基于GIS的水文情报预报系统开发与应用

基于GIS的水文情报预报系统开发与应用

倪良宇

黑龙江省水文水资源中心齐齐哈尔分中心 黑龙江 齐齐哈尔 161000

摘  要：随着气候变化和城市发展的加速，准确的水文情报预报对于水资源管理和灾害防范变得尤为重要。本文致力于研究并开发一种基于地理信息系统（GIS）的水文情报预报系统，旨在为水资源管理决策和灾害防范提供有效的工具。

关键词：GIS；水文情报预报系统；开发；应用 

近年来地理信息系统（GIS）凭借着强大的空间数据处理能力、综合分析和地图制作等在各个领域得到广泛应用，在水文情报预报领域也应用得越来越广泛。本文探讨了GIS及其开发组件在水文情报预报中的应用。

一、基于GIS的水文情报预报系统概况

基于GIS的水文情报预报系统是一个综合应用地理信息系统（GIS）技术和水文预报模型的系统，旨在提供准确的水文信息和预测结果。这样的系统整合了水文数据、地理数据、气象数据和水文模型，以便分析和预测水文过程，为决策提供支持。基于GIS的水文情报预报系统具有以下主要组成要素和功能：

数据管理：该系统的核心是数据管理，它涵盖了水文数据、气象数据、地形数据和空间数据等。这些数据是从多个来源收集并整合到一个统一的数据存储系统中，以满足系统的分析和预测需求。

地理信息系统：GIS是该系统的核心技术，用于存储、管理和分析地理数据。GIS提供了各种空间操作和分析功能，如地图叠加、缓冲区分析、空间插值等，以便将水文数据和模型结果与地理位置进行关联和视觉化。

水文模型：水文模型是用于模拟和预测水文过程的数学模型。这些模型基于物理原理和统计方法，通过整合水文数据和气象数据，可以模拟降雨-径流过程、河流流量变化等水文现象，并预测未来的水文状况。

预测和分析：基于GIS的水文情报预报系统利用水文模型和地理数据，进行水文过程的预测和分析。这包括对降雨、河流流量、洪水风险等进行实时或长期的预测，并生成相应的结果和图表以供分析和决策参考。

二、基于GIS的水文情报预报系统设计

1.数据采集与处理

水文情报预报系统的设计首先需要收集并处理相关的水文数据。这些数据包括降雨量、水位、流量、气象信息等。可以通过气象站、水文测站和其他传感器等设备实时采集数据，并利用数据处理技术进行分析和整理。在数据处理过程中，可以使用GIS软件和工具进行空间数据的处理和分析，如空间插值、分区划定等，以获得更准确和完整的水文信息[1]。

2.系统架构设计

基于GIS的水文情报预报系统需要一个合理的系统架构来支持其各个功能模块的开发和运行。整体架构包括前端显示界面、后端管理系统以及数据库等。前端显示界面应具备交互性和可视化特点，能够展示地图、图表和数据。后端管理系统可以实现数据管理、模型计算、预报结果生成等功能。数据库起到存储和管理各类数据的作用，确保系统可以高效地访问和检索数据。

3.功能模块设计

基于GIS的水文情报预报系统应包含多个功能模块，以满足用户的信息需求和分析要求。以下列举几个重要的功能模块：

（1）地图显示与查询功能

该功能模块包括地图显示和查询功能，允许用户查看特定区域的地形、水文站点和水文要素等，并可以通过查询工具检索特定数据和属性。

（2）数据分析与模型应用

该功能模块基于GIS空间分析和统计技术，可以对水文数据进行分析处理，并利用数学模型预测未来趋势。常见的模型包括水文循环模型、洪水模型和水质模型等。通过将这些模型与GIS技术结合，系统可以实现对未来水文情况的预测和模拟。

