流域综合管理的关键技术探析

由流域综合管理的实施过程可以看出,针对某一流域问题,需要从与其联系的水、土、气、生物、人等众多要素出发,既要分析和模拟单一流域过程,又要分析不同流域过程之间的联系及响应过程。这一过程一方面需要海量的流域信息支持,另一方面需要针对多学科流域问题的智能化综合决策技术。因此,流域信息化、流域过程分析模型化、综合决策智能化成为流域综合管理部门进行科学决策的保障。

(一)流域信息化

流域信息技术包括流域信息的采集、组织、管理等。传统的流域数据采集与管理方法主要有:各种统计年鉴、历史文献记录、野外观测台站网络记录、调查访问。这些方法至今仍然在流域分析和管理中起着非常重要的作用。然而传统的方法存在数据采集周期长、投入大、采样布点稀疏等缺点,很难全面地反映流域的整体特征。近年来,计算机技术、遥感技术、地理信息系统技术在流域信息化中起着越来越大的作用。

目前,遥感技术已经成为流域信息获取的重要手段。对地观测系统利用多平台、多分辨率、多波段获取不同尺度流域的多方面信息,空间分辨率可达0.5～4000m,光谱从紫外、可见光、红外到微波,波段从1个到240个,时间分辨率可以从每隔10多天一次,到每天3次(周成虎等,2000)。MSS、TM和SPOT卫星影像已经在资源、环境等众多领域中得到广泛应用,如流域土地利用信息提取、植被类型划分、地质信息提取、水深调查、土壤含水量分析以及基础地图更新等方面的应用。近年来发展的高光谱、高分辨率遥感技术使遥感方法在流域信息采集中越来越呈现出更为广阔的前景,如:通过高光谱遥感可以获得群落的物种组成、生物生长状况、水质变化等;高分辨率遥感影像可以提供流域更高精度的信息,如不同树种树冠的参数等。

在人类对地球不同层面、不同现象的综合观测能力达到空前发达水平的现代,如何处理、传输、组织和应用流域信息,满足流域综合管理的需要,是流域信息化建设的又一重要内容。自1998年美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表《数字地球:对21世纪人类星球的理解》演讲中提出“数字地球”的概念后,数字流域作为“数字地球”多层次构架下的一个重要结点,也得到流域管理部门的广泛重视(张欧阳、张红武,2002)。数字流域是综合运用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、网络技术、多媒体及虚拟现实(VR)等现代高新技术对全流域的地理环境、自然资源、生态环境、人文景观、社会和经济状态等各种信息进行采集与数字化处理,构建全流域综合信息平台和三维影像模型,使各级政府部门能够有效地管理整个流域的经济建设,做出宏观的资源利用与开发决策。

一些发达国家如美国、日木、英国、法国、加拿大等,纷纷通过政府投资和立法形式建立了很多国家级数据中心和大型数据库系统作为信息基础设施的核心内容,例如美国航空航天局(NASA)的9大数据中心,美国能源部、农业部、人口调查局信息中心等,在科学研究、国家战略决策和提高公众科学素质方面发挥了巨大的作用。美国环境保护署把流域信息建设及信息服务作为其职能建设的一个重要方面。20世纪90年代,美国EPA建设的国家水文数据库(National Hydrography Dataset,简称NHD),以流域界限对自然、社会、经济信息进行组织,建立流域基础信息平台。目前,这一信息平台已经在流域模拟、水质管理等方面发挥出巨大的作用,如美国EPA在NHD和USGS信息平台的支撑下,开展了全国范围的流域污染日负荷评估(TMDL)、流域健康评价等,成为流域计划与决策制订和实施的重要科学依据。我国流域信息化水平与发达国家相比存在较大的差距,除国家基础地理信息建立了相对完备的基础数据库及数据库管理机制以外,还没有建立针对流域综合管理的信息平台,水利部及流域管理部门的流域信息多针对流域洪水调度目标,且不同流域信息如水质监测、气象、植被等分别属于环保、气象和农林等不同部门,部门之间缺乏统一的规范,这些部门没有相关的信息发布管理机制,为流域综合管理实施造成了很大的障碍。

