贊比西河流域的開源數(shù)據(jù)庫研發(fā)

［瑞士］J.P.馬托斯等

試驗與研究

贊比西河流域的開源數(shù)據(jù)庫研發(fā)

［瑞士］J.P.馬托斯等

贊比西河流域是非洲最大流域之一，未開發(fā)的水電蘊藏量巨大。為抓住機遇應(yīng)對挑戰(zhàn)，當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)方必須在政治、制度和技術(shù)上攜手共進(jìn)。雖已取得顯著成效，但還需適當(dāng)關(guān)注數(shù)據(jù)的所有權(quán)、維護(hù)和分析等。介紹了基于開源技術(shù)的非洲大壩工程(ADAPT)的水資源數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫考慮了3個關(guān)鍵問題，即利益相關(guān)方的全權(quán)委托、有價值的分析工具與數(shù)據(jù)的聯(lián)合使用，以及簡單而適應(yīng)性強的架構(gòu)。

流域;水資源;數(shù)據(jù)庫研發(fā);贊比西河;非洲

1 發(fā)展現(xiàn)狀

贊比西河流域是非洲最有價值的資源之一。盡管未開發(fā)水電蘊藏量巨大，但已屬于陸地上建壩率最高的河系之一，主要水電站有卡里巴(Kariba)電站(1 830 MW)、卡霍拉·巴薩(Cahora Bassa)電站(2 075 MW)、卡富埃(Kafue)水電站群(900 MW，卡富埃峽壩)。目前，還有很多處于不同建設(shè)階段的新工程，如卡霍拉·巴薩下游的姆潘達(dá)·恩庫瓦(Mphanda Nkuwa)徑流式電站(1 500 MW)，維多利亞瀑布下游的巴托卡峽(Batoka Gorge)壩電站(1 600 MW)、再下一級的卡富埃峽壩電站(750 MW)、卡霍拉·巴薩北岸擴建工程(North Bank Extension)(1 250 MW)。贊比西河流域河網(wǎng)除了提供水電資源外，其漁業(yè)、農(nóng)業(yè)和旅游業(yè)也為該地區(qū)提供了大量的食物與財富。當(dāng)?shù)厣鐣慕?jīng)濟(jì)文化與流域內(nèi)主要河流與濕地密不可分。

然而，贊比西河流域也面臨很多方面的挑戰(zhàn)，包括氣候變化(根據(jù)預(yù)測贊比西河流域氣候會發(fā)生極端變化)、不斷增長的水資源需求(加大了生態(tài)價值領(lǐng)域的壓力)、生態(tài)流的明確與維護(hù)(經(jīng)濟(jì)與環(huán)境之間矛盾調(diào)和的基礎(chǔ))。只有正確評估流域現(xiàn)狀與未來發(fā)展?fàn)顩r，才可能在水電、取水、天然生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間實現(xiàn)完美平衡。

在操作層面上，水庫聯(lián)合管理、環(huán)境流規(guī)劃、洪水預(yù)報、流量控制都依賴于強大的水文模型、水文數(shù)據(jù)和水文專家。而且與規(guī)劃階段相比，這些具體業(yè)務(wù)活動的開展需要更可靠的、完善的技術(shù)和制度框架。

1.1 非洲大壩工程

贊比西河流域非洲大壩工程(ADAPT)是一個富有成效的、多學(xué)科交叉的工程。2007～2013年，非洲與歐洲伙伴在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、水文、生物地球化學(xué)等多領(lǐng)域展開了合作，該工程從中而獲益。

工作從兩個層面展開:

(1)明確研究內(nèi)容，旨在通過數(shù)據(jù)收集、原理、數(shù)字模型形成知識體系。

(2)構(gòu)建一個科學(xué)-決策平臺，包括能力建設(shè)(學(xué)生交流、培訓(xùn)活動)、研究結(jié)果的交叉學(xué)科集成以及與流域內(nèi)利益相關(guān)方和政策決策者交流溝通。

ADAPT后期主要工作是為贊比西河水資源管理社區(qū)服務(wù)。其中之一是建立一個開源在線平臺，以跨越區(qū)域內(nèi)研究者和從業(yè)者常碰到的兩個障礙，即難以獲取水資源數(shù)據(jù)和缺乏分析數(shù)據(jù)的定制化工具。為了收集并處理流域的數(shù)據(jù)、應(yīng)用分析工具和處理信息，平臺提供了大量可下載的內(nèi)容，包括水文時間序列、從報告到電子表格的多種形式的文檔、一個水土評估工具(SWAT)的界面，以及展示第三方成果的專欄。該平臺還具有流量監(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)的潛能。

