学士学位论文--gis在水资源管理中的应用.doc

学 士 学 位 论 文题 目 GIS在水资源管理中的应用学 生 郑昌军指导教师 马大龙 讲师年 级 2009级专 业 地理信息系统系 别 地理信息系学 院 地理科学学院哈尔滨师范大学2013年5月GIS在水资源管理中的应用郑昌军摘要：随着我国国民经济的快速发展，地理信息系统GIS（Geographic Information System）作为一门新兴科学，以它独特的空间分析功能和属性信息相结合的方式，已经广泛应用于资源管理、环境监测、灾害评估、城市规划等许多领域。应用GIS，可以从空间上、时间上彻底了解水资源的现状与变化发展和变化规律，奠定水资源管理所需要的数字基础可以直观表现水资源状况，更好地认识水资源的变化规律；可以完成许多传统方法无法进行的信息处理和分析工作，为水资源管理提供直观、系统、科学的管理工具；可以规范管理数据，实现信息共享，便于各部门数据的交换，改进和完善水资源调度管理与数据更新维护机制。 关键字：水资源管理；地理信息系统；应用一、地理信息系统与水资源管理（一） 地理信息系统的概念地理信息系统是以地理空间数据为基础，采用地理模型分析方法，适时地提供多种空间和动态的地理信息是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。其基本功能是将表格型数据（无论它来自数据库、电子表格文件或直接在程序中输入）转换为地理图形显示，然后对显示结果进行浏览、操作、分析。其显示范围可以从洲际地图到非常详细的街区地图，显示对象包括人口、销售情况、运输路线和其他内容。（二）GIS在水资源管理中应用的目的与意义中国是一个水资源相对贫乏的国家，自古以来旱灾就是中国的主要自然灾害之一。随着我国社会经济的快速发展和人口的增长，对水的需求量急剧增加，水资源供需矛后口趋尖锐。从当前和21世纪的发展来看，洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化二大问题，特别是干旱缺水问题，已经成为我国社会经济可持续发展的重要制约因素。联合国世界水资源综合评估报告指出:水问题将严重制约21世纪全球经济与社会发展，并可能导致国家间的冲突探讨21世纪水资源的国家战略及其相关科学问题，是目前各国政府的重点议题之一。由此可见水资源供需矛后是当今世界各国面临的重大问题，水资源供需矛后已成为制约各国国民经济发展的重要因素。因此，近几十年来，很多国家都于分重视水资源研究，考虑如何合理开发与综合利用并且保护好水资源，包括估算地区或流域水资源量、研究水利系统最优开发方案、制定水资源政策、提倡节约用水、预测未来需水量、预计人类活动对环境和水循环的影响、研究开发新水源(例如回收工业用水、处理污水、淡化海水、跨流域调水)等等。 我国多年平均水资源总量为28100亿m³，居世界第6位，但人均水资源量只有2300m，约为世界人均水平的1/4，居世界第121位。由于降水量和水资源地区分布不均，年内、年际变化很大，加上水土资源组合严重不平衡，使得我国成为一个水旱灾害频繁、生态环境脆弱的国家。 1993年国际人口行动提出的“持续水一人口和可更新水的供给前景”报告认为:区域人均水资源量，少于1700m³将出现用水紧张(water stress)现象;少于1000m³将面临缺水(water scarcity);少于500m³则严重缺水(absolute scarcity)。按此标准，则我国有8个省区面临缺水或严重缺水，4个省区用水紧张(过境水大的省区除外)。全国人均水资源占有量低于全国平均水平的省区有18个，且基本都在我国北方地区。若按上述标准，则目前全国有4.3亿人口面临缺水，其中3.9亿的人口面临严重缺水。目前，我国北方缺水地区的水资源开发利用程度已很高，生态环境已受到明显影响，而水的利用效率和管理水平有待提高，所以如何提高水资源的利用效率和管理水平直接影响着我国经济和社会的可持续发展。我国国土辽阔，降水和蒸发在不同地域变化较大，生态环境空间特征差异明显，单位面积水资源产水量严重不平衡。全国单位面积产水量平均为29.3万m³/km2，但全国有15个省级行政区低于平均值，且都在干旱、半干旱的北方地区这种水资源空间分布对我国区域发展的影响是非常不利的。由于受季风气候影响，我国降水量和径流量年内的季节性变化明显，年际变化也很大，并且有少水年和多水年的持续出现。据多年的统计，我国降水量的丰枯变化周期大约有30-40年短周期和60-80年长周期。在一年内降雨也很不平衡，我国大部分地区是冬、春少雨，夏、秋多雨，水资源时间分布对我国区域发展的影响也是不利的。 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 。