GIS技术在流域综合规划编制中的应用探讨

2021-08-27刘家琳

江西水利科技 2021年4期

刘家琳

（上海勘测设计研究院有限公司，上海，200434）

0 前言

地理信息系统是一种通过计算机技术对地理分布数据进行采集和存储的技术系统，存储的数据可以进行相关运算、分析，以及可视化展示，是一种信息化的技术手段。近年来，随着计算机技术的不断发展，GIS技术的应用已经越发成熟，在区域开发规划、环境保护、现代化管理等方面均得到了有效运用，在水利行业有着广阔的应用前景[1]。

流域综合规划是地区水资源开发和保护指导的纲领性文件，是流域基础水利建设的依据，也是地区经济发展的重要支撑。其涉及专业众多，工作量繁复，运用GIS技术进行流域综合规划的编制，可以改变传统人工计算、设计、绘图的方法，并减少工作量，提高流域空间规划制定的效率与适用度[2]。

1 GIS技术应用方法

1.1 资料的采集与处理

GIS技术将采集的数据以数字格式存储。在流域综合规划的过程中，储存有数据的矢量和栅格图层是一切分析计算的基础，包括地形、土地利用、土壤质地、土壤侵蚀等基本图层。部分图层可经由网络获得，包括：地理空间数据云提供的空间分辨率约为30m的DEM数据，国家青藏高原科学数据中心提供的2000年1：10万土地利用类型数据以及1：100万土壤类型数据等[3]；部分图层因项目需要可以由当地省自然资源厅、测绘局、水土保持局等水利主管部门提供，包括：模拟地形数据，水土保持现状数据，现状土地利用调查数据以及包括水系、居民地、行政区划、地貌、地名及注记等数据内容的矢量数据等。除此以外，还需要流域内的地区调查及文字资料。

数据收集完成后需要对数据进行初步的基本处理，可以利用ArcCatalog工具建立空间属性数据库，组织和管理所有收集到的GIS数据，并随时对数据元进行查找和浏览。地理数据库建立后，还需要对其中各要素进行对比修正，如将土地利用现状图对比地形图中近期发生的变化进行修正，以达到数据更加统一、精准的目的。建立的地理数据库内容丰富，且可以对属性数据进行分级存储，土地利用图层属性信息存储情况见表1。

表1 土地利用属性表

1.2 属性提取与水文计算

规划的基础是流域属性的提取及流域水文的计算，包括坡面属性、水系分级、流域范围、等高线等信息的获取，这些都可以使用GIS工具对已有图层中存储的地形、水系、人口、地貌等数据需要进行空间分析和预处理，以获得流域综合规划所需要的基本信息。

在模型计算上，水文数据的计算是流域规划的基础[4]，利用GIS技术进行子流域划分、地貌特征统计、自然汇水关系分析，并利用分布式水文模型进行计算，在数据量充足的基础上，细化计算结果，提高了水文计算的精确度、流域综合规划的适用度和可信度[5]。

本次计算以SWAT模型[6]为例，SWAT是具有物理基础的分布式水文模型，在进行水文过程模拟时，在模型中输入DEM、土壤类型、土地利用、气温等气象数据和水库数据等，以此输出模拟的径流数据，依据实测数据对其进行率定，从而构建出适用于流域的水文模型，对其气象、土地利用等短期数据进行预测，代入率定好的水文模型，可以得到规划期内的径流数据，作为流域综合规划的依据。

以滇池流域为研究对象，构建适用于滇池流域的分布式水文模型，作为流域综合规划的基础。滇池流域的雨量站、气象站及DEM底图见图1，土壤见图2，土地利用变化过程如图3所示。

图1 研究区雨量站、气象站点分布

图2 滇池流域土壤分布情况

图3 滇池流域2010年和2030年土地利用情况图

为对2001～2015年共15年数据进行率定，以2001年为预热期，2002～2011年作为模型的率定期，2012～2015年作为模型的验证期。采用水量偏差BIAS、标准差比率RSR、相关系数R和确定性系数NSE四个指标对滇池流域SWAT模型月径流量进行率定和验证结果的精度计算，结果见表2，模拟月径流过程见图4。由表2可以看出，水量误差均在10%以内，模拟值与实测值总水量上相差不大；相关系数R都在0.85以上，说明模拟流量和实测流量间的相关程度较高；确定性系数均在0.7以上，说明流量过程模拟效果良好。因此，SWAT模型的整体模拟性能令人满意，可以用于滇池流域的径流模拟计算。未来径流模拟结果见图5。

