GIS技术在水利行业的应用现状及未来展望

目前,GIS已广泛应用于水利信息化建设、防洪减灾、水资源评价及优化管理、水环境、水土保持等领域之中。

水利信息化建设离不开“3S”技术的支持。在水利行业的应用中,主要涉及到信息的采集、信息的存储和管理、信息的应用。在这三个方面中,GIS是水利信息存储、管理和分析的强有力的工具。水利信息化建设中所涉及的数据量是非常巨大的,既有实时数据,又有环境数据、历史数据;既有栅格数据(如遥感数据),又有矢量数据、属性数据。组织和存储这些不同性质的数据是一件非常复杂的事情,而且水利信息中70%以上与空间地理位置有关,关系型数据库管理系统是难以管理如此众多的空间信息,而GIS恰好具备这一功能。实质上,地理信息系统不仅可以用于存储和管理各类海量水利信息,还可以用于水利信息的可视化查询与网上发布,地理信息系统的空间分析能力甚至可以直接为水利决策提供辅助支持。

(1)GIS在防洪减灾中的应用。GIS技术在防洪、减灾、救灾方面的应用是最广泛的,相对也是最成熟的。其中在数据与信息的存储、管理和分析方面,目前大多数涉及防洪减灾和救灾的信息管理系统都是基于GIS平台建设的,可以进行终端和远程发布、浏览和权限操作,这对防汛工作来讲是至关重要的。另外,随着研究的进一步深入及软、硬件的飞速发展,地理信息系统技术在防汛决策支持方面将起越来越大的作用,有着巨大的应用潜力。

1)防汛决策支持。在国家防汛指挥系统总体设计框架下,各流域或省、自治区、直辖市的防汛决策支持系统或防汛信息管理系统都以GIS为平台。GIS在这些系统中的作用主要是空间数据管理,包括查询、检索、更新和维护;利用空间分析能力为防汛指挥决策提供辅助支持;为各类应用模型提供数据;优化模型参数;预报预测;防汛信息及决策方案的可视化表达。“九五”期间,在对洪涝旱灾的快速监测与评估,大江大河防洪决策支持系统的研制以及防汛、抢险等新技术研制、推广方面取得了一批高水平的成果。例如,成功开发研制了长江防洪决策支持系统和洪涝旱灾监测评估业务系统,系统包括总控系统、人机界面、模型库、数据库、知识库和决策风险分析模型。其中图形数据处理和快速分层显示及决策方案管理系统等具有很高的水平,在总体设计方面达到了国际领先水平。该系统的研制开发,解决了长江三峡工程至螺山河段防洪调度运行决策问题。所开发的技术和软件系统已广泛地应用于中国大江大河大湖流域的防洪决策支持系统、防汛信息系统以及水资源综合管理支持系统。

2)灾情评估。GIS在灾情评估中主要作用是完成基础背景数据(包括地理、社会、经济)的管理;进行空间和属性数据查询、检索、统计和显示;是洪水演进的基础平台;对灾情数据进行提取和分析以及灾情的可视化表达;同时尚提供行蓄洪区应用、抢险救灾物资储运、避险、迁安等辅助决策的工具。例如,李纪人等建立了洪涝灾害经济损失评估模型,是在相对准确的社会经济资料空间展布的基础上进行的一种精细评估模式,通过空间的匹配进行分区分行业的损失评估,并考虑水深、淹没历时、以及以预警时间体现的抗洪抢险行为的力度等。

洪涝灾害经济损失评估模型如下:

式中:i,j,k,m,n分别为洪水单元号、行业序号、水深级别、淹没历时等级、预警时间等级;δi为洪水单元类型系数,单元类型为耕地、居民地、城市用地等时为1;单元类型为其他(包括未利用土地和原水体等)时取值0;Aij为第i 洪水单元、第j行业固定资产数;ηjkm 为第j 行业、第k 级水深、第m 级淹没历时损失率;Y jn为第j 行业、第n级预警时间损失率折扣系数;Bij为第i洪水单元、第j行业年产值;D ays为淹没时间天数。

模型计算中关键的两个问题是社会经济数据与洪水损失计算网格的空间匹配和资产损失率的确定问题上。该模型通过哈尔滨市实例验证,得到理想效果,表明基于空间展布式社会经济数据库的洪涝灾害损失评估模型在技术方法上也是可行、可操作的。

