水信息學(xué)介紹

1、 水信息學(xué)介紹馬輝 (黃委規(guī)劃計劃局)1 水信息學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展水信息學(xué)是一門新興學(xué)科，1991年M.B.Abbott教授出版的水信息學(xué)：信息技術(shù)與水環(huán)境一書標(biāo)志著水信息學(xué)的正式誕生。M.B.Abbott教授等將水信息學(xué)定義為：是研究與水系統(tǒng)有關(guān)的信息流和知識處理過程，以了解水運動與物質(zhì)運移規(guī)律的一門學(xué)科。實際上水信息學(xué)起源于較完善的計算水力學(xué)技術(shù)。計算水力學(xué)是運用模擬技術(shù)研究水系統(tǒng)水力學(xué)規(guī)律，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算水力學(xué)對經(jīng)典水力學(xué)已引發(fā)了具有重要意義的革命。近幾十年來，信息技術(shù)又從根本上改變了水科學(xué)和水利工程中的規(guī)劃、模擬和決策的方法論，在水資源可持續(xù)發(fā)展和水環(huán)境管理方面起著重要作用。水

2、信息學(xué)涉及數(shù)據(jù)獲取和管理、模型試驗、地理信息系統(tǒng)與決策支持、國際互聯(lián)網(wǎng)、面向?qū)ο笈c集成技術(shù)、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和不確定性分析等。水信息學(xué)已經(jīng)成為國際水利研究協(xié)會（IAHR）具有活力的一個分支學(xué)科，尤其是在美國、荷蘭、丹麥、英國和印度等國家發(fā)展十分迅速。2 水信息學(xué)的學(xué)科特點和研究內(nèi)容2.1水信息學(xué)的學(xué)科特點水信息學(xué)是以信息技術(shù)為支撐，綜合社會、環(huán)境和經(jīng)濟等各方面的因素，對水系統(tǒng)中的人類活動所帶來的影響進行分析評價的一門綜合性應(yīng)用學(xué)科。水信息學(xué)的迅速發(fā)展，離不開從水科學(xué)（水文學(xué)、計算水力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)、生態(tài)水文學(xué)、湖泊學(xué)與海洋學(xué)等）、信息科學(xué)與技術(shù)（數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘、可視化與系統(tǒng)仿真、“3S

3、”技術(shù)、決策支持與專家系統(tǒng)等）、系統(tǒng)科學(xué)（系統(tǒng)分析理論、信息論和控制論、非線性理論等）和社會科學(xué)（水資源政策、法律規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、社會倫理學(xué)等）中汲取養(yǎng)分并采納各學(xué)科的最新研究成果，所以說多學(xué)科交叉和綜合性是水信息學(xué)的特點之一。圖1給出了水信息學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系。從水信息學(xué)的研究目標(biāo)看，水信息學(xué)通過利用模型模擬和現(xiàn)代信息技術(shù)來解決水文、水力學(xué)以及水環(huán)境中的問題，從而為水資源綜合管理提供決策支持。因此，水信息學(xué)另一個重要特點是側(cè)重應(yīng)用研究，是一門應(yīng)用性學(xué)科。水信息學(xué)應(yīng)用范圍十分廣泛，主要的研究對象包括流域水系統(tǒng)、城市水系統(tǒng)和近海海洋水系統(tǒng)等方面。信息科學(xué)與技術(shù)數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘可視化與系統(tǒng)仿真 “

4、3S”技術(shù)決策支持與專家系統(tǒng)面向?qū)ο蠹夹g(shù).社會科學(xué) 水資源政策、法律規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn).水科學(xué)水文學(xué)計算水利學(xué)環(huán)境水利學(xué)生態(tài)水文學(xué)水資源工程等.系統(tǒng)科學(xué) 系統(tǒng)分析理論信息論和控制論.水信息學(xué)圖1 水信息學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系2.2水信息學(xué)在流域管理中的應(yīng)用研究方法現(xiàn)代流域管理涉及流域資源、環(huán)境和社會經(jīng)濟等各個方面，是復(fù)雜的多學(xué)科性課題，需要有先進技術(shù)和手段的支持。近幾十年來，先進的信息和通訊技術(shù)，包括計算機技術(shù)、GPS系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)軟件的發(fā)展，允許在流域范圍內(nèi)進行大規(guī)模數(shù)據(jù)的采集、存儲和自動化分析處理；模擬模型技術(shù)飛躍發(fā)展，模型系統(tǒng)可用來分析評價水利工程的效果。流域管理要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，需要協(xié)調(diào)