图4 2002～2015年月径流过程

图5 2016～2060年模拟月径流过程

表2 滇池流域SWAT模型模拟结果指标分析

2 GIS技术在流域规划中的应用

2.1 数据计算与属性分析

流域综合规划是流域各专业规划的综合，各类规划均离不开GIS技术的支持。

防洪规划是在统筹地区经济发展和防洪安全保障要求的基础上，因地制宜地制定防洪方针。基本数据包括暴雨、洪水、地形、河流水系等自然因素，对DEM数据进行自然汇水关系和地貌分析，或者由相关部门提供的水文矢量图均可读取地形、水系等自然数据。通过空间叠置分析，可以获得人口、城镇和工矿企业等经济社会因素的分布，一方面可以分析确定防洪保护对象，另一方面可以确定灾害易发区，从而制定有效的防洪措施。采用GIS技术也可以在洪灾后对洪灾情况进行分析梳理，并对其危险性进行评估，以减少人力、物力、财力的消耗，优化灾后重建工作。因此，GIS技术是辅助开展洪水灾害分析、防洪指导决策的有效工具[7]。此外，还可以进行防洪工作自动化建设，以对防洪工作进行有效管理，减少洪灾中的人员伤亡。

水资源及供水规划是在对流域水资源量及利用现状进行调查分析的基础上，根据当地水资源特点进行水资源基础评价，提出供水规划方案。水资源及供水规划的基础是流域水文水资源现状，流域地表水及地下水的计算可以在GIS技术的辅助下运用分布式水文模型进行水文计算，更为方便、快速的同时，在一定程度上可以提高水文计算结果的准确度。另外，利用GIS技术对人口、用水企业、农田、水库等需水、供水对象分布情况数据的获取，并进行空间分析，可以统筹考虑生活、生产、生态环境供用水的实际情况，从而建立合适的流域多水源供水配置方案，优化供水配置，提高城乡居民用水质量。

水力发电规划应在分析水能资源及开发现状基础上，统筹考虑经济社会发展、防洪防凌、水资源配置、生态环境保护和水能资源开发等综合利用需求，提出水电开发方案。流域水能资源理论蕴藏量是规划的基础，流域生态保护区、寺庙等敏感要素是电站建设的限制条件，通过空间叠置分析可以对流域敏感对象、敏感区进行区位分析，也可对流域现有小水电进行空间分析，提出后续规划等，以期实现梯级水电工程更为优化的空间决策，这也是GIS技术未来的发展方向之一。

水生态保护与修复规划应确定主要同期及其控制节点的生态需水量指标，并应作为流域开发保护的控制性指标之一。GIS技术将生态环境、土壤植被的分布状况、气象水文水资源空间分布等相关数据及地形等各类流域实际情况以数据的形式存储在计算机中，易于调取使用，同时将这些数据以图像的方式进行展示，更加直观，并帮助真正实现对地表水资源的合理评价，为流域水资源的保护规划提供依据[8]。

水土保持规划应根据流域水土流失的现状及流域保护和发展对水土保持的要求，制定防治措施和方案。在GIS支持下可以建立图形数据库、属性数据和计算编程数据库的关联，以此为基础来进行模型运算，实现计算方法的升级，降低模型计算的复杂程度，提高相应的计算及分析效率，并进一步提高规划精度，实现了定位、定量、定性三结合。与此同时，运用GIS输入基本图层，对流域侵蚀现状、土地利用、植被覆盖等进行空间上的对应分析，可以实现土壤侵蚀现状图、水土保持分区图、水土流失防治措施总体布局图等专题图件的输出。

2.2 制图与结果输出

制图是综合规划的重要组成部分，可以直观的体现流域现状及规划工程分布、流域水文地质基本情况、站点及敏感点的相对位置等。应用GIS技术可以实现基础图件的输入和专题图件的输出，结合其他制图软件，使得制图更为方便、美观。在此基础上，ArcGIS提供了3D分析功能，可以实现3D建模并绘制三维立体图，有助于分析矿山和地下水文等真实的三维现象，使得流域地形更加直观，绘图更加逼真，也为因地制宜地进行流域规划奠定基础。在此基础上，与时间序列的结合将实现四维GIS的实现，这在满足社会发展的需要等方面有着广阔的前景。

3 流域信息化建设

目前，水利信息化是水利行业的发展趋势，是国家国民经济信息化的重要组成部分，可以实现信息多元化、传输快速化、资料共享化、处理可视化，使得信息更加安全有保障。GIS技术是实现水利信息化的技术支撑，建立水利GIS系统可以实现流域水利数字化管理，实现传输精确化、监测体系化、管理信息化，真正做到“全面监控，集中管理，统一调度，智能决策”。