3)洪涝灾害风险分析与区划。洪涝灾害风险分析主要包括风险识别、风险估计和分析评价。风险分析是通过对区域洪水成因、洪水特性(包括洪水概率、流量、水位等)、水利工程状况进行分析,采用历史洪水调查、水力学模型试验或数值模拟计算等方法,确定区域内不同地区的洪水危险程度(包括淹没范围、淹没水深、淹没历时、流速等);再对区域内的社会经济状况(人口、资产等)分布和抗灾能力进行分析,得出不同高程下的主要资产类型和这些资产在不同淹没水深下的洪灾损失率,并将上述两方面的信息进行结合,估算出区域在不同频率洪水下的洪水灾害直接经济损失和间接经济损失,确定洪水灾害的风险程度;最后,根据洪灾风险分析的结果,选择不同的防洪减灾对策,考察估算不同方案的费用、效益。采用GIS技术,是进行洪涝灾害风险分析与区划的有效手段。GIS发挥的作用有:多源、多尺度数据的管理;空间数据的叠加与综合处理;图形处理的特殊功能。国内外有众多的应用实例,中国水利水电科学研究院从1984年以来已先后完成了永定河泛区、小清河分洪区、辽河中下游地区、黄河北金堤滞洪区、东平湖分洪区、淮河蒙洼分洪区、珠江的西江流域、黄河下游山东段等地区的洪水风险图以及沈阳市、深圳市、广州市、上海市、天津市、哈尔滨等城市的洪涝灾害风险图。

4)城市防洪。GIS在城市防洪中突出作用主要有以下几个方面:城市积水、退水的预报预测;现有排水设施(排水管网、泵站等)信息的管理;排水设施的规划与设计;城市绿地(透水面积)的面积与位置的规划;暴雨时空特征分析;以街道为统计单元和以街区为空间单元的社会经济数据空间展布;暴雨分布及积水街道分布的可视化显示;高分辨率、多层次、多源和更新频繁的数据的存储、维护和管理。

(2)GIS在水资源管理方面的应用。一些发达国家投入巨资建设流域或城市水资源信息管理系统。20世纪70年代起,美国田纳西流域管理局利用GIS技术处理和分析各种流域资料,为流域管理和规划提供决策服务,GIS开始应用于水文学及水资源管理。美国科罗拉多州的一些结构联合开发了科罗拉多河决策支持系统,GIS被用于流域空间信息的存储、检索、分析和显示等。为支持各种层次的水资源和水环境管理,美国国家环保局(USEPA)和美国地质调查局(USGS)开发了基于GIS的全美河段水文数据库,河段文件(Reach Files)已经历了RF1A、RF2、RF3和NHD(National Hydrography Dataset)等几个版本,都是从USGS 生产的不断细化的数字化水体数据集生成的,RF3版本包含了1:100000 DLG 水文图数据,有近3200000个水文图实体(Reaches)和93000000多个坐标点。美国地调局(USGS)和农垦局(USBR)联合开展的流域和河流系统管理计划(WRSMP)中,采用了以数据库为中心的决策支持系统(图13-3)。流域水文模型和生态系统模拟模型系统运用了USGS的模块化建模系统(MMS),并通过水文综合数据库系统(HDB)进行耦合,模型的输出结果进入HDB,可以作为另外模型的输入。HDB也连接水文源数据和GIS查询、显示和统计分析系统。通过通用数据库、模型和GIS系统的集成形成的RIVERWARE系统,能够实现流域水资源的长期规划和政策指定、水库的中期和短期运行管理。开发的决策支持系统已经在华盛顿州的Yakima河等流域水资源管理和农业开发规划中取得理想效果。

图13-3　美国水资源管理——以数据库为中心的决策支持系统

欧洲一些国家的机构联合开发了具有水文过程模拟、水污染控制、水资源规划等功能的流域规划决策支持系统“WATERWARE”,该系统综合利用了GIS、数据库、模拟模型、最优化技术和专家系统等功能(Jameison D.等,1996)。英国伦敦城市供水实时监控和调度系统,利用GIS技术和计算机网络技术等,对供水用户、水源地、水厂的水量和水质、供水管网系统等进行全数字化的管理。澳大利亚的许多州都建设了基于GIS的流域或地区的水资源优化配置和决策调度指挥系统。加拿大、法国、德国、以色列和俄罗斯等国家在跨流域调水管理系统、灌区优化配水管理系统和城市供水系统等方面均有一系列典型应用实例。

