水信息学的最新进展

水信息学在国外已得到了卓有成效的发展和应用,特别是在水文、水环境、水处理、水灾害、水量调度、水土流失、流域规划与管理、水利工程设计、施工与管理等方面的应用尤为广泛,在美国、荷兰、丹麦、英国以及印度等国家发展十分迅速。到目前为止,共计召开了6届国际水信息国际学术讨论会,每届会上提供了研究内容非常丰富的大量的论文,会议内容主要为:数据获取及管理、决策支持系统、模型试验、生态与水质、预报、原生算法、地理信息系统、国际互联网、集成技术、神经网络、软件工具、不确定性分析等,并邀请数位国际上著名学者做专题报告。

第四届国际水信息学学术讨论会(美国IOWA,2000年),会议论文170余篇。会议安排了5个专题报告:P.Goodwin“水系统的回顾——水信息学的展望”;K.P.Goergakakos“水利气象学中的技术传播”;Danil P.Loacks的“水与草生物与社会动力学模拟——水利信息学的挑战”;Jeffery Holland“在自然与水资源决策中的土地管理系统的发展”,B.R.Hodges的“层叠湖池的水动力模型”。

第五届国际水信息学学术讨论会(英国卡迪夫,2002),会议论文200篇。大会邀请印度水利科学研究所所长V.M.Bendre做了题为“印度水资源开发前后的水利信息学——挑战与机遇”的特邀报告,4个专题报告分别为:P.Garcia Navarr,P.Brufan,J.Burguete的“计算水力学的进展”;丹麦DHI研究所Vladan Babovic“基于遗传程序的知识介绍”;荷兰Delft水利研究所A.E.Mynett“关于环境水信息学”;美国水文研究中心K.D.Georgakakos“气候变化与水资源管理——水信息学中的广阔天地”。

第六届国际水信息学学术讨论会(新加坡,2004),会议论文200篇。会议专题报告分别为:荷兰水利研究所A.E.Mynett“用于生态水力学模型的水信息工具”,新加坡热带海洋研究所E.S.Chan和P.Tkalich的“新加坡海洋环境预测”;印度K.Deb“用生态模型进行单目标和多目标的优化”;澳大利亚西部大学J.Imberger等人的“模拟分层流、旋转流、风生潮流的新紊流模型”。

我国在各流域机构、科研单位、大专院校等的研究工作中,都有大量的应用,也取得了很大的成绩。在某些方面,还有待于进一步研究和开发,做进一步的努力。我国在这方面的进展有以下几个内容:

(1)数值模拟。我国在20世纪70年代起逐步广泛开展了数学模型的引进、开发与应用研究。到目前在水力学学科各个分支,如水工水力学、灾害水力学、环境水力学和城市水力学等领域都有成功的应用,包括河流治理、过水建筑物与管道、河口与海岸、防洪管理、环境保护和城市水利等。无论在计算方法、模拟对象,还是模型功能、模型包装(前后处理)等方面都取得了长足的进步和显著的成果。国内数学模型的开发和研究虽然已有30多年的历史,遍地开花,但是许多单位在低水平上重复,没有形成合力向高水平和商业化发展,也没有出现象HEC 系列、MIKE 系列、DELFT-3D、STAR-3D、FLUENT 等那样的商业软件。

陈明杰,倪晋仁等将水动力学模型与遗传神经网络方法结合,对深圳湾生态敏感点潮流的实时变化特性进行了预测。涂向阳,高学平运用模糊数学的基本思想方法,根据海水入侵地区地下水水质的特点,把模糊数学最大隶属度原则应用到海水入侵地下水水质评价中,构造了综合评判模糊数学模型。秦亮,练继建,万五一利用人工神经网络(ANN)所具有的高度非线性全局作用、良好的自适应性及联想记忆功能等优点,将人工神经网络引入到长距离输水系统过渡过程的分析中,建立合适的神经网络模型,并得出一系列计算成果。

人工神经网络、遗传算法、模糊逻辑等仿生计算方法在水信息学中已得到越来越多的应用。顾正华,唐洪武和李云对计算机智能在水信息学中的应用现状和发展趋势进行了综述,介绍了水流智能模型思想,进行了神经网络模拟计算机实验,检验了神经网络的外延性能以及辨识水流本构关系的能力。练继建,胡明罡等应用遗传算法对黄河上游龙羊峡、李家峡单独运行以及联合运行进行了优化调度运算。杨珏,汪德爟以人工神经网络为工具,采用沧州市1976～1998年地下水年开采量及漏斗中心年最低水位资料,建立了地下水漏斗中心水位预测模型,模型预测效果良好。

(2)信息系统与决策支持系统。以水信息系统为支撑平台开发决策支持与工程管理软件是另一方向。金生等采用网络平台开发了珠江三角洲水利信息系统,该系统由计算分析、信息查询、可视化演示等模块构成,表明,将可靠的水沙数学模型同水利信息系统相结合,在规划、预报与决策中会发挥越来越大的作用。白宁明应用现代信息技术,创建了集信号处理、计算机网络、多功能视频会议、中央智能控制于一体的无锡市多功能防洪减灾决策支持系统。王宏江,陈振飞,刘尚为在引滦入津工程管理信息系统总体框架和建设中,结合系统规划、前期调研和初步设计,提出了信息系统建设中有关问题的几点思考。