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，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。（三）利用GIS对水资源管理的必然性随着人类社会的不断发展，所需求的资源量日趋增加，而地球上的许多资源不仅总量不多，而且分布非常不均匀，甚至有些资源出现了即将枯竭的情况，成为了制约社会和经济发展的因素。而在这些资源中，水资源的重要性不言而喻，水是生命之源，离开了水，没有生物能够生存。在我国，水资源短缺的问题显得尤其突出。我国的人均水资源占有量只有2200立方米，仅为世界平均水平的1/4，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。同时，现存的水资源还受到了污染，使得原本严重的水资源短缺问题显得更加严重。鉴于这样的局面，如何对现有的水资源进行高效而准确的管理，是一个有待解决的问题。与水资源相关的数据量是海量的，因此，如果想要对水资源进行管理，就需要对海量的数据进行分析管理，同时，随着现实情况的不断改变，数据还要随之不断修改、更新、添加、删除等。这对管理方式有着很高的要求。GIS技术在水资源管理中有很大的作用，究其原因，与GIS 的特点有很大的关系。GIS有着空间定位特征、多维结构特征和明显的时序特征。而水资源数据作为空间数据，必定依附于空间坐标，同时GIS在处理海量数据方面有着其独特的优势，因此被广泛地用于水资源管理中。二、地理信息系统在水资源管理中的应用(一)水资源数据库的建立水文部十五规划中明确指出：“建设水文信息系统时，要以地理信息系统(GIS)为框架。” 水文部领导也同时指出：“创新是科技发展的动力，对于水文系统的科技人员，当务之急不但要迅速掌握GIS 这种新技术，还要不断追踪GIS 的新发展，高质量地为水文各项业务服务。”所以GIS将会在水文水资源中发挥重要的作用。水文水资源对GIS的主要要求有1：（1）系统要具有良好的可扩展性（2）系统要以数学模型和决策分析为支撑（3）系统要求界面友好、工具丰富（4）系统要应用最先进技术，并具有良好的开放性（5）系统要能够管理海量数据（6）系统要支持综合信息的网络发布（7）系统要应用成熟的技术水资源数据库建设是极其复杂系统工程。首先，水资源数据是多维的。例如，对于每一个水情监测数据，它都有个时间戳，记录了数据采集的时间。同时每个数据还有个地理戳，记录了数据采集的具体位置。这样时间维、空间维和各个主题域(水情状况)一起构成了水情多维数据。其次，水资源监测原始数据在采样时间上精确到了分钟(采样时间、采样时分)，在取样位置上又精确到了测点(测站、断面、测线、测点)，因此数据量是极其庞大的。为了方便更好地查询和分析数据，需要对原始监测数据进行综合。总体上看来，在水资源信息系统中，涉及到的数据可以分为两大类：空间数据和属性数据。空间数据库包括两大类；一类是基础地理数据库，包括边界图、行政区划图、水系图(河流、渠道、水库)、居民地分布图、地形、交通等等，这一类数据主要是作为背景显示；另一类是水资源专题图层，这一类包括水情监测站点分布图等、水资源功能区划图等。属性数据库主要是相对空间数据库而言的，它一般可以用二维表的形式存储数据。水资源信息.系统中涉及到的属性数据包括2：（1）水环境地区社会经济数据；（2）水情监测站点基本信息；（3）监测断面信息；（4）水情、汛情统计数据等。（二）功能在水资源数据库的基础上，利用GIS 可实现图形和属性数据的双向查询，对水资源数据进行科学管理，在此基础上做出评价。快速掌握水文水资源内的各种信息，并且能够实时地根据实际情况进行数据更新，使水资源管理达到系统化、科学化，促进水文水资源的有效开发和可持续利用。借助此类基于GIS 的管理系统可以自动生成流域自然地理和社会要素底图，以及以这些底图为基础的流域水资源供需图、灌溉规划图、水污染分布图、洪水来源以及洪水影响图等。应当指出，要想利用GIS 建立完善的水资源管理系统，还要进一步进行水资源系统模拟和辅助决策支持方面的研究。尽管GIS 本身并不提供任何系统模拟分析和辅助决策支持功能，但利用其动态数据维护能力，结合专业性的模拟分析工具，可以提供一个实时的水资源辅助分析系统。这个系统具有向决策者提供各种信息的能力，并且能够显示出一些不能直接从数据中一眼得出的信息，将不同的信息进行综合地分析，节约了许多的时间，结果也更为准确，与此同时，水文水资源决策者还可以独立地根据情况的变化和新的数据调整决策方案，分析决策效果，使决策更加地科学化。（三）地理信息系统在水资源管理中的应用领域GIS技术在水资源管理方面有着很多的应用，其中主要有以下几个领域：水污染控制规划、给水管网信息管理、水文情报预报、水环境管理、地下水水质评价和预测、生态用水量计算、流域水量调度系统、突发性水污染事故应急响应、地表水或地下水数据库的集成、地下水脆弱性评价、地下水功能评价等。