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GIS在流域水資源管理中的應用逐步成熟

2010-11-12 08:57:33

GIS在流域水資源管理中的應用逐步成熟
 
    水資源作為人類社會生存和發展的基本條件,其綜合開發利用越來越受到重視。但由于人類對水資源規律認識的不足以及常規的規劃和管理手段的局限性,對水資源實現綜合全面的管理難度很大。隨著計算機技術的發展尤其是GIS技術的逐步成熟,開發基于GIS系統的綜合水資源管理系統成為可能。在遼河流域水資源管理系統的建設過程中,GIS作為基礎的數據平臺對數字化地圖等空間數據和水文信息等屬性數據進行統一的管理,同時,GIS還為流域規劃項目中所采用的水量模型(IGSM)和水質模型(MIKE11)等提供了統一的數據接口,將各個環境模型很好的銜接和協調起來。GIS系統強大的圖形處理和輸出能力更為水資源管理決策提供了直觀的數據支持。從遼河水資源管理系統實際的應用情況來看,GIS技術在流域水資源相關空間數據的獲取、管理、分析、模擬和顯示等方面起到了不可替代的作用,在評價水資源規劃方案和進行復雜的水資源管理決策方面也起了重要的支持作用。

    2GIS技術和水資源管理的結合

    (1)GIS技術的優勢

    GIS是以地理空間數據庫為基礎,在計算機軟硬件的支持下,對空間相關數據進行采集、管理、操作、分析和顯示的計算機系統。它采用地理模型分析方法,適時提供多種空間地理信息,輔助相關的地理研究和地理決策[1]。由于GIS可將地理空間模型化并存儲在計算機中,因此它還具有對研究對象進行描述、模擬和預測的功能。相對于常規意義上的信息系統,GIS具有空間分析能力強、數據來源廣泛、工作方式直觀形象等特點[2],在對空間數據的查詢和分析功能要求較高的領域得到了廣泛的應用。

    (2)流域水資源管理的內容

    流域水資源管理是對流域水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護等方面在系統層次上的定量分析和綜合集成。一方面它提供了進行流域國土規劃和經濟布局規劃的水資源基礎,另一方面它通過對水量時空分配的再調整和水環境標準的制定,協調了防洪除澇、節水灌溉、城鎮供水、水利發電、水土保持等專項規劃之間的關系,在人類開發利用水資源的全過程中占有重要地位。由于水的流動性特點,在流域內一個點上的擾動會影響到周邊和下游地區[3],因此在進行流域水資源綜合管理的過程中,必須基于相應的環境模型分析各項管理戰略和開發方案的環境影響,同時結合當地的自然和社會條件,以及各方對水資源功能的要求進行綜合、分析和比較,最終擬定流域內水資源管理的最優方案。

    由此可見,在進行力流域水資源規劃和管理過程中,非常強調運用各種環境過程模型,如穩態和動態水流模型、多維水質模型和污染擴散模型等。這些模型大都具有明顯的空間特性[4],但這些環境模型在對空間數據的操作尤其是在結果顯示方面仍顯困難。而空間分析和空間數據管理正是GIS的優勢。GIS可以為這些環境模型提供整體的基于GIS邏輯原理的空間操作規范,用以反映具有空間分布特性的模型研究對象的移動、擴散、動態變化及相互作用過程。在GIS中,基本概念是空間位置、空間分布和空間關系,而基本研究對象是被抽象成點、線、面的空間實體及其相關屬性。與之相對應,在環境模型中,基本概念是物質、能量及其運動轉化,而基本研究對象是諸如水、人口等明顯具有空間分布特性的環境要素[5]。GIS和環境模型在概念和研究對象上的相似性、互補性,使得二者的結合合理又具有實用價值。

    在歐盟-遼寧水資源項目中,基于GIS的水資源管理系統的流程如下所示:

    3基于GIS的流域水資源管理系統設計

    3.1系統目標

    以遼河流域的水資源規劃和管理為例,建立基于GIS的流域水資源綜合管理系統的設計目標主要包括以下幾個方面:

