高新技术应用与流域水环境模拟

近几十年来,人类科学技术取得突飞猛进。日趋完善的RS、GIS、GPS、DEM 等高新技术,已经在全球,尤其是发达国家经济社会的各个方面得到广泛应用。在水生态与水环境领域,与RS、GIS、GPS、DEM 等高新技术密切相关的信息系统与决策支持系统、数字仿真与可视化、遥感生态监测、“虚拟数值模拟”等前沿热点研究如雨后春笋般蓬勃发展,一方面极大促进了水生态与水环境监测、管理与决策的效率与科学性的提高,另一方面也带来了水生态与水环境模拟技术的革命性发展。

(1)高新技术在水生态与水环境监测、管理与决策中的应用。

1)水生态与水环境监测。20世纪末以来,自动监测技术和遥感监测技术在国外发达国家得到普遍应用,基本实现了对江河水文水质的自动监测以及对河道与湿地生态系统、水土保持等的遥感自动监测。此外,遥感技术在水质、水生态方面(如水体富营养化)研究也逐渐走向实用。

我国也高度重视自动监测技术与遥感技术在水生态与水环境监测方面的应用。20世纪90年代以来,我国各流域主要河流和一些重要湖泊、水库上分别建立了水质自动监测站点。近年来,遥感技术在水生态与水环境监测中应用研究也逐渐展开,如武汉东湖所开展的水体富营养化遥感监测评价、江苏海岸盐沼植被演变遥感监测分析、上海苏州河水质的遥感监测等。此外,国内还开展了利用彩红外投影、热红外及多光谱技术监测河湖水污染、用多波段遥感影像监测一定水深的悬浮物和泥沙分布、用微波遥感进行河口近海水域盐度与温度监测等方面的探索性研究。目前重点需要解决的关键技术主要有:水质成分识别的混合光谱分解技术、高光谱数据和高时间分辨率数据的融合技术等。

2)水生态与水环境的决策管理。水生态与水环境是一个复杂、庞大的系统,涉及到社会、经济和技术各方面,而RS、GIS、GPS以及DEM 等高新技术则为这种复杂系统的科学与高效管理提供了有力的技术支撑。

在当前的信息化社会,以WebGIS为基础的信息管理与决策系统是国外发达国家水生态与水环境管理的基本手段,并成为信息资源共享与深层次开发的主要途径。我国自20世纪末,也在大力开展相关方面信息现代化建设,使基于GIS的各种信息系统在水利等行业得到广泛应用。目前,我国各大流域以及相关管理部门均已建立了相应的信息管理系统,使相关管理工作不断规范化、科学化;数字化河道、数字化流域工作也在逐步展开。(www.xing528.com)

但是,与发达国家相比,我国水生态与水环境信息化决策管理的水平还存在很大的差距,具体表现在:①对信息化管理的重视程度还不够,信息量不能满足管理需求,信息的维护与更新滞后;②水生态与水环境涉及不同学科、不同行业,但目前条块式行政管理模式导致部门之间信息封锁,难以实现信息的深层次开发;③尚未建立切实可行的分析评价体系,信息库与模型库脱节,缺乏有效的决策支持功能。

(2)流域水环境数值模拟。流域是一个完整的生态系统。由于水的流动与循环,流域内水生态系统与水环境系统的能量、物质、生物体等在时空不同尺度下进行循环交换并相互影响。因此,迫切需要从系统的角度出发,研究不同时空尺度下水生态系统与水环境的整体行为、演化规律及其相互作用。信息技术以及水生态、水环境各相关专业技术的迅速发展,则为上述水生态与水环境研究的多种要素整合研究奠定了良好的基础。

综观世界相关前沿研究,目前对水循环过程的模拟研究已经从地表水为主的单一过程研究发展为从大气降雨、蒸发、入渗、径流、地下水及溢出等的全过程研究,并在全过程的水量循环中同时考虑物质循环;对水生态与水环境的模拟研究,已从单要素分析发展到将水量、水质、泥沙、水生物等同时考虑,全面分析水污染物与水体的流动方式、与泥沙吸附与解析、与水生物的生长死亡等耦合关系的层次。研究的范围也从河段到河流廊道、从水域到区域、从区域到流域逐渐扩展。由美国Brigham Young University环境模拟研究室开发的基于DEM 技术和GIS技术的图形化流域模拟系统Watershed Modeling System(WMS 7.0)是这方面一个典型的代表性成果。

伴随计算机技术及GIS、DEM 等高新技术的发展,数字仿真与可视化技术也得到快速发展,进而使流域水环境模拟技术日趋完善,并在水生态与水环境领域不断得到应用。在计算机支持下的“数值虚拟模拟研究”,也逐渐成为揭示不同时空间尺度下资源与环境相互作用过程,以及不同尺度之间的转换机制的一种形象直观的技术手段。