GIS在流域水资源管理中的应用

水资源作为人类社会生存和发展的基本条件，其综合开发利用越来越受到重视。但由于人类对水资源规律认识的不足以及常规的规划和管理手段的局限性，对水资源实现综合全面的管理难度很大。随着计算机技术的发展尤其是GIS技术的逐步成熟，开发基于GIS系统的综合水资源管理系统成为可能。在辽河流域水资源管理系统的建设过程中，GIS作为基础的数据平台对数字化地图等空间数据和水文信息等属性数据进行统一的管理，同时，GIS还为流域规划项目中所采用的水量模型（IGSM）和水质模型（MIKE11）等提供了统一的数据接口，将各个环境模型很好的衔接和协调起来。GIS系统强大的图形处理和输出能力更为水资源管理决策提供了直观的数据支持。从辽河水资源管理系统实际的应用情况来看，GIS技术在流域水资源相关空间数据的获取、管理、分析、模拟和显示等方面起到了不可替代的作用，在评价水资源规划方案和进行复杂的水资源管理决策方面也起了重要的支持作用。

2 GIS技术和水资源管理的结合
（1）GIS技术的优势
GIS是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析和显示的计算机系统。它采用地理模型分析方法，适时提供多种空间地理信息，辅助相关的地理研究和地理决策 [1]。由于GIS可将地理空间模型化并存储在计算机中，因此它还具有对研究对象进行描述、模拟和预测的功能。相对于常规意义上的信息系统，GIS具有空间分析能力强、数据来源广泛、工作方式直观形象等特点[2]，在对空间数据的查询和分析功能要求较高的领域得到了广泛的应用。
（2）流域水资源管理的内容
流域水资源管理是对流域水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护等方面在系统层次上的定量分析和综合集成。一方面它提供了进行流域国土规划和经济布局规划的水资源基础，另一方面它通过对水量时空分配的再调整和水环境标准的制定，协调了防洪除涝、节水灌溉、城镇供水、水利发电、水土保持等专项规划之间的关系，在人类开发利用水资源的全过程中占有重要地位。由于水的流动性特点，在流域内一个点上的扰动会影响到周边和下游地区[3]，因此在进行流域水资源综合管理的过程中，必须基于相应的环境模型分析各项管理战略和开发方案的环境影响，同时结合当地的自然和社会条件，以及各方对水资源功能的要求进行综合、分析和比较，最终拟定流域内水资源管理的最优方案。
由此可见，在进行力流域水资源规划和管理过程中，非常强调运用各种环境过程模型，如稳态和动态水流模型、多维水质模型和污染扩散模型等。这些模型大都具有明显的空间特性[4]，但这些环境模型在对空间数据的操作尤其是在结果显示方面仍显困难。而空间分析和空间数据管理正是GIS的优势。GIS可以为这些环境模型提供整体的基于GIS逻辑原理的空间操作规范，用以反映具有空间分布特性的模型研究对象的移动、扩散、动态变化及相互作用过程。在GIS中，基本概念是空间位置、空间分布和空间关系，而基本研究对象是被抽象成点、线、面的空间实体及其相关属性。与之相对应，在环境模型中，基本概念是物质、能量及其运动转化，而基本研究对象是诸如水、人口等明显具有空间分布特性的环境要素[5]。GIS和环境模型在概念和研究对象上的相似性、互补性，使得二者的结合合理又具有实用价值。
在欧盟-辽宁水资源项目中，基于GIS的水资源管理系统的流程如下所示：

3 基于GIS的流域水资源管理系统设计
3.1 系统目标
以辽河流域的水资源规划和管理为例，建立基于GIS的流域水资源综合管理系统的设计目标主要包括以下几个方面：
(1)能存储和处理流域水文学和社会经济的相关资料，并能提供查询功能。
(2)通过基于GIS的查询和分析，能提供必需的空间信息，为今后水利工程布局提供基础数据。
(3)能为决策机构提供丰富的社会经济信息，为水资源的调配提供依据。
(4)可对水资源开发利用现状及存在的主要问题以及未来需求量进行评估和预测。
(5)能对水资源的开发潜力进行分析计算，为合理开发水资源提供决策依据。
(6)结合相关的环境模型，能对水资源开发战略和方案做出评估
3.2 系统结构
为了安全、高效的实现数据的存储、分析和共享，基于GIS的水资源管理系统应采用Ｃ/Ｓ模式和Ｂ/Ｓ模式相结合的网络结构（见图2）。在数据库管理方面，可通过面向对象的空间数据管理系统和基于关系数据库的空间数据库来实现数据的无缝集成。

