基于GIS的长春市水资源可持续管理信息系统

〔摘 要〕按照安全性与开放性并重、领先性与成熟度并重、有效性与易用性并重原则，开发了基于GIS和网络技术的长春市水资源可持续管理信息系统。系统平台包括硬件条件、软件环境、网络支持和管护人员，数据库包括基础数据库、方法数据库、模型数据库、动态数据库、地图数据库和多媒体数据库，子系统包括系统控制子系统、数据维护子系统、系统管理子系统、信息查询子系统、动态监测子系统、分析预测子系统和信息发布子系统。系统的应用将使城市水资源管理由经验管理、定性管理转向科学管理、定量管理，为建设节水型城市提供决策依据。

〔关键词〕地理信息系统；水资源管理信息系统；可持续发展；长春市

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０８２１．２０１０．１２．０１４

〔中图分类号〕Ｇ２５０.７４ 〔文献标识码〕Ａ 〔文章编号〕１００８－０８２１（２０１０）１２－００５１－０４

Sustainable Water Resource Management Information

System Based on GIS Technology in Changchun CityFang Yan Sun Gang Liu Qian

（School of Life Science，Changchun Normal University，Changchun 130032，China）

〔Ａｂｓｔｒａｃｔ〕According to the principles of both security and openness,both primacy and maturity,both effectiveness and useability,a sustainable water resource management information system based on GIS and web technology in Changchun City.The system platform includes hardware conditions,software environment,web support,and managers.The master databases include basic database,methodology database,model database,dynamic database,map database,and multimedia database.The subsystems include system control subsystem,data maintainance subsystem,system management subsystem,information inquiry subsystem,dynamic monitoring subsystem,analysis & prediction subsystem,and information issue subsystem.The application of the system will turn urban water resource management from empirical management,qualitative management to scientific management,quantitative management,provide stategic evidence for construction of water-saving city.

〔Ｋｅｙｗｏｒｄｓ〕GIS;water resource management information system;sustainable development;Changchun City

水是基础性的自然资源、战略性的经济资源。随着人口的不断增长、生活水平的日益提高和社会经济的高速发展，水资源短缺、水污染严重已经成为制约可持续发展的瓶颈。由于水资源管理涉及多领域、多学科、多因素，信息量繁杂而庞大，常规管理手段无法奏效，必须利用新方法、新技术进行科学管理、优化配置、合理开发［１］。城市水资源管理信息系统是以计算机、处理器为平台，以GIS、网络通信等现代科技为手段，进行城市水资源信息的采集、汇总、分析、计算、模拟、处理、存储、传输与表达，为水资源管理工作提供信息和数据支持，为管理者提供决策依据［２］，通常包括水源管理、需水管理、供水管理、用水管理、业务查询、水质管理、信息发布、预测分析等内容［３］。建立水资源可持续管理信息系统，可以及时掌握各取水工程的动态，对取水和用水实施有效监测和调控，合理制定取水计划，有利于加强用水户的节约用水意识，提高水资源宏观决策能力，符合水资源统一管理、现代化管理、信息化管理、自动化管理的发展方向［４］，对长春市老工业基地振兴和经济社会可持续发展具有重要意义。

１ 研究区概况

长春市是吉林省省会，是著名的汽车城、电影城、文化城和森林城。地处我国东北松辽平原腹地、东部低山丘陵向西部台地平原的过度地带，市区海拔250m～350m之间，地势平坦开阔，略有起伏。属大陆性季风气候，气温的年差较大，年平均气温4.8℃，最高温度39.5℃，最低温度-39.8℃，日照时间2 688hrs。年平均降水量522mm～615mm。春季干燥多风，夏季湿热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷漫长，夏季降水量占全年降水量60%以上，具有四季分明、雨热同季、干湿适中的气候特征，为农业生产提供了良好条件。长春市境内有大小河流222条，分属第二松花江、饮马河、拉林河3个水系。流域面积在20km2以上的江河有206条，其中流域面积在100km2以上的江河有10条，即：松花江、拉林河、饮马河、伊通河、新凯河、卡岔河、沐石河、雾开河、双阳河、小南河。

