中图分类号TV212.5+3 文献标识码B 文章编号1673- 4637( 2006) 06- 0046- 03

　　1 观念更新

　　防洪规划工作中需要将思维扩展到整个相关的流域或水系统, 国际上称为综合河流流域管理( IntegratedRiver Basin Management) 。现在, 综合河流流域管理是欧盟水框架法令的一个法律要求。水框架法令约束了欧盟25 个成员国, 并适用于所有的水体, 包括地表水( 河流、湖泊和近海水域) 和地下水。该法令的目标是抑制当前洪水灾害严重、水质恶化的趋势, 到2015 年使所有的水体实现生态和化学状态良好。水流的流量及其水质的变化是水体生态状态的内容。在水框架法令的要求下, 欧盟各成员国不得不为每条流域实施管理计划。对于国际性河流, 流域管理需要国家间的合作, 并制定国际性的流域管理计划。目前, 水框架法令在实施的初级阶段, 只有随着时间的推移,其真正的意义将会出现。该法令的目标是在环境问题和经济利益之间找到平衡点。所有利益相关方( 包括非政府组织和地方社区) 的积极参与水资源管理是该法令的重要要求。

　　综合河流流域管理( IRBM) 提供了评估和避免流域范围影响的工具, 在河流流域的背景下改进水资源的规划和管理, 改善决策过程( 多重标准的决策制定) , 这都有利于在经济利益和社会、环境影响之间取得一种平衡。如果没有在社会、经济和环境之间取得平衡, 人类和自然可能会付出无法估量的代价。水管理部门作为一个具有明确要求的协调实体, 代表着不同利益相关方的利益, 流域机构必须在流域综合管理的背景下, 考虑这些利益相关方的作用, 并提供一个客观的、政治的或者调解的对话平台, 让众多的利益相关方能表达代表他们利益的心声。

　　以前, 我们将洪水当作自然灾害———洪灾来进行“治理”, 防洪规划也通常单独完成。防洪规划中常用的工程措施便是“上蓄”———建水库, “下疏”———裁弯取直、拓宽河道或改变水系, 但存在如下一些问题。

　　(1) 防洪与供水矛盾未能有效地统一解决, 宝贵的洪水资源在汛期被排出到流域以外, 解决了防洪问题, 造成在灌溉期缺少足够水资源, 带来供水问题。

　　(2) 忽视了流域水系的自然特性, 过分或过多的工程设施, 导致河道动态平衡特性被改变, 水生态系统受影响, 河网纳污容量受损, 水质变坏。

　　(3) 对工程调度和管理考虑不足, 通常缺乏详细的数学模型( 水文水动力学模型) 模拟, 不能科学地把工程实施后的优化调度发挥到最佳效益。我们已经从“防洪控制”的概念上升到了“洪水管理”, 意识到人类必须与自然和谐相处, 必须珍惜生存环境的前提下, 合理利用资源, 可持续地发展经济社会。否则, 人类必然会受到自然的惩罚。

　　从水资源管理到综合河流流域管理是观念上的一个扩展。它以可持续发展为导向, 对现有的和未来可预见的水环境状态进行管理, 通过一个系统的规划和资源配置, 来最大程度地满足整个流域范围内的相关者的利益, 完成对水和环境的高效无损利用。综合河流流域管理需要一系列的新技术进行支持。

　　2 新技术的应用

　　2.1 “3S”技术

　　“3S”技术是GIS、RS 和GPS 技术的统称, 是目前对地观测系统中空间信息获取、管理、分析和应用中的核心支撑技术。其中, 遥感技术是信息采集( 提取) 的主力; 全球定位系统是对遥感图像( 像片) 及从中提取的信息进行定位, 赋予坐标, 使其能和“电子地图” 进行套合; 地理信息系统是信息的“大管家”。“3S”技术广泛应用于各种空间资源和环境问题的决策支持中, 目前正发展为一门较为成熟的技术,在国土资源统计、水资源管理、灾害评估、自然环境监测以及城建规划等领域得到迅速应用。