    (1)能存儲和處理流域水文學和社會經濟的相關資料,并能提供查詢功能。

    (2)通過基于GIS的查詢和分析,能提供必需的空間信息,為今后水利工程布局提供基礎數據。

    (3)能為決策機構提供豐富的社會經濟信息,為水資源的調配提供依據。

    (4)可對水資源開發利用現狀及存在的主要問題以及未來需求量進行評估和預測。

    (5)能對水資源的開發潛力進行分析計算,為合理開發水資源提供決策依據。

    (6)結合相關的環境模型,能對水資源開發戰略和方案做出評估

    3.2系統結構

    為了安全、高效的實現數據的存儲、分析和共享,基于GIS的水資源管理系統應采用C/S模式和B/S模式相結合的網絡結構(見圖2)。在數據庫管理方面,可通過面向對象的空間數據管理系統和基于關系數據庫的空間數據庫來實現數據的無縫集成。

   3.3系統模塊設計

    基于上述分析,遼河流域水資源管理系統主要集成以下模塊:數據錄入模塊、檢索和查詢模塊、統計分析模塊、空間分析模塊、輔助決策分析模塊和數據輸出模塊。。   

    (1)數據錄入模塊。用于系統中空間和屬性數據的獲取與更新?臻g和屬性數據可通過鍵盤、掃描儀及數字化儀等輸入設備錄入計算機,也可從其它系統直接將數據轉入本系統,同時這一模塊還提供對數據的適時更改和補充功能。

    (2)檢索與查詢模塊。提供屬性-空間的邏輯查詢和空間-屬性的空間查詢功能。由于GIS系統中數據同地圖中點、線、面相對應,這兩種操作實際結果是一致的。數據庫的操作能及時反映在地圖上,而對地圖的操作也能在數據庫中表現出來。

    (3)統計分析模塊。包括對查詢結果的統計分析、對空間分析結果的統計分析以及對水文、土壤、人口、經濟等監測數據的統計分析。統計的范圍可由用戶自行設定,如通過矩形、圓形或多邊形工具來確定范圍大小。同時,這種統計分析功能既可進行一項數據的統計分析,也可對多項數據同時進行統計分析查詢,查詢結果可通過報表、地圖、表格或文字說明的形式打印輸出。   

    (4)空間分析模塊。負責對圖形進行地形分析、緩沖區分析、空間疊置分析等操作,并能將分析結果進行匯總,以各種專題圖表及統計圖表的形式輸出。

    (5)輔助決策分析模塊。主要包括水量計算模型(如遼河流域項目中使用的IGSM水資源模型)、水質模型(如MIKE11模型)、水資源供需分析及預測模型、決策支持系統模型等。以上模型可對一項或多項數據進行預測或評價,從而了解流域或特定地區水資源開發利用情況及發展趨勢。同時,通過模型模擬出各個候選方案的實施效果后,可利用決策支持系統模型優化出水資源合理開發利用和管理的最佳方案,為最終的水資源管理和規劃決策提供直接的依據。

    (6)數據輸出模塊?蓪⒔y計、分析和決策的結果以文本、報表或圖形的形式輸出。

    4系統功能實現

    基于GIS的水資源管理系統可實現如下主要功能:

    (1)預測分析

    例如通過輸入動態的監測數據,可適時做出地下水位等值線圖,并經系統的空間分析模型計算出地下水庫的庫容量,進而利用輔助決策分析模塊中的水資源預測模型對未來地下水資源的變化趨勢進行預測。

    (2)水資源調度分析

    根據農業、工業等部門在當時國民經濟中的比例及生產現狀進行指標分析,確定合理的供水量,使有限的水資源得到最優的分配,進而發揮出最大的經濟效益。

    (3)信息檢索和查詢

    可對研究區歷年觀測的水文資料進行檢索,如歷年降水量、徑流量、地下水位年變化和月變化、水庫入庫量、廢水排放量等。還可對系統內存儲或經系統分析而派生出各種圖形文件進行查詢,如耕地、渠道、河流水系、水庫地形等高線、典型年降水量等值線等。

    (4)模擬與決策

    如利用水量計算模型和水質評價模型對候選的可行水資源管理方案的實施效果進行模擬,直觀的對候選方案進行評價。進一步可將預測結果輸入決策支持系統模型,求得規劃方案的最優解。
 

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