长春境内地表水资源总量为12.90亿m3，占境内水资源总量的47.9%。其中，饮马河为4.92亿m3，占境内水资源总量的38.1%；境内第二松花江干流为2.87亿m3，占22.2%；拉林河为3.15亿m3，占24.5%；伊通河为1.96亿m3，占15.2%。长春境内地下水储量为14.67亿m3，占境内水资源总量的52.1%，可开采量为9.02亿m3，占境内水资源总储量的64.5%。其中，农安县地下水可开采量为2.67亿m3，占长春地下水可开采总量的29.6%；榆树市为1.93亿m3，占21.4%；德惠县为1.88亿m3，占20.8%；九台市为1.44亿m3，占16%；长春郊区为0.84亿m3，占9.4%；双阳县为0.16亿m3，占1.7%；长春城区为0.1亿m3，占1.1%。

长春市属于极度缺水地区，人均水资源量380m3，仅为吉林省人均水资源量的25%和全国人均水资源量的17%，水资源的供需矛盾突出，预测到2010年城镇年缺水1.6亿m3，到2020年城镇年缺水4亿m3，到2030年城镇年缺水5.71亿m3。同时，水资源配置不合理，水资源利用率偏低，尚未实现污水资源化；水资源浪费严重，供水主干线材料80%以上由铸铁管道组成，管网年久失修，加之节水器具普及率低和人们的节水意识不强，跑、冒、滴、漏现象比较严重，供水损失率在30%以上；一些地区过度开采地下水，形成“漏斗”；水体污染严重，以有机污染为主；水生态环境恶化，湿地面积减少。另外，水资源管理体系不完善，经济结构和产业布局对水资源承载能力考虑不够，一些高耗水、高污染的产业没有受到水资源承载能力和水环境承载能力的约束；经济结构调整、经济增长方式还没有彻底转变，排污许可制度还没有完全建立起来，对饮用水水源保护区内的入河排污口没有采取有效的措施；促进节约用水的法规体系尚不健全，管理部门之间协调配合不够，节水资金投入不足，节水设施建设和节水技术推广力度不够等。这些问题给工农业生产和人民生活带来很多困难，已经成为阻碍长春市经济发展和社会进步的重要限制因素。

２０１０年１２月第３０卷第１２期基于GIS的长春市水资源可持续管理信息系统Ｄｅｃ.，２０１０２ GIS与水资源管理

地理信息系统（GIS）是在计算机软件、硬件及网络支持下，运用地理学、信息科学、系统工程学、计算机科学、遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、测绘学理论与方法，对有关空间数据及其载体（文字、数据、图表等）进行预处理、输入、存储、查询、检索、修改、量测、处理、运算、分析、显示、输出、更新和提供应用，并在不同用户、不同系统、不同地点之间传输地理数据的计算机信息系统，能够为规划、管理、决策提供服务［５］。GIS是传统科学与现代技术相结合、科学发展与社会需求相结合的产物。GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，操作对象是空间数据和属性数据，即点、线、面、体等具备三维要素的地理实体。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志。

由于GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测，因此在水资源勘察、配置、规划、管理和利用中得到广泛应用。基于GIS的水资源管理信息系统可以生成所在区域的自然地理和社会要素底图，并进一步绘制水资源供需图、水资源规划图、水污染分布图等，分析区域内水资源数量、质量与人口分布的关系、与经济发展的关系、与社会进步的关系等，预测水资源动态变化趋势，并以空间分布方式查询和管理相关信息，为科学管理、保护、开发、规划水资源提供有力支持［５］。

基于GIS的水资源管理信息系统大大提高管理效率和水平。GIS的图形数据与属性数据的相互耦合及图形运算能力，使得数据输入、更新维护、检索查询、数据分析、结果输出等操作非常方便，有关数据信息、分析结果、预测结果、决策结果都以图形体现，直观性和可视性极强。GIS操作是Windows标准化的，有利于非专业的管理人员直接参与水资源管理的整个过程，根据具体情况和最新数据修订决策方案。早在20世纪70年代，美国田纳西流域管理局就已经利用GIS技术处理和分析各种流域信息，为流域管理和规划提供决策服务。20世纪80年代后，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运用日渐普及［６］。

３ 系统设计与集成

３.１ 总体规划

水资源管理信息系统采用以客户／服务器体系（C/S）结构为主、以浏览器／服务器（B/S）结构为辅的总体方案。在Windows NT环境，通过数据库、GIS、水资源管理专业模型之间的耦合和集成，使其具有用户权限管理、数据管理、GIS分析、数值计算、实时更新、网络传输、预测预报、成果发布等功能，能在单机或局域网内运行。