　　地理信息系统( GIS) 是20 世纪60 年代开始迅速发展起来的地理学研究的新技术, 是一门多学科综合应用技术, 是采集、储存、管理、分析、描述、显示、输出和应用于空间和地球分布有关数据的空间信息系统。利用GIS 可以把社会经济、人文等信息与反映地理位置的图形信息有机地结合起来, 从而使复杂空间问题的科学求解成为可能, 为规划和决策提供服务, 同时也是建立数字管理模式的最关键部分。

　　遥感(RS) 具有视域广、信息更新快的特点, 可以实时、快速地提供大面积流域及其周边地区的信息及各种变化参数。利用遥感客观、快速、准确、及时以及周期性的特性, 可以把遥感数据作为地理信息系统动态更新的数据源, 实现更新数据的实时显示, 为决策提供依据。

　　全球卫星定位系统( GPS) 可为所获取的空间目标及属性信息提供实时、快速的空间定位。GPS 作为确定空间位置的最新手段, 具有速度快、精度高、不受气候和通讯条件的影响、全天候、布点灵活、作业方便等优点。

　　目前, “3S”技术在区域水资源与生态环境状况调查方面的应用很广泛, 主要用于流域水文模拟和水资源评价、基于GIS 的土地利用状况分析、生态环境变迁分析、生态耗水分析、水资源评价以及“3S”技术相结合用于精细农业灌溉等。“3S”技术在水环境监测和分析处理方面也有相关应用。综合利用RS、GPS 及常规监测技术, 以GIS 为信息处理平台, 可实现对水域分布变化和水体沼泽化、水体富营养化、泥沙污染等进行监测。

　　GIS 在欧洲水利行业已得到广泛应用, 很多地方通常将GIS 和一种或其他某种形式的模型相连结, 用来处理大规模管理问题, 例如洪水预报、排水设计。这些系统能非常有效地解决大量数据的存储和传输问题。以下是一些这类模型系统的例子。

　　2.1.1 FloodWorks /RFFS

　　Wallingford 软件公司开发的FloodWorks 用于构建洪水预报和水文行为( 例如波况) 。FloodWorks 兼有数据汇编, 确认和管理, 高级水文和水利模拟引擎,地理分析和在一个开放体系单一环境下的数据库。它实时地将水文和气象时间序列数据资源与详细准确的模型相连接。FloodWorks 源于CEH Wallingford 公司开发的河水流量预测系统( RFFS) 。河水流量预测系统(RFFS) 信息控制预算法则( ICA) 在FloodWorks中调用并管理数据和模拟构件。该系统包括融雪水模型、降雨模型、径流模型以及连接功能强大的GIS 和数据库工具的水力模型。特别是该系统构件能在初期从雨量和气象雷达信息( 一般通过一个界面与HYRAD–CEH Wallingford 公司的水文雷达系统相联进行空间降雨的监控、预测和显示) 计算出蓄水区平均降水量, 并且如果适用, 还会考虑到融雪水。降雨水流模型用于显示因降雨注入水库的流量。一种概率分布式湿气模型用于显示因土壤变化而具有潜在吸收能力的植被聚集形成的流量以及水流沿河道、地下水路传输而形成的流量。河道流线模型整合流到下游时支流注入干流的流量, 最后一个更为复杂的水力模型能用于显示集水的潮汐部分, 还能更具体的展示潮汐阻碍控制。

　　2.1.2 欧洲水灾预测系统( EFFS)

　　欧共体资助的欧洲水灾预测项目的是开发一套提前预测期为4 ～10 d 的欧洲水灾预测系统的基础模型。这个系统每天提供诸如莱茵河和奥得河等大河突如其来的水灾信息, 当然也包括一些小流域山洪爆发的信息。对于已有0 ～3 d 预测系统的水利局而言, 这套水灾预测系统可用作预警系统。该系统还能为目前没有预报系统( 一些东欧国家) 的水库提供水灾警报。由WLDelft 开发的模型构架DELFT - FEWS ( www.wldelft.nl) 用于整合地方预报, 详述特殊水域以至整个欧洲的模型, 与终端用户一起, 寻找传播预报和误差的方法。EFFS 项目的重要特征是对水文预测问题的解决采用了三重气象预报策略。它们是: ①短范围预测: 提供非常详细的预报; ②确定性水文预报: 3 ～6 d前提供更精确的风险评估; ③水文预报: 在极端事件可能发生5 ～10 d 前提供有用的警报。