1.2 動機

本文目的是描述ADAPT水資源數(shù)據(jù)庫是如何有助于實現(xiàn)當(dāng)?shù)馗`活、更有效的水資源管理，并最終形成信息更全面、可持續(xù)的區(qū)域水資源管理政策。

該開源工具最初是面向當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)方(解決數(shù)據(jù)所有權(quán)、維護(hù)以及分析等相關(guān)問題)進(jìn)行設(shè)計的，可用于贊比西河之外的流域，特別是那些缺乏水文數(shù)據(jù)的流域，以及存在難以協(xié)調(diào)的多個利益相關(guān)方的流域(這些情形可能遏制了水資源的有效管理)。

2 水資源數(shù)據(jù)與信息收集

2.1 水資源數(shù)據(jù)庫需求與過去的進(jìn)展

贊比西河水資源的優(yōu)化配置和管理，對決策者、規(guī)劃者、管理者、模擬人員以及研究人員提出了眾多挑戰(zhàn)，如流域面積大、流域特征不均衡、當(dāng)?shù)厮λ默F(xiàn)象復(fù)雜，以及數(shù)據(jù)的難以獲取。實際上，有很多機構(gòu)在進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和收集工作，但數(shù)據(jù)收集常常是科學(xué)家和工程師面對的主要困難，而且多數(shù)情況下難以獲得滿意的結(jié)果。

首先，全面了解所有現(xiàn)有數(shù)據(jù)及其所屬相關(guān)管理機構(gòu)就是一個挑戰(zhàn)。如果掌握這些信息就可更全面進(jìn)行全流域的策略制定、管理和操作。接下來便要確定一個從相關(guān)機構(gòu)獲取數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、流水化步驟。最后，對能容易保存和歸檔的集中式水資源數(shù)據(jù)庫進(jìn)行優(yōu)化。

通過分享數(shù)據(jù)、提高技術(shù)，以及制度和政治上的互融可產(chǎn)生巨大效益，而作為跨國水機構(gòu)的贊比西河流域水資源委員會(ZAMCOM)正在為此而努力。盡管開展了大量工作，作為旗艦工程的集中式贊比西河水信息系統(tǒng)(ZAMWIS)尚未給廣大利益相關(guān)方帶來效益。

過去，由于技術(shù)、財政和政治問題，ZAMWIS的目標(biāo)并沒有實現(xiàn)。實際上，可獲得的數(shù)據(jù)對于克服集中式水資源數(shù)據(jù)庫在不斷更新與維護(hù)中所面臨的困難，其作用微乎其微。有價值的數(shù)據(jù)庫必須能提供所需的工具與技能，以分析數(shù)據(jù)并使其得到充分利用。最近ZAMCOM在這兩方面均取得較大進(jìn)展，正努力將ZAMWIS打造成為一個全新的和可操作的水信息系統(tǒng)。由于贊比西河流域的數(shù)據(jù)由很多國家和機構(gòu)提供，要確保數(shù)據(jù)庫處于不斷更新之中將是一大難題。對數(shù)據(jù)進(jìn)行再分配的授權(quán)也將是一個復(fù)雜過程。

2.2 ADAPT水資源數(shù)據(jù)庫

如水資源管理遇到的多數(shù)情況一樣，ADAPT也面臨缺乏集中式、定期更新的數(shù)據(jù)庫的挑戰(zhàn)。盡管得益于工程的規(guī)模巨大，并與當(dāng)?shù)貦C構(gòu)有緊密的合作，其數(shù)據(jù)收集過程還是緩慢而復(fù)雜。

ADAPT數(shù)據(jù)庫最初作用僅是在工程內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的組織和分配，后來逐漸拓展為工程成果和文件分享的平臺。

目前，ADAPT水資源數(shù)據(jù)庫已有更廣泛的用途，它是一個靈活的、開放式工具，可進(jìn)行時間系列數(shù)據(jù)文檔的儲存、組織和分發(fā)，而且還為數(shù)據(jù)分析工具提供平臺。