闫继军,徐泽平和陈煜等在省级防汛指挥决策支持系统的建设与管理中应用了Web-GIS的信息管理、模型的应用开发和网络的应用集成技术,该系统包括“三层”体系结构(人机交互层、模型应用层、系统支撑层)和“五库十机”实用系统框架(数据库、模型库、方法库、知识库、文本库和数据接收、气象产品应用、汛情监视、信息服务、洪水预报、防洪调度、灾情评估、防汛管理、会商支持、城市防洪)。(www.xing528.com)

(3)数字仿真与可视化。近10年来,国内不少单位借助于计算机技术,系统科学及工程科学的发展,深入研究了三维动态、可视化仿真理论及其在工程中的应用。仿真可视化可以用适当的图形表示和显示数据场中各种物理量的情况,可以对画面进行交互操作。

钟登华的《可视化仿真技术及其应用》一书,从系统仿真原理,系统仿真技术,发展现状及其应用,做了全面、详细地介绍,并应用在地下厂房施工系统动态可视化仿真与进度优化以及施工导流截流中,成功地应用了的动态可视化仿真成果,利用GIS的三维动态可视化仿真理论,对十分复杂的地下厂房施工和施导截流,提供直观的决策信息支持,节省了大量的人力物力去进行水工模型试验。在水利工程施工总布置采用动态信息可视化方法,将施工总布置分为若干个子系统,以GIS为平台,将时间作为实体属性,组织动态数据结构,在构造三维可视化数字模型的基础上,直观地表达施工总布置所涉及的复杂时空信息,逼真再现施工总布置地形地物和施工过程。

刘永川等开发了一系列的有成效的施工管理软件,解决了三维建模技术,施工仿真技术和信息可视化三大技术难题,为三峡船闸及厂坝建筑物、水布垭大坝、索风营、公伯峡等大型工程的施工管理作出了成绩,特别是结合龙滩大坝的施工进程实际进行了仿真及优化计算,最后的三维动画、表格、文本等形式输出,为施工单位动态可视化和施工管理提供了十分便捷的管理工具。

仿真模型也早已应用于其他各个领域,程晓陶等对城市防涝仿真的发展和应用做了大量卓有成效的研究工作,先后对深圳、广州及天津、沈阳、海口等城市的城市洪涝仿真取得了成果。在洪涝仿真模型中,考虑了不同频率的城市河道洪水、市区暴雨及其他因素而组合的洪涝过程,考虑了城市区域建筑物的密度,防洪设施,排水系统,地形地貌的变化等,综合反映了人为活动因素对洪涝风险变化的影响等等,最后使其成果具有良好的可视性,在这些建模与计算过程中,充分利用了一些先进的信息技术。

(4)水信息学与生态环境水力学。传统意义上的环境水力学仅用水力学、环境化学和数学方法研究水和环境有关的理化过程和现象,而水信息学则是在研究物理现象模拟技术基础上,应用现代信息技术以分析、管理和评价自然环境或人工环境中水及输运物质与生态环境产生的交互作用,在一个更大和更高的层面上研究生态环境水力学及相关应用。信息技术对生态环境水力学研究的介入扩展了研究思路,也获得了新的研究方法。

禹雪中根据水环境模型的特点,对GIS技术与水环境模型集成的必要性和应用范围进行了分析,对集成的方式进行了探讨,提出GIS和水环境模型作为相对独立的应用层,通过共享的方式操作底层数据是集成的理想方式,并针对河流水环境模型提出了一个应用范例。

王泽良、黄柱崇和淮斌对水环境研究中的信息技术问题进行了初步探讨,将数值预报模型、水域环境数据和多媒体辅助信息处理集成,开发建立了秦山核电厂群水环境管理信息系统。

程红光和杨志峰通过费用效益分析和计量经济学方法,依据企业的经济活动,建立了城市主要水污染排放模型和城市水环境污染损失模型,在此基础上选用水质模型模拟城市水环境质量情况。基于上述模型建立的水环境模拟系统,能够从数据收集开始,形成现状模拟、环境评价、环境预测与决策一体化。系统与GIS紧密集成,不仅将企业的排放与企业的空间位置相结合,同时利用GIS的空间分析功能,动态表达城市水环境质量状况。通过情景分析,为环境管理者和决策者提供不同发展方案下的环境质量状况。同时,为使公众了解环境质量状况,系统提供了信息发布功能,使公众能够通过Internet获取所关心的环境信息。

黄文典、何进朝和李志勤以成都水系的水质模拟计算及其模拟结果的处理为例,提出了把地理信息系统应用于水质模拟的基本方法,着重探讨了利用GIS对模拟计算结果的可视化与管理。他们根据成都水系的具体情况,选择了合适的水质模型,根据河网的水文、水力特性,对水质指标和水力参数进行计算。然后利用MapInfo实现了成都水系地图的数字化、水质模拟结果的地理编码及可视化。