　　目前的水利信息化建设一刻也离不开“3S”技术的支持。RS 技术已经成为水利信息采集的一个重要手段, GIS 技术已经成为水利信息存储、管理和分析的强有力工具和平台, 而GPS 技术也成为获取定位信息的必不可少的手段。

　　相信随着水利信息化的飞速发展, 3S 技术在水资源规划和管理方面的应用将更加广泛深入。

　　2.2 计算机仿真模拟技术———水动力学模型

　　计算机仿真模拟技术是一种高科技手段, 它以计算机为工具, 将人们根据自己的理解而建立的数学模型, 借助于计算机求解的过程, 预测未来运行结果。也可以通过调整模型参数, 比较结果而达到优化设计的目的。

　　水问题的复杂性迫使人们越来越依赖于使用成熟的计算机模型来解决与水有关的问题。运用计算机仿真模拟技术可以节省大量人力物力, 而且有时由于影响水问题的因素繁多, 很难甚至无法用试验方法来模拟。例如, 与给水有关的水源及与排水有关的受纳水体的水质模型、城市给水排水系统的规划模型等, 由于它们的开放性、庞大性、复杂性和随机性, 用缩小比例尺的实物模型的模拟试验方法显然是不现实的,并且也难以达到相当的真实性。

　　下面以洪水仿真模拟为例简单地对仿真模拟技术进行介绍:

　　简单地说, 洪水仿真模拟就是通过数值模拟技术对洪水演进状况进行模拟计算, 这对防洪减灾具有十分重要的作用。洪水仿真模拟的开发历史悠久, 应用广泛。河道洪水仿真模型、河网洪水仿真模型、区域洪水仿真模型、城市洪水仿真模型等都是洪水仿真的具体应用对象。

　　世界上一些国家对洪水仿真模拟研究起步较早,建立了相对规范的洪水仿真模型, 并实现了产品化研究成果。丹麦水力学研究所自20 世纪70 年代开始就致力于水流、泥沙、水资源、水环境等相关数值模拟计算技术开发, 目前已形成了一套完整的模拟系统。该系统集数据前后处理、GIS 系统应用、模型模拟计算、动画演示等多种功能于一体, 是国际上公认的先进水力模拟系统之一。

　　荷兰Delft 水力学研究所建立于1927 年, 是著名的水利科学研究机构。研究成果主要体现在水力学实验技术、监测技术、洪水仿真技术、洪水预报技术、波浪仿真技术、泥沙仿真技术和水资源综合管理、洪水风险管理、洪泛区管理政策等各个方面; 在软件系统方面的水动力学模型、流域仿真模型、地表水和地下水的水资源管理模型、压管道水流控制模型等, 也有多种领先的研究成果。

　　英国的Wallingford 公司率先结合了现代最先进的数学模拟技术, 开发出了成熟的分布式防洪及水资源管理模型平台和专业模型系统InforWorks 系列。InforWorks 系列软件积累了先前的研究成果, 并集合了水力学实验技术、监测技术、洪水预测预报技术、波浪仿真技术、泥沙仿真技术和水资源综合管理、洪水风险管理、洪泛区管理政策等各个方面, 与防洪有关的研究成果主要包括: 分布式防洪及水资源管理模型平台、流域降雨径流及河网水动力仿真模型、一维管网系统水动力学模型、洪水预警预报系统、泥沙传输模型等。

　　作者简介: 刘洪伟( 1975 —) , 男, 工程师。

　　来源：《北京水务》2006.6