(二)流域模拟与综合决策

流域模拟系指通过分析流域自然、社会、经济等复合系统的主要动力过程,提取关键因素,并对关键因素和过程进行合理地定性、定量描述,实现模拟结果和现实的充分逼近。流域模型构建是对流域认识的深化,可以进行预测、诊断、综合、管理和决策。流域模型将水文学、生态学、社会经济等不同学科知识进行模块化、智能化表达,使流域决策者能够充分利用不同学科发展的最新成果,并对复杂环境问题的众多方面进行全面的分析,在一定程度上克服了流域管理者因专业和个人经验所限作出片面的管理决策。通过流域模拟,可以经济、高效地分析流域问题,可以预测流域未来的环境条件,分析和比较备选决策方案实施的可能后果,从而选择最佳的决策方案或对决策方案进行合理调整,减少流域决策实施的盲目性。

1.流域模拟模型

近年来,随着计算机技术、地理信息系统技术、遥感技术、流域监测示踪技术、网络技术、虚拟仿真技术的发展,水文、生态、社会经济等领域已经采用先进手段建立各自学科的建模分析与决策体系,尤其是水文学模拟技术,已经形成了广泛适用的模拟模型,并应用于水资源管理、水利工程和灾害防治中。然而,面对复杂的流域问题,单学科流域模型在流域综合管理应用中具有很大的局限性,综合决策需要不同学科广泛参与,需要将各个学科模型实现一定程度的集成。目前,对流域综合决策模型的研究还处于起步阶段,对其概念的理解也比较模糊,主要是对综合模型的认识不同。一些模型构建者把两个或两个以上模型的集成称为综合模型,如地下水和地表水模型的集成,但这两个模型事实上属于一个学科范畴。大部分学者认为,综合模型应该是两个或两个以上学科的综合(Rotmans J、Van A M,1996),需要具备从自然、社会、经济等多个方面分析和解释流域问题的功能,通过全面考虑最终做出正确的决策。因此,流域综合模型表现为多学科的综合。

目前,已经应用的综合管理模型主要包括以下几类:①水文物理模型(Hydrological Model);②生态经济模型(Eco-economic models);③综合管理模型。生态经济模型应用到一些流域和地区,这类模型引入了较多的经济过程分析,建立了优化决策模型,然而模型分析流域水文、生态过程中进行了很大的简化,通过建立简单的指标体系集成到经济模型中。综合管理模型一般都有经济分析过程,但是模型往往很少考虑流域各种群体的响应机制,而且经济分析多为决策措施的费用分析,认为决策过程可以得到完全实施。比较好的综合管理模型主要是水文过程与经济过程相结合的流域综合管理模型,模型包括水文过程模拟以及水资源分配的多目标决策、洪水和污染的经济损失评估和措施的优化决策。

而在实际的操作过程中,大部分的流域模型属于水文物理模型,水文物理模型主要集成流域的水文过程(包括降雨径流、水盐动态、沉积物与营养流、地下水过程)和生物过程。这些综合管理模型主要针对流域的水土资源保护政策和非点源污染,分析不同的土地利用模式可能导致的环境响应,但模型没有过多地考虑管理的经济和社会响应。目前,应用比较广泛的模型有SWAT、AGNPS、MODFLOW和MIKESHE模型等。

(1)分布式降雨径流及流域产沙模拟模型——SWAT模型。1994年,美国农业部(USDA)农业研究中心(ARS)开发了SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型。SWAT是一个具有很强物理机制的、长时段的流域水文模型,在加拿大和北美寒区具有广泛的应用。它能够利用GIS和RS提供的空间信息,模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程,包括水、沙和化学物质的输移与转化过程。模型可采用多种方法将流域离散化(一般基于栅格DEM),能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变化以及人类活动对流域水文循环的影响。

