GIS技术在水利系统的应用

2022-11-18

1 GIS在水资源领域的应用

水资源管理是对水资源的开发利用、节约保护、综合治理等方面的统称, 它既提供了国土资源规划和经济发展规划的基础, 又协调了防洪抗灾、城市用水、水土保持、农业用水、水利发电等各个领域之间的关系。由于我们在经济发展的过程中忽视对水资源的保护, 因此水资源存在资源性缺水的同时又加上水质性缺水, 水资源严重短缺的同时又存有水资源极大浪费等问题。面对如此严峻的形势, 水资源的管理工作已经被赋予了维系社会经济可持续发展的历史性重任, 成为关系到国计民生的大事。由此也决定了必须用现代化的手段, 实现以信息化为基础的技术来对水资源进行监控管理, 才能解决好资源水利中的诸多复杂问题。水资源信息的涉及面非常广, 它既包含地理、地质、水质、水文气象等地理信息, 又涉及到水处理工程、水利工程、生活用水等与人类生活息息相关的领域。水资源的信息数据具有历史性、变化性、空间性、分布性等多种特征。在进行水资源规划和管理的过程中, 需要运用各种环境过程模型:例如多维水质模型、稳态和动态水流模型等等。这些模型均具有显著的空间特征, 此外这些环境模型在对空间数据的操作及操作结果的显示方面具有一定的困难, 而对空间信息的管理和分析、模型结果的可视化正是GIS的优势。水资源信息管理系统可发挥的作用是从时间、空间上了解水资源的现状与变化, 通过模拟数据和可视化技术直观地表现水资源状况, 有助于让研究人员和决策人员了解水资源的变化规律, 通过信息处理和分析, 完善水资源信息的节理与更新, 实现数据共享。

GIS在水资源领域中发挥的作用包括以下几个方面。

(1) 实现历史数据管理和实时数据的动态采集, 建立水资源数据库建立有效的数据库管理系统是水资源管理调度的保障, 而GIS数据库具有数据量大、空间数据与属性数据紧密相联等特点, 建立GIS数据库可以实现空间数据与属性数据的有效统一管理。

(2) 实现水资源的空间分析功能GIS可以建立一个应用分析模式, 产生许多新的信息, 通过动态分析进行智能决策。经过空间分析, 我们可以得到每个灌区的降雨分布, 可以得到不同灌区的阶段需水过程。

(3) 实现各种信息空间分布的可视化表达, 实现模拟动态变化过程模拟动态变化过程可以帮助有效分析水资源管理的实际状况, 而GIS为实现各种信息空间分布的可视化表达提供了有效的手段和途径。

2 GIS在水利防汛方面的应用

目前GIS技术在防洪减灾方面的应用主要包括以下几个方面。

(1) 进行洪涝灾害风险分析。洪涝灾害风险分析是对洪水发生的概率、强度及其可能造成的损失的分析。它包括洪水风险识别、风险估计、风险评价以及风险控制。采用GIS技术, 将DEM (数字高程模型) 数据与江河流域的雨情、水情和社会经济数据库相结合, 即可以预测洪水的发展趋势、可能的造成的经济损失以及制定高效的救灾措施, 为防汛基础设施建设提供决策依据。利用GIS与数值模型相结合的技术, 针对不同量级、不同强度的洪水, 快速评估洪水的风险大小, 模拟洪水的演变规律, 为防洪措施的制定做准备。

(2) 进行灾情评估。基于GIS的灾情评估是充分利用GIS技术的空间查询和分析功能、利用GIS的可视化模拟的能力, 对采集来的洪水灾害信息进行综合分析和判断, 计算淹没面积, 对人员、经济损失进行评估。通过GIS的计算方法, 结合灾害背景数据及社会经济数据, 系统可以快速计算成灾面积、评估灾情程度及以农、牧、工、商、渔各业的损失, 为灾区人民的避险迁安制定方案, 为防汛物资的运输选择最佳路径, 为灾后重建提供科学依据。

GIS在灾情评估方面的功能主要体现在以下几个方面。 (1) 实现信息的空间定位。 (2) 实现空间和属性数据查询、分析、统计功能。 (3) 实现空间数据的提取和分析功能。 (4) 实现评估结果可视化表达功能。

(3) 进行防汛指挥和制定防汛决策。以GIS提供的江河湖泊分布、工业设施、城镇、交通、水利设施分布、水文信息等各种有价值的信息为基础, 利用GIS强大的网络分析功能支持, 为有效设置拦洪设施的点位和选择分洪、泄洪措施提供决策支持;模拟行蓄洪区人员物资的撤退、转移, 选择最佳撤退路线。GIS在这些决策支持系统中的作用主要有以下几个方面。

(1) 利用各类计算模型提供实时数据, 并优化模型参数。

(2) 进行空间数据的处理、查询、检索、维护和更新。

(3) 利用GIS空间分析及预测能力为防汛指挥决策提供支持。

(4) 对决策方案实现可视化表达。

3 GIS技术在水利工程方面的应用

在水利工程方面, GIS技术应用的潜力是巨大的, 通过GIS可以将施工过程通过图像的方式动态的显不出来, 而GIS先进的空间分析功能可以为水利施工过程提供便利的分析工具, 通过数字地形模拟, 可以用离散分布的平面点来模拟连续分布的地形, 进而进行坡度坡向分析、断面图分析等, 从此实现水利工程信息的科学、高效的管理。此外, GIS的可视化表达功能可以对每一施工过程进行模拟和全程监测, 为设计人员提供直观形象的信息支持, 为决策者提供精确、科学的可视化分析手段, 为优化施工过程提供技术支持。GIS在水利工程中的应用涉及到水利工程设计、施工决策等各个方面, 具体表现在以下几点。

3.1 GIS在水利工程施工方面的应用

GIS在水利工程施工过程中的作用, 主要分为三个部分: (1) 数据管理。通过数据的过滤, 转化为与可视化表达相适应的表现形式, 为下一步的操作做准备。 (2) 可视化映射。将过滤过的数据经过信息处理, 转化为可视化对象。 (3) 绘图及输出。通过以上三个环节, GIS技术便把工程施工各个时刻的工程面貌的图像存在数据库中和与之相对的属性数据建立联系, 可以按时间顺序读取这些图像, 当图像快速连续变换时, 基于与动漫电影相同的原理, 整个施工过程的工程面貌便动态的在眼前显现出来。GIS的水利水电工程施工总布置可视化演示系统、基于GIS的施工截流的三维动态可视化等均是采用这种方法。