３.２ 框架结构

按照安全性与开放性并重、领先性与成熟度并重、有效性与易用性并重原则开发的水资源管理信息系统，是一个由多个模块和子系统组成、具有多项功能的复杂系统（图１）。图１ 基于GIS的长春市水资源管理信息系统框架结构

３.３ 模块组成

３.３.１ 数据库模块

基础数据库包括水文、气象、城市规划、社会经济、工程建设、人口、排污数据等，根据时空属性可分为时间序列数据和空间分布数据。

方法数据库包括储存各种标准计算方法的数据库，包括常规统计分析方法，如平均值、最大值、最小值、方差、正态分布检验等，以及回归分析、聚类分析、模糊数学、灰色预测、主成分分析等方法。

模型数据库包括与水资源分析、预测、预报有关的数理和化学模型，可以编译为执行程序（.EXE）或动态连接库（.DLL），连同模型参数、计算方法、相关说明、中间计算结果、最终计算结果一起存储于系统中，对系统的性能和表现至关重要。

动态数据库包括地下水信息、地表水信息、水污染信息、供水信息、需水信息、年度用水计划信息、工程信息、规划信息等，要根据实时信息对水资源的动态变化情况及时更新和补充，保证数据库的时效性和准确性。

地图数据库包括图形数据、空间数据、属性数据等，如GIS数据、矢量化数据、遥测遥感数据及影像、GPS数据、航拍数据等。

多媒体数据库包括影像、视频、图片、声音、文字等，涉及政策法规、管理条例、成果展示、国家标准、规划方案、工程描述等等。

３.３.２ 子系统模块

系统控制子系统：借助人机对话，管理数据库之间、子系统之间的集成，验证用户身份，保证系统的安全运转和正常使用，负责系统的数据输入和结果输出等。

数据维护子系统：在地理信息系统的支持下，进行数据的维护。

系统管理子系统：包括水资源供需的管理、水环境质量的管理、取水许可管理、水资源缴费管理、文件管理等。

信息查询子系统：包括水资源、水文、气象、水污染、经济社会发展等信息的查询。

动态监测子系统：包括地下水水位监测、地表水水位监测、地下水水质监测、地表水水质监测、排污监测、地下水取水预警、地表水取水预警等。

分析预测子系统：根据模型计算和仿真模拟结果，进行水资源现状分析和预测预报，包括生活用水、工业用水、农业用水、林牧副渔业用水、生态用水等，为水资源科学规划、合理配置和高效利用提供决策支持。

信息发布子系统：包括水资源公报和成果发布，对水资源各种指标及变化情况分析统计，撰写、编辑水资源公报，把政策法规、地方条例、国家标准、管理成果等通过网络发布）等［７］。

３.３.３ 计算机模块

单机模式由基本外设、处理设备和输出设备构成。局域网模式有专线连接，适用于部门或单位内部GIS建设。广域网模式由公共通讯连接。

系统软件关系到GIS和开发语言使用的有效性，是GIS的重要组成部分，主要包括计算机操作系统以及各种标准外设的驱动软件，目前流行的有DOS、Windows98/NT/2000/XP、UNIX等。基础软件包括数据库软件和图形平台。数据库软件用来管理空间数据，包括图形数据和属性数据。流行的数据库软件主要有Oracle、Sybase、Informix、DB2、SQL Server、Ingress等。目前GIS软件中主要采用关系数据库管理属性数据。图形平台有AutoDesk公司开发的基于AutoCAD的AutoMap GIS软件、Intergraph公司的基于MicroStation的MGE GIS软件等。

４ 系统特点

４.１ 强大的查询功能

系统支持海量信息的查询，包括相关工程（供水工程、蓄水工程、引水工程等）、水质监测、空间遥感、污染排放、水文气象、经济增长、社会发展等数据，而且还可以将各个要素的空间属性叠加起来，获得综合分析结果。