（四）指导思想水资源管理信息系统为水资源管理提供数字基础和技术手段，而水资源普查则是系统建立的良好契机，它从管理入手解决了系统数据采集范围广、协调难度大的问题。 首先确定在明确了普查任务和内容的前提下，采用统一的规范和标准，用GIS技术与思想贯穿整个水资源普查的工作过程，其中包括水资源普查实施方案的制定、大量水资源信息的采集和整理、水资源普查数据的汇总和水资源数据库的建立、普查数据的统计分析和成果总结等各项工作的实施。以信息系统规范和优化普查工作，通过普查工作完成信息采集，最终建成普查管理信息系统。它不仅面向数据管理，而且具有强大的信息处理、水利计算、专题图制作等功能，满足水资源管理中综合查询、统计分析、计算处理、图形输出、信息管理需要，使水资源管理建立在准确、完备、直观、可量测的信息基础上。通过水资源普查与信息管理系统的建立，全面奠定以地理空间为主线的水资源管理数字基础，使水资源管理由传统的文字、表格形式，提高到统一空间定位基础上的数据库与信息系统管理方式，推动水资源管理信息化进程。 三、功能设计 围绕水资源普查管理内容和水资源管理业务特点，可以要分成五大功能模块，分别是： （一）系统管理模块系统管理模块主要包含系统各级权限管理（如系统管理员权限、不同管理部门对相关数据的管理权限、数据修改权限等）、数据的导入与导出、历史数据的保存、系统登录与退出等。 （二） 图形显示、浏览模块 即基本的GIS图形操作模块。如：视图的放大缩小；特定比例的图形显示；视图的漫游，能使用户按同比例浏览图形不同区域；全景浏览，可显示视图的全局状况；快速定位，通过已知区域的名称快速定位到某一区域；活动层设置，能使不同图层快速成为当前活动层；标注的动态显示，能根据视图不同比例显示名称标注，如：河名等，以增加视觉效果；鹰眼功能，即图层索引功能，局部区域显示的范围能在全局图上得以表示，而全局图上的拖曳又同步的反映在局部图上显示区域的变化上。 （三） 图层显示控制功能 系统把30多个图层根据普查特点分成五大类别，分别为: 河道（湖泊）、水资源、水环境、水利工程、基础图层，每一个类别中分别包含了许多相关图层，图层的显示与否可根据需要点击，其颜色、标志可以方便地进行客户化修改；面状图层颜色、线形可选择不同类型。 （四）信息查询、统计定位模块 本模块包括三个部分，分别为信息查询、专题统计、图形定位。信息查询包括空间要素查询和属性信息查询，查询出来的结果能生成统一的报表，查询出的图形记录能闪烁而突出显示并可把视图定位到当前记录，而定位是对查询出的记录集的定位。专题统计是按水利分类的各种专题进行统计，形成统一的报表。（五）数据维护模块 数据维护模块主要解决数据的实时、动态更新，是系统用于实际工作的重要保证。它包含空间图形维护与相关属性信息的维护两大部分。空间要素的维护具体包括五大类图形数据的增加、删除、移动、拷贝、修改。如在图层中新增一条河道、泵站、排水企业等；又如：在日新月异的城镇建设中可能涉及到对原有河道走向进行改变，浦东世纪公园的张家浜就是一个明显的例证；或删除一条河流、删除一个泵站或排水企业。属性数据的维护具体包括普查数据库中相关数据表中所有数据的动态增加、删除、修改。最重要的是，能在动态修改空间图形数据的同时，同步修改其属性数据。这样可以满足用户的一些基本需求，通过系统可以进行一些通用的查询操作和数据维护的操作，因为水资源数据也是随着时间在不断的变化的。四、存在的问题目前尽管大多数GIS对水文水资源信息具备了较强的数据存储、管理和输入输出功能, 但是主要以数据为中心, 在表达水文地理空间、水文现象空间分析和支持决策的能力方面还远远不够, 导致这种情况的原因在于现有的GIS 数据模型并不能准确地表达地理空间水文对象特征,具体存在的问题和挑战如下4：(一) 数据耦合问题。如何把描述水流运动和水质的时间序列数据与描述周围环境的地理空间数据集成或耦合在一起是将来必须要解决的问题。(二) 互操作性差。由于不同的开发单位对水文空间数据组织方式和设计空间数据库的模式不尽相同, 同时, 不同的地理信息系统之间互操作性差, 造成水文地理空间数据库层次不一, 共享性、通用性和可扩展性差, 如何设计GIS 水文水资源数据模型以构建通用的地理空间数据库将是一个重要的课题。(三) 描述陆地表面的数字高成数据精确性提高, 势必使得栅格尺度变小, 以至于用一个完整的数字高程模型数据来研究一个大的流域变得麻烦, 分析工作难处理且不切实际, 因此, 分区融合处理流域地表信息并构成流域整体数据库具体实现有待研究。(四) 描述河道和洪泛区平原时采用的是三角形不规则网格数据, 但是随着被研究的河道长度增加, 而三角网的精度不断加大, 在数据分析处理过程中带来了极大的麻烦。(五) 城市水文系统所遇到的很大问题是农村水文系统中有很大差异。