（3）预警与决策支持

水文情报预报系统应具备预警和决策支持的功能，能够根据水文数据和预测结果，自动或手动触发预警信息，向相关部门和用户发送警报或建议。同时，系统应提供决策支持工具，帮助用户制定合理的水资源管理策略和灾害防范预案。

（4）可视化和报告输出

该功能模块可以生成各类报告和可视化图表，以直观地展示水文情报和预报结果。通过图表、统计数据和热力图等可视化手段，用户可以更好地理解和分析水文情况，支持决策和沟通。

在设计功能模块时，需要充分考虑用户需求和使用场景，确保系统简洁易用，功能实用，能够满足不同用户群体的需求。

三、GIS在水文情报预报中的应用

1.水文站点选址和布局

GIS在水文情报预报中的应用之一是在水文站点选址和布局方面发挥重要作用。水文站点的选址和布局对于准确监测和预测水文过程至关重要，而GIS技术能够提供空间分析和优化方法来指导站点的选择和布局。

空间分析：GIS可以利用地理空间数据分析方法，对不同的空间要素进行评估和权衡。例如，基于地形、降雨分布和水流方向等数据，可以使用GIS进行洪水风险评估，找出潜在的洪水易发区域。在这些易发区域内，可以选取合适的水文站点位置，以便更好地监测洪水情况。

数据可视化：GIS能够将水文数据与地理位置相关联，并以地图形式进行可视化展示。通过在地图上显示已有的水文站点、水资源分布等信息，可以帮助决策者更直观地了解水文情况，从而更有针对性地选择和布置新的水文站点。

优化算法：GIS可以结合空间分析和优化算法，提供站点选址的最佳解决方案。例如，可以使用最近邻算法或最优覆盖算法来确定新的水文站点位置，以使得整个监测网络覆盖范围最大化并尽可能减少冗余。这样可以确保站点之间的数据收集均衡，提高数据的代表性。

空间插值：GIS还可以利用插值方法估计未覆盖区域的水文数据。通过已有的水文站点数据，可以利用插值技术如克里金插值、反距离权重插值等，推算出未测站点处的水文数据，进而帮助决策者更好地评估和预测水文情况。

通过GIS在水文站点选址和布局方面的应用，可以实现更合理、更全面的水文监测和预报系统。合理的站点布局可以提高水文数据的代表性和可信度，为准确的水文情报预报提供可靠基础，进而为水资源管理和灾害防范的决策提供有力支持[2]。

2.地表水资源调查与评估

空间分析与建模：GIS可以通过空间分析和建模方法，分析和模拟地表水资源的空间分布和变化。通过结合地形、降雨、土地利用等数据，可以进行水量平衡分析、径流模拟以及水资源可持续性评估等工作。这些分析结果可以帮助识别潜在的水资源短缺区域、优化水资源利用规划，并支持地表水资源调配和管理的决策。

水质监测与评估：GIS可以与水质数据相关联，进行水质监测和评估。通过空间分析和插值技术，可以绘制水体的水质分布图和热力图，以识别水质状况的空间变化和趋势。这有助于指导地表水资源的保护和管理，以及解决水质污染问题。

土地利用与环境影响评估：GIS可以与土地利用数据结合，进行地表水资源的土地利用与环境影响评估。通过分析土地利用类型和变化趋势，可以评估其对地表水资源的潜在影响，例如水土流失、非点源污染等。这有助于优化土地利用规划，减少对地表水资源的不利影响。

综上所述，GIS在地表水资源调查与评估方面扮演着重要角色。通过GIS技术的应用，可以整合、分析和可视化地表水资源数据，进行空间分析和模拟，评估水资源的可持续性和环境影响，从而为地表水资源管理和决策提供科学支持。

3.水质监测和管理

水质数据收集与管理：GIS可以用于收集、管理和存储水质监测数据。通过建立GIS数据库，可以有效整合不同来源的水质监测数据，包括水样采集位置、采样日期、监测指标和结果等信息。这有助于对水体质量进行综合评估和分析，并支持决策者制定水资源管理策略。