我国已建设了一批以GIS技术为支撑的水资源信息管理系统,有的已在此基础上向水资源管理决策支持系统迈开了新的步伐,形式上大多是空间决策支持系统(SDSS)。在国内,吴泉源等(2000)探讨了利用GIS和遥感等技术,获取胶东地区流域下垫面各种因子信息数据,建立水资源数学模型,客观地分析了该地区水资源的时空分布特点、利用现状和开发潜力。水利部信息中心开发了基于GIS的“水文气象监测预报系统”,可以进行降水量资料的处理和洪水的灾害评估。国内已经建立了以GIS为平台的全国水文站网管理信息系统,为优化水文站网、提高管理水平,提供了迅速、全面的信息支持(张静怡等,1999)。在水资源信息管理系统中GIS发挥的作用大致有以下几个方面:历史数据管理和实时数据的动态加载;信息的空间与属性双向查询;时空统计;以多种方式直观地可视化表达各类信息的空间分布及动态变化过程;区域水资源的空间分析;区域水资源管理模式区划,如地下水禁采与限采区划、水环境区划等。

(3)GIS在水环境和水土保持方面的应用。水利部门已有包括170多个主要测站的全国水环境信息管理系统,有如广东那样的省级系统,有如三峡库区那样的区域性系统,也有如九州江那样的江河级系统。这些以GIS技术为支撑的信息管理系统和SDSS的功能主要有以下几个方面。

1)数据管理,包括自然、地理、社会经济等基础背景数据,水利工程与设施,监测站点,水质与水量的历史与实时数据,水环境评价等级,水质标准及法规和条例,决策项目和边界条件数据,水污染预测数据等等。(www.xing528.com)

2)水质参数的双向查询,即点出站点位置查询该站的基本信息、水质参数、水质等级、超标物名称、以月或年为单位的水质等级过程线;也可由水质等级或某物质超标来查询(显示)测站位置或河段。

3)统计某流域或区域各等级水质的测站占的比例或各等级水质的河段长等等。

4)区域或上下游水质的空间分析,找出某水质参数严重超标的污染源。

例如,中国水利水电科学研究院开发研制了基于WebGIS的全国水环境信息系统。系统主要提供水质监测站站点查询、监测指标查询、水质特征值统计分析、水质级别评价、水质级别查询、水质标准查询、基本图形操作功能等功能。整个系统采用Browse/Server体系结构,在逻辑上分为三层,这三层包括客户机、应用服务器与Web服务器、数据库服务器。客户机负责数据结果的显示和用户请求的提交;地图应用服务器和Web服务器负责响应和处理用户的请求;而数据库服务器负责数据的管理工作。

GIS在水土保持中的应用是比较全面的,是全过程的应用。从土壤侵蚀发生与否的判断、侵蚀强度划分、侵蚀量的计算、泥沙输移、水保措施的效益评价,一直到土壤侵蚀过程的模拟与预测,GIS始终在技术上起着支撑作用。所以与其他领域比较,水土保持中一些应用模型大多采用与GIS紧密结合的方式,也就是直接用GIS为建模平台,这是一个比较鲜明的特点。

(4)GIS在水利水电工程建设和管理方面的应用。我国正在建设的长江三峡水库工程,即开发了工程建设管理信息系统(TGPMS),是新一代的集成化、网络化的大型信息系统,其信息中心和信息网络将全面支持三峡工程的科学管理工作——从计划合同、技术设计、物资设备供应,到工程项目管理和监理工作的进度控制、质量控制和造价控制,使业主、设计、施工和监理四方的工程管理信息能及时采集汇总,快速处理流通,成为整体工程管理的大脑和神经网络系统。

引滦入津的水源保护工程和南水北调工程也正在启动工程建设管理信息系统的建设。水利水电工程建设与管理中利用GIS功能最多的有以下几个方面:

1)三维可视化显示及贯穿飞行模拟;

2)位置或路线的优化;

3)空间信息的叠加与分析;

4)影响区范围的确定;

5)开挖量及剖面分析;

6)淹没分析;

7)交互式的工程布置方案修改;

8)施工现场布置;

9)物料贮运优化管理。

(5)GIS在地质勘测中的应用。基于三维GIS的可视化技术和虚拟现实技术已在各领域逐步得到应用,水利工程地质勘察等领域也有一些应用。目前,三维地质体可视化及三维地质模型系统研究是数学地质、水文地质、工程地质等研究的前沿和热点,也是快速、适时地再现地质体三维信息及综合分析的有效途径。水利部长江勘测技术研究所遥感与信息技术研究室结合承担的水利水电工程地质勘察,开展了基于GIS的三维可视化技术在地质勘察方面的应用研究,开发了三维地质建模软件3DGVS。3D-GVS系统在水电工程中得到了初步应用,并已基本达到了实用化水平。如清江水布垭水利枢纽坝址、乌江江口水利枢纽坝址、南水北调中线穿黄工程、金沙江乌东德水电站坝址、青海引大济湟调水工程等,取得了好的效果,社会效益和经济效益明显。