特别是城市暴雨下水道系统所对应的排水区间和同一区域地表河流对应的排水渠间差别相当大。采用何种方法平衡这些差异并尽量接近实际是必须正视的问题。在面临的所有这些挑战中一个共同的主题就是数据融合: 不同类型的GIS 数据和水文水资源数据的集成; 地理空间水文数据和水文模型的集成; 不同空间尺度水文数据的集成。随着GIS在水文水资源的深入应用, 迫切需要对水文地理空间数据和其它水资源信息规范化和标准化, 构成一个通用的水文地理空间数据库基础框架。另外，GIS 所描述的地理对象往往具有时间属性,即时态。随着时间的推移。地理对象的特征会发生变化。这种变化可能是很大的, 但目前大多数GIS 都不能很好地支持地理和组合事件时间维的处理。五、总结 随着GIS相关新技术的不断发展，其应用领域将不断扩展，为人们的生产生活会发挥巨大的作用。它在水资源管理中为信息分析、日常管理、科学决策等领域为水资源工作者提供更加科学的信息服务，从而建成真正意义上的水资源决策支持系统，将促进城市水资源管理进入高效、科学的新阶段。参考文献：1章启兵，王式成：GIS在水文水资源管理中的应用D,安徽省水利科学研究院，2009。2郭洪宇：地理信息系统在水资源评价中的应用J，中国水利，2003(6)。3索海生：GIS技术在水资源评价中的应用J，山西水利，2005(6)。4闫兴愿：GIS技术及其在水资源管理中的应用D，西北综合勘察设计研究院,2010(10).5孔金玲：王文科，杨泽元，麦柳研.基于GIS的水文地质空间信息系统研究与应用J.地理与地理信息科学，2005(7):4144。6魏文秋：于建营.地理信息系统在水文学和水资源管理中的应用J.水科学进展.1997(9):296300。7高振东：何俊仕：水资源管理地理信息系统的探讨J.农业与技术，2006(2)。8欧阳源，王辉，李飞：基于GIS的水资源管理信息系统J.软件导刊,2006(12):5152。9王疆霞，李云峰，徐中华：GIS技术及其在水文学和水资源管理方面的应用J.西北地质2003(1):109112。THE GIS APPLICATAINS IN WATER RESCEOUES MANAGEMENTZHEGN Chang-junAbstract: with the rapid development of national economy, the Geographic Information System GIS (Geographic Information System) as an emerging science, with its unique combination of spatial analysis functions and attributes Information, has been widely applied to resource management, environmental monitoring, disaster evaluation, city planning and many other fields. , a GIS can be applied in space, time, thorough understanding of present situation and the change of water resources development and the change law of water resources management need to digital basis can be intuitive show water resources condition, better understanding of change law of water resources; Can complete many of the traditional approach to information processing and analysis, provide intuitive for water resources management, system, scientific management tools; Can standardize management data, realize information sharing, facilitate data exchange of each department, improve and perfect the mechanism of water resources scheduling management and data updating maintenance.Key words: water resources management; GIS; prospects