉多河水資源的管理。在灌區的水資源管理方面，位於美國德克薩斯州Lower Rio Grande Valley的8個灌區較早地開發以GIS爲基礎的灌區管理系統（DMS）。
1.3    在防洪減災中的應用
   GIS技術能夠做爲防汛決策支持系統或信息管理系統的平臺，並在此基礎上進行災情評估和洪澇災害風險分析。我國一些科研部門和流域水管理機構前後將GIS技術應用於防洪決策支持系統和洪水災情評估系統的開發，部分省份和城市相應創建了基於GIS的城市防洪決策支持系統。此外，基於GIS的洪水演進模擬已在我國許多單位研製成功，技術也至關成熟。
　　　在國外，Davis曾將HEC-一、HEC-2與 GIS結合對洪水、水質和土坡侵蝕進行了模擬，可很好地用於洪災損失評估。
1.4    在水環境監測和水資源保護中的應用
    GIS技術爲水循環監測和區域水資源保護管理和決策提供了方便、直觀和科學的工具，管理者可經過資料查詢分析水質變化特色和將來趨勢並瞭解方案實施效果，特別是當污染事故發生時藉助GIS能迅速模擬預測污染物將來的時空分佈特徵，從而爲迅速採起應急措施提供決策依據。在國內，上海市環境管理部門於20世紀80年代末開始GIS的應用研究，創建了黃浦江流域水環境GIS，該系統具備動態監測顯示、水污染過程模擬及取水口水環境管理功能，可對水質作出快速預測分析和預報。此後國內很多學者基於GIS進行水質監測和水資源保護方面的研究，如何進朝等創建了水質動態管理信息系統，實現了水質監測、實時數據處理、水質評價和預測、系統維護等功能；張俐等以GIS數據爲基礎進行一維恆定流方程組和二維水質模型計算，實現了濃度場在GIS平臺上的可視化；秦福來等在GIS和非點源污染模型SWAT的技術支持下，對DEM在非點源污染研究中的應用進行了有益的探討。
　　　在國外，爲了支持各類層次的水資源和水環境管理，美國國家環保局基於GIS技術和地調局水文數據開發了全美河段文件。He等將AGNPS、GRASS與GRASS Water Works模型集成在一塊兒，綜合評價了非點源污染對美國密歇根州Cass河水質的影響，近年來，Boyle等創建的IDOR2D系統將水污染模型與GIS集成。
1.5    在水文模擬中的應用
　　　基於GIS的數字地形模型（DTM）和數字高程模型（DEM）存儲的地形信息爲流域水系統信息參數的自動化提取提供了可能。經過GIS提取流域特徵，不只可使GIS與傳統的概念性水文模型相結合，更重要的是其爲物理性分佈式水文模型的研製提供了平臺。
　　　國外的分佈式水文模型起始於1969年，比較著名的有TOPMODEL、SHE、IHDM模型和美國農業部的SWAT模型，目前獲得了長足發展並在多個地區進行了實踐和應用。近年出現的基於不規則三角網格（TIN）構建出得徹底分佈式模型，只需原始柵格節點的5%~10%就能夠充分描述流域地形的水文特徵，大大提升了分佈式模型的計算效率，爲大型流域的水文模擬提供了可能，是從此分佈式水文模型研究的熱點。國內的分佈式水文模型研究起步較晚，沈曉東等在研究降雨和下墊面天然地理參數空間分佈的不均勻性對徑流過程的影響基礎上，提出一個動態分佈式降雨徑流流域模型，實現了基於柵格DEM的坡面產匯流與河道匯流的數值模擬；郭生練等創建了一個基於DEM的分佈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，基於DEM創建了參考做物蒸散量的分佈式模型；李蘭等在提出的變更生態產流模式的概念基礎上創建了LL-I分佈式降雨徑流模型，能明顯改善模擬預報精度，適合不一樣水文特徵地區的產匯流計算
　　　當前GIS技術已逐步應用到了水文水資源領域的各個方面。除以上五個方面外，GIS技術還在水利工程移民安置、旱情分析預測、庫區地質分析等多方面獲得成功的應用。
2    發展趨勢與展望 
2.1    增強GIS應用規範和標準的研究
　　　在實際操做中，GIS的應用和開發基本上是各部門根據具體的生產和科研須要而獨立開發的。因爲缺少一個完整的技術規範和標準，開發平臺、數據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，儘管行業規範的試點工做已經開始，但仍然存在與國家規範保持一致的問題，所以應增強GIS應用規劃和標準研究。
2.2    創建水文水資源地理空間數據庫
　　空間數據庫是系統的核心、決策的基礎，於是必須在增強GIS應用標準化、規範化的基礎上大力開展基礎數據庫德建設，尤爲是具備水文水資源領域特點的數據庫，如雨情和水情數據庫、水旱災情數據庫、蓄滯洪區空間展布式社會經濟數據庫等。此外，數據庫還要包括流域流域內天然資源和社會經濟環境的基本數據。數據庫的數據採集要保持全面、準確，並及時更新。
2.3    創建水文水資源空間決策支持系統
　　空間決策支持系統（SDSS）是近年來在常規決策支持系統和GIS相結合的基礎上發展起來的一種新型信息系統。因爲其開發難度大，須要大量的人力和財力，必須集中財力保證重點，分佈實施，成熟後再予以推廣，就我國當前情況來看，長江和黃河的防洪決策支持系統以及黃河的水資源調度系統是當務之急，應該優先創建並逐步完善。
2.4    GIS與水文水資源專業模型的融合
　　在目前的一些水文水資源專業模型中，儘管大多數GIS對水文水資源信息具有了較強的數據存儲、管理和輸入輸出功能，但其主要是以數據爲中心，在表達水文地理空間、水文現象空間分析和支持決策的能力方面還遠遠不夠，尤爲體如今基於GIS、RS的分佈式水文模型中。如何將現有的各種計算方法和軟件逐步過渡到以柵格爲計算空間數據管理功能，實現水文水資源專業模型與GIS的集成，是從此的研究重點。
2.5    水文水資源領域要求GIS向多維方向發展
　　　因爲水文水資源變化過程具備明顯的時空動態特徵，因此須要開發能實現三維和四維空間分析和顯示等功能的GIS軟件。目前只有少許的GIS軟件能夠進行真三維的分析，如IVM、SGM、GRASS系統等，但它們在幾何建模和分析功能上存在不足。隨着計算機與空間技術的進步以及水文水資源領域的發展要求，GIS將由獨立的系統走向兼容與集成，從二維走向多維。
3    結語   
   GIS的應用促進了水文水資源領域的發展，反過來，水文水資源領域對GIS的需求又加快了GIS的更新換代，水文水資源、地理信息系統隨着技術的進步和社會需求的變化，其含義也會發生相應的變化。「數字水利」的提出，以及工程水利向資源水利、傳統水利向現代水利和可持續發展水利的轉變，水利信息化是必由之路，可見GIS與水文水資源研究緊密結合的應用前景將十分廣闊。