3.3 系统模块设计
基于上述分析，辽河流域水资源管理系统主要集成以下模块：数据录入模块、检索和查询模块、统计分析模块、空间分析模块、辅助决策分析模块和数据输出模块。（见下图）。

（1）数据录入模块。用于系统中空间和属性数据的获取与更新。空间和属性数据可通过键盘、扫描仪及数字化仪等输入设备录入计算机，也可从其它系统直接将数据转入本系统，同时这一模块还提供对数据的适时更改和补充功能。
（2）检索与查询模块。提供属性-空间的逻辑查询和空间-属性的空间查询功能。由于GIS系统中数据同地图中点、线、面相对应， 这两种操作实际结果是一致的。数据库的操作能及时反映在地图上，而对地图的操作也能在数据库中表现出来。
（3）统计分析模块。包括对查询结果的统计分析、对空间分析结果的统计分析以及对水文、土壤、人口、经济等监测数据的统计分析。统计的范围可由用户自行设定，如通过矩形、圆形或多边形工具来确定范围大小。同时，这种统计分析功能既可进行一项数据的统计分析，也可对多项数据同时进行统计分析查询，查询结果可通过报表、地图、表格或文字说明的形式打印输出。 
（4）空间分析模块。负责对图形进行地形分析、缓冲区分析、空间叠置分析等操作，并能将分析结果进行汇总，以各种专题图表及统计图表的形式输出。
（5）辅助决策分析模块。主要包括水量计算模型(如辽河流域项目中使用的IGSM水资源模型)、水质模型（如MIKE 11模型）、水资源供需分析及预测模型、决策支持系统模型等。以上模型可对一项或多项数据进行预测或评价，从而了解流域或特定地区水资源开发利用情况及发展趋势。同时，通过模型模拟出各个候选方案的实施效果后，可利用决策支持系统模型优化出水资源合理开发利用和管理的最佳方案，为最终的水资源管理和规划决策提供直接的依据。
（6）数据输出模块。可将统计、分析和决策的结果以文本、报表或图形的形式输出。

4 系统功能实现
基于GIS的水资源管理系统可实现如下主要功能：
（1）预测分析
例如通过输入动态的监测数据，可适时做出地下水位等值线图，并经系统的空间分析模型计算出地下水库的库容量，进而利用辅助决策分析模块中的水资源预测模型对未来地下水资源的变化趋势进行预测。
（2）水资源调度分析
根据农业、工业等部门在当时国民经济中的比例及生产现状进行指标分析，确定合理的供水量，使有限的水资源得到最优的分配，进而发挥出最大的经济效益。
（3）信息检索和查询
可对研究区历年观测的水文资料进行检索，如历年降水量、径流量、地下水位年变化和月变化、水库入库量、废水排放量等。还可对系统内存储或经系统分析而派生出各种图形文件进行查询，如耕地、渠道、河流水系、水库地形等高线、典型年降水量等值线等。
（4）模拟与决策
如利用水量计算模型和水质评价模型对候选的可行水资源管理方案的实施效果进行模拟，直观的对候选方案进行评价。进一步可将预测结果输入决策支持系统模型，求得规划方案的最优解。

5结束语
随着辽河水资源短缺危机的日益凸现，开发基于流域的综合水资源管理系统的需求越来越迫切。开发流域水资源管理系统是一项综合的系统工程，需要水文学、环境学、运筹学等多学科的支持[6]。在这诸多辅助技术中，GIS由于其高效地处理空间和属性数据的能力，在水资源管理系统的构建中起到了不可忽视的作用。虽然现阶段GIS和水资源管理系统的结合还有着许多不完善之处，但随着这项技术的不断成熟，这些问题必将得到逐步解决，GIS在流域水资源管理领域中的应用也将更加广泛。

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