水质监测站点选址：GIS可以结合空间分析和模型建立，来确定水质监测站点的最佳位置和布局。利用地理数据和水质特征，可以评估不同区域的水体类型、水质特征、水文网络等因素，从而选择最适合的监测站点布置方案。

水质指标空间分析：GIS可以用来分析和建模水质指标的空间分布特征。通过整合水质监测数据和地理数据，可以绘制水质指标的等值线图或热力图，以实时了解水体质量的空间变化趋势。这有助于发现和定位水质异常区域，并及时采取相应的管理措施。

水体污染源定位：GIS可以帮助确定水体污染源的位置和分布。通过整合环境参数和水质监测数据，可以建立污染源扩散模型，并通过GIS分析来预测和定位潜在的污染源。这有助于及时采取措施，减少污染对水体生态系统的影响。

水质监控网络规划：GIS可以用于规划水质监控网络。通过分析水体的流向、水域分布和人口密度等因素，可以确定监测站点的最优位置，以便监测到水体质量的变化和趋势。这种网络规划可以提高监测效率，减少监测成本，同时确保监测站点的覆盖面广泛和代表性。

GIS在水质监测和管理中的应用可以帮助收集和管理水质数据、优化监测站点布局、分析水质指标的空间分布、定位污染源，以及规划监测网络。这些功能有助于提高水体质量管理的准确性和效率，为决策者提供支持和指导，确保水资源的可持续利用和保护[3]。

4.洪水风险评估

洪水模拟和预测：GIS与水文模型的集成可以进行洪水模拟和预测。通过整合地理数据、地形、降雨等参数，建立水文模型，并结合实时观测数据进行洪水预测。GIS可以用来可视化模拟结果，生成洪水淹没区域、水位变化等地图，帮助决策者和公众直观了解洪水的空间分布和影响范围。

洪水灾害风险评估：GIS可以结合空间分析和模型建立，进行洪水灾害风险评估。通过整合地理数据、流域特征、土地利用、人口分布等信息，可以评估潜在的洪水风险。GIS可以分析洪水淹没区域、易受影响的人口和财产，评估洪水引发的风险和损失。

洪水事件管理和应急响应：GIS可以用于洪水事件的管理和应急响应。通过建立GIS数据库，整合实时监测数据、受影响区域的基础设施信息、救援资源等，可以实时监控洪水变化，及时做出决策和应急响应措施。同时，GIS还可以用于传达和共享洪水风险信息，提高公众的灾害防范意识。

洪水防治规划：GIS可以支持洪水防治规划和决策制定。通过分析洪水影响范围、脆弱区域和易受洪水影响的基础设施，可以确定洪水防范和减灾的重点区域，选择合适的防治措施和规划方案。GIS还可以评估不同防治方案的效果，提供支持决策的信息基础。

GIS在洪水风险评估中的应用可以模拟和预测洪水、评估洪水灾害风险、支持洪水事件管理和应急响应、以及辅助洪水防治规划。这些应用有助于提高洪水风险评估的准确性和全面性，为决策者提供支持和指导，减少洪水引发的损失和影响。

四、结语

近年来GIS在水利行业的应用越来越广泛，在水文情报预报中大大提高了效率和精度，为防汛减灾提供更加可靠的依据。把计算机技术、GIS和水文情报预报结合起来为防汛抗旱服务应该是未来必然趋势。

参考文献

[1]王玉德. 基于GIS的水文情报预报系统开发与应用[C]//辽宁省水利学会.水与水技术(第5辑).[出版者不详],2015:202-206.

[2]郑作伟,李文训.GIS在水文情报预报中的应用[J].山东理工大学学报(自然科学版),2007(04):52-55.

[3]孙宝森,于仲伟,张斌. 谈GIS在水文情报预报中的应用[C]//宫崇楠,张金丽.山东水利学会第九届优秀学术论文集.[出版者不详],2004:192-194.