SWAT可以模拟流域内多种不同的物理过程。由于流域下垫面和气候因素具有时空变异性,为了便于模拟,SWAT模型将流域细分为若干个子流域。目前有3种划分的方法:自然子流域(Subbasin)、山坡(Hillslop)和网格(Grid)等。SWAT将每个子流域的输入信息归为5类:气候、水文响应单元HRU、池塘(或湿地)、地下水和主河道(或河段)等。在结构上,每个子流域至少包括:1个水文响应单元HRU、1个支流河道(用于计算子流域汇流时间)、1个主河道(或河段),而池塘(或湿地)为可选项。水文响应单元则是包括子流域内具有相同植被覆盖、土壤类型和管理条件的陆面面积的集总。HRU之间不考虑交互作用。

SWAT模拟的流域水文过程被分为两大部分:

①陆面部分(即产流和坡面汇流部分),它控制着每个流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量;

②水循环的水面部分(即河道汇流部分),它决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。

SWAT采用现代Windows界面,是一个模型和GIS的综合型系统,它模拟了水和化学物质从地表到地下含水层再到河网的运动过程,可以用于很大面积的流域水质水量模拟。它适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域。主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响,不适用于模拟具体的单一洪水过程。由于SWAT模型具有较强的物理基础,能够在缺乏资料的地区建模,具有输入数据容易获取、计算效率高等特点。目前在国外取得了非常广泛的应用,在国内非点源污染和泥沙的模拟上也逐步应用开来。

(2)分布式地下水模拟模型——MODFLOW模型。美国地质调查局(USGS)于20世纪80年代开发出来的MODFLOW(Modular Three-dimensional Finite Difference Groundwater Flow Model)是一套专门用于孔隙介质中三维地下水流数值模拟的模型。自MODFLOW问世以来,它已经在全美甚至在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、城乡发展规划、水资源利用、流域地下水评价等许多行业和部门得到了广泛的应用,成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件。

MODFLOW程序结构合理,易于理解,便于操作,是一种较为权威的地下水流数值模拟软件,具有广泛的使用价值。MODFLOW之所以得到如此广泛的推广应用,是因为它代表了未来地下水流数值模型发展的大趋势,有很强的实用性,具体包括程序设计结构的模块化、离散方法的简单化和求解方法的多样化等。MODFLOW不仅可以用于模拟孔隙介质地下水的运动,而且可以用来解决裂隙介质中的地下水流动问题。经过合理的概化,MODFLOW还可以用来解决空气在土壤中的流动。将MODFLOW与溶质运移模拟的软件结合起来,还可以用来模拟诸如海水入侵等地下水密度为变量的问题。(McDonald G.Michael、Arlen W.Harbaugh,1988)(www.xing528.com)

但MODFLOW由于采用矩形网格进行剖分,因而对于处理复杂地质体中的地下水三维渗流场模拟问题存在着不足。

(3)流域水循环综合模拟模型——MIKESHE模型。随着计算机技术、系统科学和大量水文模型方法研究的进展,使得进行整个流域整体水循环模拟成为可能。流域内水循环过程从大气降水开始到坡面流,随后在不饱和土壤带内运动,继续汇流进入下游河网,同时部分下渗进入地下饱和带,参与地下水渗流运动。其中土壤水非饱和带运动和地表地下水转化量的模拟预测一直是流域整体水循环模拟中的棘手问题,其处理方式的好坏直接影响整个水循环模型的合理性和精度。下面以欧洲的SHE模型为例,介绍整体水循环模拟模型在流域水资源管理中的应用。

丹麦、法国及英国的水文学者联合研制及改进的SHE模型(System Hydrologic European)是一个典型的整体分布式水循环模拟模型。在SHE模型中,流域在平面上被划分成许多矩形网格,这样便于处理模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布性。在垂直面上,则划分成几个水平层,以便处理不同层次的土壤水运动问题。SHE模型为研究人类活动对于流域的产流、产沙及水质等影响问题提供了理想化的工具。