４.２ 便于更新和维护

系统具有开放式结构和实时动态的功能，在软硬件方面保证良好的扩展能力，便于与其它相关系统对接，实现数据共享和融合，完成系统的升级。

４.３ 具有电子地图功能

水资源管理信息系统与地理信息系统、图像处理、航空摄影、遥感数据相结合，具有电子地图功能，与水资源相关的节点均可直观地得以图示，包括城市边界、区县边界、各级流域分区边界、居民生活区、工业区、农业区、公园、绿地、气象站、水文站、蒸发站、雨量站、排污口、水库、湖泊、河流、湿地、铁路、公路、环保监测站、排污口等。

４.４ 标准化设计

水资源管理信息系统的开发和建设，尽量采用标准化方法，包括软件、数据库、计算规则、编码代码、评价手段、硬件配套、系统集成等。凡是已经颁布了国家、行业标准或条例的，都严格执行，尚没有统一标准或条例的，则采用惯例标准。

４.５ 可视化设计

系统以链接属性数据库的形式在Windows平台查询图形上各点的相关数据。通过提取某些图层，增减专题图件。设计制作用于打印输出的报告级专题图件。

４.６ 具有保密功能

用户使用时，要经过身份认证，系统将检验用户的合法性，如账号、密码等。对用户的使用权限进行分级和授权，不同级别的用户所能使用的软件资源和获得的数据资源不同。数据库管理员拥有全部权限，开发维护使用人员拥有数据的增、删、改、查，数据库备份和恢复等权限，浏览访问用户只有数据查询权限。无授权的用户无法进入该系统。系统对操作软件进行加密处理，非法用户无法使用该软件，如果强行破译该软件，系统将自动毁掉［８］。

５ 展 望

我国多个城市已经尝试了GIS技术在水资源管理领域中的应用，但与国外发达国家相比，还处于初级应用阶段，无论是数据采集、存储、管理和查询检索，还是动态监测、空间分析、模型计算、预测预报、信息发布、决策支持功能都还处于较低水平。建立一个功能齐备的水资源管理信息系统需要投入大量的人力、物力和财力，因此在系统的开发过程中应根据实际情况量力而行，建设规模适宜的水资源管理信息系统，并逐步提高应用水平［９］。保证基础数据库的可靠性，及时、全面、准确地获取水文、气象、水资源、相关自然资源、水污染、社会经济、环境质量的基本数据并实时更新，加强数据的集成化程度和共享度。进一步研究复合系统的计算方法和模型集成，提高各种系统模型（如监测模型、管理模型、动态模型、规划模型、污染模型、评价模型等）的预测精准度，建立实用的信息管理系统、专家智能系统和决策支持系统［５］。基于GIS的水资源可持续管理信息系统投入使用后，将会大大改善长春市水资源管理的手段，使水资源行政管理部门能够借助先进的科学技术更好地履行管理职责，使城市水资源管理由传统的经验管理、定性管理转向现代的科学管理、定量管理，更好地适应信息化发展和社会公众的要求，为长春市建设节水型城市提供决策依据，促进长春市进一步改善人居环境、增强核心竞争力、实现社会——经济——环境可持续发展。

参考文献

［１］袁建平，方正，王晖．地理信息系统在城市水资源管理中的应用［Ｊ］．中国给水排水，2005，21（11）：23-25．

［２］陈锁忠，常本春，黄家住，等．水资源管理信息系统［Ｍ］．北京：科学出版社，2005．

［３］张锦明，杨文建，薛伟．地理信息系统在北京市水管理中的应用［Ｊ］．北京水利，2003，（2）：26-30．

［４］赵巨伟，孟晓路．基于GIS平台的辽阳市水资源管理信息系统设计［Ｊ］．吉林水利，2008，（5）：25-26．

［５］王景峰．地理信息系统及在水文水资源方面的应用［Ｊ］．内蒙古农业大学学报，2006，27（1）：144-147．

［６］姜哲，傅春．GIS技术在长春市地下水水质评价中的应用［Ｊ］．地下水，2006，28（6）：34-36．

［７］李云，范子武，徐世凯，等．城市水资源管理信息系统的开发与应用［Ｊ］．中国水利，2003，（6）：73-75．

［８］毛学文，李怡庭，高俊杰．水资源质量信息管理与服务系统设计［Ｊ］．水利技术监督，2003，（4）：34-37．

［９］赵玉霞，赵俊琳．GIS技术及其在区域水环境管理中的应用［Ｊ］．水科学进展，2000，11（3）：340-341．

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