流域综合管理的技术难题

从流域综合管理实践的技术来看,目前流域综合管理实践存在以下几个方面的技术问题:

(一)流域关键要素信息采集、知识发掘与共享

近年来,虽然在流域信息采集技术上取得了很大的进展,但是在进行高分辨率定量化研究中仍然面临着信息缺乏的难题,造成这种问题的原因主要可以归结为三个方面:

1.一些关键流域信息采集问题

在流域过程模拟中,气象、水文、水质、土壤含水量以及一些生物指标(物种高度、叶面指数等)仍然依靠台站和野外实地监测获取。由于台站、监测点分布稀疏,很难获取小尺度流域定量化研究所需要的空间连续信息。虽然插值技术在一定程度上改善了空间连续信息获取的精度,如样条插值、地统计插值技术等,但是因点位稀疏而使模拟结果具有较大的不确定性仍然是流域过程模拟面临的一个重要难题。有些要素信息获取至今还没有很好的技术方案,如土壤含水量监测等。

2.信息发掘技术

在遥感技术不断发展的同时,也面临着许多困难与挑战,面对海量遥感数据,当前的瓶颈仍然是遥感数据的自动处理及信息提取问题。目前,对TM/ETM和SPOT信息的分析、处理和应用已经相对成熟,而对快速发展的高分辨率、高光谱遥感数据在流域模拟中的应用还处于探索阶段。数据库技术相对于信息采集技术的滞后发展也是限制海量信息应用的一个重要方面。现今的数据库应用大多仍停留在查询、检索阶段,数据库中隐藏的丰富知识远没有得到充分的发掘和利用,致使人们经常面临被数据淹没、但却饥饿于知识的状况。

3.大比例尺流域信息库建设及共享机制

流域综合管理涉及多学科信息,体现高度的综合性。在面对一个流域问题时,需要流域水、土、气、生、人等众多要素的信息。而这些信息快速收集与集成依赖于国家基础信息库的建设与共享。由于数据整理工作量庞大,目前的基础数据库仍以中、小比例尺为主,大比例尺信息库还需要逐步建设。另外由于缺乏信息披露和共享机制,导致一些流域基础信息标准不一、相互封闭,很难得到有效应用。我国目前在数据库建设及共享方面和发达国家相比存在很大的差距。数据和信息部门垄断导致不合理收费,增加了流域综合管理的实施成本,数据缺乏统一管理导致规范不一而出现集成应用的困难,相互封闭导致重复建设产生极大的浪费等。

(二)流域综合管理决策工具开发与应用(www.xing528.com)

面对流域综合管理的多学科问题,基于模型的决策工具非常重要,而在这方面的研究中还存在以下急需解决的问题。

1.时空地理信息分析与决策模型的发展

由于流域地理信息大部分都具有位置特征,因此数据多以GIS的某种格式储存和管理。GIS在辅助决策中已经得到广泛应用。然而目前的GIS在分析流域动力过程中存在明显的缺陷:其一是流域动力过程表现为流域要素相互作用而不断演变的时间过程,GIS的数据格式中普遍缺乏对时间的描述。其二是现有地图运算功能被设计为一次只能运行一个步骤,一个涉及到好多时段的模拟需要地图计算器程序分别进行当前地图数据、下一个时段状态以及中间输出的多次装载,这是很低效的。而解决这些问题有待于时空地理信息系统的发展。

2.流域多过程综合模型问题

流域综合管理与决策需要多学科综合的模拟模型,而多学科综合模型常常遇到3个方面的难题:一是流域多学科信息的综合和集成。由于不同的学科涉及的研究对象不同,而各个研究学科研究对象又有不同的时间和空间尺度,如土地利用研究空间尺度为地块,时间尺度为年或更长;水文模拟的最小尺度为集水区,时间尺度可为一次降雨时间或月、年等;社会经济的空间尺度为行政区,统计数据的时间尺度一般为年。受时空尺度不同的影响,在建立综合模型时,需要解决不同学科数据源模拟节点的衔接问题。二是流域多学科模型需要解决流域生态、经济统一度量和评估标准问题。我们已经习惯于在分析流域生态问题时把人类活动作为外部因子来考虑,分析社会经济时把流域生态作为资源来考虑,而没有把人类活动和生态作为一个系统进行分析和研究(李恒鹏等,2004)。目前环境经济学提供了对生态环境进行货币度量的方法,来解决生态经济综合分析问题,但是这些评估方面还存在很大的不确定性。三是流域多学科模型集成中累积误差问题。不同学科模型的建立都依赖一定的监测或统计信息,而监测或统计信息都具有一定的不确定性,如采样点空间分布、样品分析方法、统计方法或其他人为因素影响,综合模型表现为某一学科模型模拟结果为另一学科模型的输入信息,这一过程会因集成步骤增多而使累积误差增大,这极大地限制了综合模拟的预测能力。

3.流域模型的通用化问题

流域模型通用化有两个方面的含义,一是流域模型应用具有广泛适用性。目前大部分流域模型多为一定区域下的研究成果,由于模型一般只适用于某一特殊区域,而且不同学者从不同角度构建模型,缺乏统一的标准,在应用中缺乏普遍适应性,为解决这一问题需要针对某一决策目标建立统一标准的信息采集,并建立统一的参数获取方法和分析评估体系。通用模型的另一方面含义是指流域模型不仅可以由专业人员运行,还应有友好的界面以及可视化良好的表达方式,使研究成果能够快速地向实践应用转化。

流域综合管理是一项非常庞大的工作,目前只是在少数一些国家得到了成功的实施,需要做的研究和努力还很多。本文仅仅是概括地向大家介绍了流域综合管理的最基本的内容与含义,以及近些年来流域综合管理的发展历程及动态,并且分析我国流域管理体制目前所存在的不足,展望了未来的发展趋势。同时也针对目前流域管理中普遍使用的信息化、3S技术与流域模拟模型进行了简要的说明,提出了对于目前流域管理方法和技术上存在的不足与缺陷。流域综合管理是一个极其复杂的系统工程,涉及面非常广泛,本章内容仅仅算是对流域综合管理的一个初步介绍和概括。限于笔者的水平和其他客观条件,书中存在的不足与谬误之处,敬请批评指正。