MIKESHE(An integrated hydrological modeling system)系统则是由丹麦水力研究所(Danish Hydraulic Institute)开发的流域整体水循环模拟软件系统。该模型主要由以下核心模块构成:

1)蒸发散模拟(ET)模块:目前采用Rutter模型/Penman Monteith方程,Kristensen Jensen模型两种方法求解截留量及蒸发散量。

2)非饱和带水分模拟(UZ)模块:系统提供Richard方程和重力流模拟两种方法进行非饱和带水分的模拟。

3)饱和地下水流动模拟(SZ)模块:系统提供改进Guass Seidel法和Preconditioned conjugated gradients(PCG)法两种思路进行地下水流动的模拟。

4)坡面流与河道流模拟(OC)模块:坡面流与河道流采用Saint Venant方程进行求解。

MIKESHE模型的缺点是对资料完备性和详细度要求较高,不适用于资料基础较差的流域整体水循环模拟分析。

此外,辅助进行整体水循环模拟的软件系统还有美国地质调查局开发的模块建模系统(MMS)。MMS通过子程序级别的集成实现了流域过程紧密耦合的需求。从根本上而言,MMS是一套相互匹配的子程序,它们可以被一起编译,以表征一个特定流域。这些子程序被称为模块,分别描述降雨、蒸腾、地表漫流、地下水、日射、蒸发、融雪、河川径流和森林生长。为了轻松地把模块组装起来描述感兴趣的流域,MMS提供图形用户界面,允许非程序员确认重要过程以及它们相互之间的交互方式。例如,天气模块产生降雨,降雨又与地表漫流模块有关,后者模拟出的水流进入河川,再流向水库和其他河流等。其各模块间的集成是通过对数据定义和数据交换格式的严格控制来实现的。MMS建模系统在美国流域水文模拟中应用较为广泛。

2.选择流域模拟模型所面对的问题

综上可见,供流域水资源管理使用的水文模型非常之多。如何选择真正适合自己流域特点的流域水文模型,应重点考虑以下一些关键问题(王旭东等,2004):

(1)使用模型的目的是辅助决策。大多数水文模型都有研究问题的侧重点,需要考虑模型输出的信息是否满足决策要求。

(2)模型的适用区。任何模型都有一定的假设和概化,因而有各自的适用范围,应充分了解模型的结构特点,确定其适应性。

(3)模型的当前状态。需要确认模型是试验性的、公共软件、还是完全商业化的?哪些区域已经成功地使用了它?模型最新的版本发布于什么时候?修改漏洞和扩展模型功能时需要做些什么?通常,更有用的模型都处于不断的完善之中并且有一个用户群,而且也能提供用户支持。

(4)模型的数据需求。流域水文模型各种各样,各模型都有其不同的原始数据需求。我们不可能奢求任何一种信息采集方案可以完全满足流域水文模型的数据需求,不顾现有数据基础和落后的信息采集设施就盲目进行流域水文模型的开发同样是不理智的。流域数据的收集与流域水文模拟模型的研究和开发应该相互协作,同步进行。

(5)模型对不同数据源获取信息的能力。大多数流域水文模型软件具有数据输入能力,以尽量减少数据输入的工作量。对于空间数据输入,确定该系统具有格式转换、投影转换、插值和预测功能及有无电子表格数据格式输入功能等。

(6)模型对用户的要求。用户必须有什么样的专业知识和技能才能成功运用模型?用户群有这些技能吗?用户需要运行一段系统才能掌握运转它的必要技能吗?通过检视模型的用户界面通常能够得到这些问题的答案。用户界面越完善,学习曲线越短,在线帮助越好,所需专门技能就越少。

科学合理地选择流域模拟模型是“数字流域”建设的重要内容,对于提高辅助决策能力和科技水平至关重要。只有流域管理者统筹兼顾、全面考虑、综合比较,才能选择出真正适合于自己流域的水文模型,才能使模型为提高流域管理现代化水平发挥作用。