5、資源開發(fā)、經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護之間的關(guān)系，提出流域最優(yōu)的、經(jīng)濟有效的決策管理方案。在此背景下，提出了水信息學(xué)系統(tǒng)的研究方法，集成了數(shù)據(jù)獲取分析處理技術(shù)、遠程通訊、計算機模擬技術(shù)、人工智能和決策支持系統(tǒng)等技術(shù)手段（圖2）。用戶界面決策層引擎: 面向流域管理的決策支持系統(tǒng) (DSS)事實分析引擎:基于物理的模型數(shù)據(jù)驅(qū)動模型數(shù)據(jù)采集獲取:現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)、信息、知識通訊知識推理引擎:基于知識的系統(tǒng)圖.2 典型的水信息系統(tǒng) ( IHE,2000 )基本原理，水利學(xué)，水文學(xué)和環(huán)境過程信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)，通信，互聯(lián)網(wǎng)基于物理過程的仿真模型和工具Acview Matlab Java Access Delphi

6、 other toolsSobek Mike11 RibasinMikeshe Delft3D Mike21West+ Epanet Modflow數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和計算智能工具NNNWekaCups系統(tǒng)分析、決策支持和優(yōu)化LingoGlobe.應(yīng)用范圍：流域管理洪水預(yù)報和控制城市水系統(tǒng)港航系統(tǒng)地下水和區(qū)域水文水質(zhì)整合多學(xué)科，工程管理 圖3 水信息學(xué)結(jié)構(gòu)2.3水信息學(xué)在流域管理中的研究進展 （1） 水信息學(xué)與洪水管理水信息學(xué)應(yīng)用于研究洪水自然過程以及洪水社會經(jīng)濟影響，管理特定決策過程的信息流，一般涉及到模擬模型技術(shù)的運用，簡化和適應(yīng)水系統(tǒng)的復(fù)雜性。水信息學(xué)為洪水管理提供社會-技術(shù)方面的理論和手段支

7、撐，如：物理系統(tǒng)模擬、水動力學(xué)模型、泥沙運移模型、水文模型、洪水控制和潰壩模型及實時洪水監(jiān)控模型等?；凇?S”技術(shù)的決策支持系統(tǒng)在洪水管理方面的應(yīng)用十分普遍，通過水信息學(xué)方法，可選擇合適的管理方案，并快速評價其影響。例如，EU支持的洪水預(yù)警和風(fēng)險評估項目TELEFLEUR (TELEmatics-assisted handling of FLood Emergencies in URban areas)和EUROTAS（European River Flood Occurrence and Total Risk Assessment System）等是水信息學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的成功范例。在TELEF

8、LEUR 系統(tǒng)中，將通訊線路接收的雨量站數(shù)據(jù)和氣象模型模擬得到的數(shù)據(jù)，一同輸入水文模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測模型來預(yù)測水位，并結(jié)合基于知識的系統(tǒng)分析結(jié)果，最終做出城鎮(zhèn)區(qū)域洪水調(diào)度和減災(zāi)決策。EUROTAS項目開發(fā)了集成化的流域模擬原型和框架，目的是評價流域洪水特性及其變化規(guī)律，分析水利工程和土地開發(fā)利用等人類活動對環(huán)境和洪水的影響，進行洪水風(fēng)險評價，提出減災(zāi)措施。（2） 水信息學(xué)與流域水資源調(diào)度管理水信息學(xué)已廣泛應(yīng)用于流域水資源的規(guī)劃和政策指定、水庫運行管理以及水資源配置與調(diào)度等方面。例如，美國地調(diào)局（USGS）和農(nóng)墾局（USBR）聯(lián)合開展的流域和河流系統(tǒng)管理計劃（WRSMP）中，采用了以數(shù)據(jù)庫為中心

9、的決策支持系統(tǒng)。流域水文模型和生態(tài)系統(tǒng)模擬模型系統(tǒng)運用了USGS的模塊化建模系統(tǒng)（MMS），并通過水文綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（HDB）進行耦合，模型的輸出結(jié)果進入HDB，可以作為另外模型的輸入。HDB也連接水文源數(shù)據(jù)和GIS查詢、顯示和統(tǒng)計分析系統(tǒng)。通過通用數(shù)據(jù)庫、模型和GIS系統(tǒng)的集成形成的RIVERWARE系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)流域水資源的長期規(guī)劃和政策指定、水庫的中期和短期運行管理。開發(fā)的決策支持系統(tǒng)已經(jīng)在華盛頓州的Yakima河等流域水資源管理和農(nóng)業(yè)開發(fā)規(guī)劃中取得理想效果。歐洲一些國家的機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)了具有水文過程模擬、水污染控制和水資源規(guī)劃等功能的流域規(guī)劃決策支持系統(tǒng)“WATERWARE”，該系統(tǒng)綜合

