灌溉排水原理与新技术

GIS技术及其在水文水资源的应用发展

摘要：本文综述了GIS(地理信息系统)在水文水资源领域的应用现状与最新研究进展。文章首

先对GIS技术进行了简要论述，然后介绍了GIS在水文水资源领域的应用现状，最后结合目前GIS

领域的热点问题，对GIS的发展前景进行了展望，并提出了今后地理信息系统在水文学和水资源

管理领域应用发展的建议，为GIS技术在我国水资源领域的应用发展提供借鉴。

关键词：地理信息系统；水文学；水资源管理

1. GIS简介

上世纪60年代，加拿大地理信息系统（CGIS）的建立，标志着地理信息系统作为一门科学而诞生。地理信息系统（GIS）是这样一种空间信息系统，即在计算机软硬件系统支持下，具有对地球表面（包括大气层）空间中和地理分布有关的数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述等功能（汤国安等2010）。近年来GIS在计算机科学、数学、测绘科学、地理学等诸多学科快速发展的拉动下得到迅猛发展。它以地理空间数据库为基础，采用空间模型分析方法，实时提供相关信息，用于综合研究、资源开发、区域发展规划、环境保护、灾害防治、环境评价和决策管理等方面（王小兵2005）。

随着计算机技术的飞速发展，GIS在水文学及水资源管理领域的发展非常迅速，美国测绘研究会(ACSM)及美国摄影测量与遥感学会(ASPRS)在1986年年会上的GIS专题交流中，已有一些GIS在水文学及水资源管理应用中的研究成果问世。自20世纪90年代以来，GIS应用一直是水资源学科中的一个热点课题。1993年，在美国阿拉巴马州莫比尔市举行的“地理信息系统和水资源专题讨论会”就GIS在地下水模型、水质、水资源管理和环境评价等方面的应用进行了讨论。国际水文科学协会(IAHS)1993年在维也纳召开了“地理信息系统在水文学与水资源管理中的应用”专题会议，1995年在美国科罗拉多大学召开水资源系统模拟与管理专题学术会议，1996年又在维也纳召开了GIS在水文学及水资源中的应用专题国际会议。可见，GIS技术在水资源领域的应用约有20年的历史，下面就GIS在水资源领域中的应用现状进行论述（徐中华等2005）。

2．GIS在水文水资源应用现状

地理信息系统作为一种应用技术是以处理空间数据为基础的，而地理信息的特点决定了GIS 技术在水资源领域可以得到广泛应用的前景。自20世纪80年代至今，GIS技术的应用也从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输出、DEM或DTM模型的使用、GIS结合环境评价模型的扩展分析、GIS与决策支持系统(DSS)的集成，逐步发展到网络GIS（李清元2000），得到越来越广泛的应用。

2.1 GIS技术在地下水中的应用

20世纪90年代以来，GIS技术在地下水领域中得到了广泛应用，使该领域发生了深刻的变化。

以GIS为核心的管理决策信息支持系统(MDSS)开始出现，管理决策信息支持系统利用数库、模型库、方法库及很好的人机会话的图形部件，帮助决策者进行半结构化或非结构化决策（于海英和曹剑峰1997）。管理决策信息支持系统有2种类型：①专用MDSS：这是为某一专门目的开发的、目前比较流行的实用地理信息系统，该系统通常具有属性库和图形图像库。如美国马里兰州蒙哥马利县的非点源污染模拟地理信息系统(NPGIS)，用于支持无控制非点源污染空间分布区域的检测和管理，采用模拟模型与GIS结合的方式来评估非点源氮、磷、锌、铅、生物耗氧量和沉淀物质的分布。②通用综合性MDSS：该系统由属性数据库、数学模型库、图形图像库等组成，功能强大，可以辅助解决综合性的复杂问题。荷兰地学应用研究所(TNO)以GIS为核心，构建综合性区域水文地质信息系统(REGIS)，基本思路是以GIS为载体，连接其他数据库系统，把某一区域内的各种地质、水文地质数据和背景资料输入GIS的数据库，构成一个区域水文地质信息系统，然后开发该系统与水文、地下水模拟系统的接口，方便地调用参数，及时地模拟水质、水量变化状态（宫辉力和吕卫1996）。

GIS在地下水模型中的应用多集中在单层或多层区域地下水水流模型方面，可定量地模拟地下水补给量、流量和地下水位，在国外有一些应用，如Roaia和Mcgrath修改了一个地下水模型，使它能够直接读写GIS所用的文件。Roaia等用有限元方法结合GIS分析一个地区水流和污染迁移问题。在国内，中国矿业大学应用GIS建立的煤矿突水预测系统也得到了应用。GIS也可应用在地下水污染方面，法国对奥尔良北部博斯平原的含水层采用GIS技术进行了地下水污染方面的研究，合理地解决了如下问题：①确定污染源密度最大的区域和经过一时段后其空间的变化状况；②含水层抵御污染的“自然防御能力”和最易受损的部位；③控制地下水污染的各种因素及其相互作用；④确定污染源、含水层易损性与地下水水质的相互关系；⑤了解在各种易污染地区不同污染物对地下水水质的影响及其缓冲机制的有效性（宫辉力和吕卫1999）。在约旦Dhuleil,Halabat和Samra地区，过度使用化肥致使地下水某些成分严重超标。为研究地下水中盐分的来源，William Bajjali博士建立了数据库，收集所有可供利用的化学和同位素资料，利用ArcView空间分析功能研究地下水污染和水质特征，调查盐分增加的原因（Bajjali 2005）。Lee等在Mok-hyun流域建立了基于GIS的水质管理系统WQMS,利用水污染模型计算污染排放、预测水质（Lee et al. 2005）。

2.2 GIS在环境影响评价方面的应用

Hellweger等利用GIS评价、管理和预测玻利维亚有关地区采矿活动对环境的影响，在ArcView 环境中开发了3个环境模型，用于评价采矿活动对地表水、地下水和周围空气质量的影响。中国环境科学院的郑丙辉等应用GIS定量分析昆明市松华坝水库的流域面源污染，北京大学梁军等应用3S技术建立了滇池流域水体环境动态监测监控系统（李本纲和淘澍1998）。

2.3 GIS对水文数据信息的管理与分析

由于水文数据的时空分布复杂，涉及地形、地貌、地质构造、水文地质条件、河流水系、水文气象、土壤、植被和水利工程等诸多因子，反映这些因子及各因子间相互关系等的数据量十分庞大，而且有些因子随时间变化很快，其获取、存储、查询、处理费时、费力，地理信息系统为解决上述问题提供了有利的技术手段。目前，GIS对水文数据管理包括时空数据的综合、矢量与标量数据的综合、遥感数据处理及作为水文模拟基础的GIS数据管理等（魏文秋和于建营1997）。同时，利用GIS提供的基本空间分析功能(迭置分析、缓冲区分析等)对空间信息进行各种复杂的空间运算，可实现多元地理信息的叠加分析，以及图形与属性的双向查询，从而了解空间实体的空间分布特征和空间关系。此外，应用表格的统计分析和空间数