10、利用了GIS、數(shù)據(jù)庫、模擬模型、最優(yōu)化技術(shù)和專家系統(tǒng)等功能。英國倫敦城市供水實時監(jiān)控和調(diào)度系統(tǒng)，利用GIS技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，對供水用戶、水源地、水廠的水量和水質(zhì)、供水管網(wǎng)系統(tǒng)等進行全數(shù)字化的管理。澳大利亞的許多州都建設(shè)了基于GIS的流域或地區(qū)的水資源優(yōu)化配置和決策調(diào)度指揮系統(tǒng)。加拿大、法國、德國、以色列和俄羅斯等國家在跨流域調(diào)水管理系統(tǒng)和灌區(qū)優(yōu)化配水管理系統(tǒng)等方面均有一系列典型應(yīng)用案例。（3） 水信息學(xué)與水工程生態(tài)保護水工程建設(shè)對水生態(tài)環(huán)境的影響受到全社會的普遍關(guān)注，并已成為可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，流域開發(fā)和管理中的生態(tài)保護問題，成為水科學(xué)的研究熱點9。水域生態(tài)系統(tǒng)是由水文系統(tǒng)、生物系

11、統(tǒng)和人造工程設(shè)施系統(tǒng)等組成的復(fù)雜大系統(tǒng)；系統(tǒng)之間相互交織在一起，需要進行綜合性的研究，水信息學(xué)為這種復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供了有力的技術(shù)支撐。自動監(jiān)測技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)等高新技術(shù)廣泛應(yīng)用于水生態(tài)與環(huán)境的監(jiān)測，以及多源數(shù)據(jù)處理與管理；水環(huán)境、生態(tài)模擬模型技術(shù)也應(yīng)用于水生態(tài)水環(huán)境的決策與管理，以WebGIS為基礎(chǔ)的信息管理系統(tǒng)，成為發(fā)達國家水生態(tài)、水環(huán)境管理，以及公眾參與的基本手段11, 12。尤其是數(shù)值模擬技術(shù)不僅僅能分析單一因素，已能夠同時考慮水量、水質(zhì)、泥沙和水生物等多因素，全面分析水體及其攜帶污染物、泥沙的運動遷移規(guī)律，以及與水生物的生長與消亡等耦合關(guān)系，為水利工程規(guī)劃或

12、流域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)工程設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。例如，世界銀行組織的研究項目“湄公河區(qū)域水資源援助戰(zhàn)略”,開展了下湄公河流域開發(fā)情景模擬研究18。開發(fā)了下湄公河流域水文水力學(xué)模擬模型（SWAT、IQQM、ISIS），模型輸出局限在水文方面上，即用于灌溉和發(fā)電的水量、河流關(guān)鍵位置處的流量和水位、庫容、淹沒面積、淹沒深度和歷時、鹽化程度等。這些參數(shù)反過來能提供水電和灌溉開發(fā)等對下湄公河漁業(yè)、洪水管理、咸水入侵、航運及環(huán)境等的潛在影響分析評價所需要的基本數(shù)據(jù)。3 展望（1）多源數(shù)據(jù)采集與信息處理技術(shù)近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，新型遙感數(shù)據(jù)源不斷涌現(xiàn)。需要充分利用最新的遙感技術(shù)，研究各種新型遙感數(shù)據(jù)源在流域管理

13、中的應(yīng)用。例如，SAR數(shù)據(jù)是水旱災(zāi)害監(jiān)測的主要遙感信息源。近年來投入應(yīng)用的SAR遙感數(shù)據(jù)有加拿大的RadarSat、歐空局的ENVISAT、日本的ALOS、ADEOS-2等。對于不同類型SAR數(shù)據(jù)的處理方式和信息提取很難尋找普遍適用的模型，需要對各種類型的數(shù)據(jù)進行研究。由于歐空局ENVISAT具有多極化和多入射角成像能力，將是今后重點研究方向。目前中國正在與歐空局開展ENVISAT在洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測中的應(yīng)用研究。除了SAR以外，EOS的MODIS遙感數(shù)據(jù)源也是洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)源。MODIS數(shù)據(jù)具有高時間分辨率、監(jiān)測范圍大等特點，可以彌補SAR數(shù)據(jù)在時間分辨率上的不足。另外，應(yīng)用比較廣

14、泛的NOAAAVHRR和FY-1作為高時間分辨率的遙感數(shù)據(jù)源，如何同地面雨量站實測數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到實時的流域面雨量分布，可以彌補因地面觀測站點不足，流域面雨量確定精度低的問題，為流域水資源管理和洪水預(yù)報管理提供關(guān)鍵的基礎(chǔ)信息，也是重要的開發(fā)研究方向。（2）流域尺度的多學(xué)科模擬模型集成開發(fā)水文模擬建模技術(shù)已較為成熟，基于計算機的模擬模型可以描述水循環(huán)的各個階段和過程：從降水、匯流及運動過程、土壤侵蝕過程，到各類化學(xué)物質(zhì)在水環(huán)境中運移過程。模型也從田間尺度向田間-流域多尺度發(fā)展，并同地理信息系統(tǒng)相互集成13, 14。相對于水文模型，生態(tài)模型構(gòu)建難度更大、更為復(fù)雜，已經(jīng)開發(fā)了面向流域管理的基于種群的

15、模型以及生態(tài)景觀模型6。今后的發(fā)展方向是流域尺度水文模型、生態(tài)模型以及社會經(jīng)濟模型集成開發(fā)，為流域多目標(biāo)決策與可持續(xù)管理提供技術(shù)手段。（3）水文數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘是從大量原始的數(shù)據(jù)中挖掘出可信的、新穎的、有用的、尚未發(fā)現(xiàn)的信息和知識的模式處理過程。從動態(tài)、空間、多尺度的海量數(shù)據(jù)中挖掘出我們關(guān)心的規(guī)律和知識，無疑是一項非常困難又具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。當(dāng)前，水文數(shù)據(jù)挖掘研究還處于起步階段，研究內(nèi)容多集中在水文數(shù)據(jù)的單項和局部數(shù)據(jù)的模擬與處理方面，基于水文數(shù)據(jù)庫的全局性多因素數(shù)據(jù)挖掘涉及很少，在數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與水文數(shù)據(jù)適應(yīng)性方面的研究也還很不夠17。為了充分發(fā)揮數(shù)據(jù)挖掘發(fā)現(xiàn)知識的作用，需要在水文主

16、題數(shù)據(jù)庫和多維數(shù)據(jù)立方、水文序列的分類、聚類和關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)及優(yōu)化算法以及水文序列的相似性、周期性和其它序列模式挖掘方面開展進一步研究，并向形成水文數(shù)據(jù)挖掘軟件及數(shù)據(jù)平臺方向發(fā)展。（4）基于Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的信息共享和分布式?jīng)Q策平臺流域水旱災(zāi)害的防災(zāi)與減災(zāi)決策、水資源調(diào)度和水土保持與生態(tài)環(huán)境保護等涉及跨區(qū)域、跨部門以及多方利益相關(guān)者。因此，水信息學(xué)發(fā)展方向之一是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式?jīng)Q策平臺開發(fā)，以實現(xiàn)異地、多用戶的綜合決策以及信息發(fā)布與共享。4 水信息學(xué)與“數(shù)字黃河”工程“數(shù)字黃河”，就是借助全數(shù)字攝影測量、遙測、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等現(xiàn)代化手段及

17、傳統(tǒng)手段采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過微波、超短波、光纜、衛(wèi)星等快捷傳輸方式，對黃河流域及其相關(guān)地區(qū)的自然、經(jīng)濟、社會等要素構(gòu)建一體化的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境，在這一平臺和環(huán)境中，以功能強大的系統(tǒng)軟件與數(shù)學(xué)模型對黃河治理開發(fā)和管理的各種方案進行模擬、分析和研究，并在可視化的條件下提供決策支持，增強決策的科學(xué)性和預(yù)見性。簡單地說，即通過全數(shù)字化數(shù)據(jù)庫平臺的構(gòu)建，建立黃河流域及其相關(guān)地區(qū)的數(shù)字化（虛擬）研究環(huán)境，采用數(shù)學(xué)模型對黃河治理開發(fā)和管理的各種方案進行模擬、分析和研究。水信息學(xué)科將為“數(shù)字黃河”工程建設(shè)提供豐富的理論依據(jù)和方法支持，特別是關(guān)于模型的研究方法，將為“數(shù)字黃河”工程的數(shù)學(xué)模型的開發(fā)與完善，提

18、供有力的支撐。通過水信息學(xué)提供的一些基本方法，我們可以在流域洪水管理、水資源調(diào)度和水工程生態(tài)保護等領(lǐng)域開展應(yīng)用。（1）汛減災(zāi)方面, 通過分析氣象衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，提高降雨預(yù)報精度并延長降雨的預(yù)見期；結(jié)合流域地理信息系統(tǒng)（具有豐富下墊面數(shù)據(jù)）和流域水文要素，實現(xiàn)實時洪水預(yù)報和洪水演進分析；運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)（數(shù)據(jù)驅(qū)動模型等），優(yōu)化區(qū)域降雨徑流模型。  (2) 水資源分配方面,  建立并完善“河流水情預(yù)報系統(tǒng)”，以提供中長期的水情概率預(yù)報（特別是應(yīng)用于枯水期的水管理），提高水資源管理的科學(xué)性和高效性，同時兼顧沿黃區(qū)域水量需求，優(yōu)化水資源分配方案。 (3) 水質(zhì)監(jiān)控方面, 不僅能夠完成對各斷面水質(zhì)狀況進行實時監(jiān)測，同時對污染物的擴散及輸移進行模擬分析，進而對河流水質(zhì)狀況及其變化做預(yù)測，為用水戶特別是為城市居民用水的引水