在ADAPT水資源數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程中，ZAMWIS所開展的工作以及各利益相關(guān)方可單獨實施的解決方案很關(guān)鍵。因此，形成了一個結(jié)合了分布式結(jié)構(gòu)的輕量級的實施和開源方案，其中的每個數(shù)據(jù)提供者對自有數(shù)據(jù)有完全控制權(quán)。該方案目標(biāo)是:用戶友好、廉價(基于開源軟件而言)、易維護(hù)、適應(yīng)性強、安全(避免數(shù)據(jù)丟失和無意義使用)、輕量級(需要有限的硬件資源)。

目前正與當(dāng)?shù)貦C構(gòu)合作進(jìn)行數(shù)據(jù)庫開發(fā)，以擴展其存儲數(shù)據(jù)的傳輸及相關(guān)數(shù)據(jù)分析工具的功能。

數(shù)據(jù)提供者與其他利益相關(guān)方之所以反對這樣的集中式數(shù)據(jù)庫，除了技術(shù)原因，主要是處于制度和政治考慮。如其他主要國際河流情況一樣，利益相關(guān)方的目的多種多樣，某些共同利益并非一致，甚至有時會相互沖突(如水力發(fā)電量與上游農(nóng)業(yè)灌溉)。因此，利益相關(guān)方在索取數(shù)據(jù)時需持謹(jǐn)慎態(tài)度。某些情況下，來自數(shù)據(jù)銷售的收入對于數(shù)據(jù)提供者很重要。此時，對數(shù)據(jù)獲取進(jìn)行控制至關(guān)重要。實際上每個數(shù)據(jù)所有者對自己的數(shù)據(jù)是完全控制的，可直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行授權(quán)。

數(shù)據(jù)所有權(quán)是一大難題，ADPAT水資源數(shù)據(jù)庫采取的是分布式的所有權(quán)策略。這樣，所有數(shù)據(jù)庫內(nèi)容都是加密的，并與某個特定數(shù)據(jù)所有者相關(guān)。要獲得特定內(nèi)容的唯一途徑是得到數(shù)據(jù)所有者的明確授權(quán)。獲取數(shù)據(jù)的請求過程可按下列步驟進(jìn)行:

(1)用戶注冊并簽訂一個通用的使用條約協(xié)議。

(2)用戶可瀏覽可使用數(shù)據(jù)(以及其數(shù)據(jù)所有者)的列表。

(3)選擇特定的數(shù)據(jù)，用戶直接向相關(guān)數(shù)據(jù)所有者提出獲取數(shù)據(jù)的請求(請求的格式與每種數(shù)據(jù)所有者的要求相關(guān)，并包含特定的條件及使用協(xié)議)。

(4)由數(shù)據(jù)所有者指定的人員接收一封包含所有相關(guān)信息的電郵，并用簡單的菜單來選擇確定是否(或多長時間)用戶可使用其所請求的數(shù)據(jù)。

(5)用戶收到郵件反饋，如果同意請求，就能下載并解密數(shù)據(jù)。

該數(shù)據(jù)庫設(shè)計的初衷是為了順利實施專門為贊比西河流域定制的方案。從技術(shù)層面，該平臺必須適應(yīng)性強，節(jié)省資源的使用并運行良好。從政治/制度角度，必須努力克服障礙，而且不需要數(shù)據(jù)所有者作任何讓步。

就數(shù)據(jù)管理功能而言，采用這樣的數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢十分明顯，具體體現(xiàn)在:

(1)更容易評估現(xiàn)有的知識庫;

(2)直接評估數(shù)據(jù)空缺的真實狀況;

(3)利益相關(guān)方之間輕松的數(shù)據(jù)共享;

(4)更有效的數(shù)據(jù)處理(更容易和更快地獲取數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，其結(jié)果是更少地使用資源);

(5)吸引了研究團(tuán)隊的興趣(流域水資源數(shù)據(jù)獲取的困難阻礙了重大科學(xué)成果的取得)。

一個靜態(tài)的水文數(shù)據(jù)庫(并不是始終更新的)能提高水文模型質(zhì)量，并有助于模型效驗，從而為水資源規(guī)劃提供依據(jù)。因此，其對于策者是很重要的。如果可得到關(guān)鍵數(shù)據(jù)提供者授權(quán)且數(shù)據(jù)可得到常規(guī)更新，數(shù)據(jù)庫將提供更多附加價值，尤其是有關(guān)操作任務(wù)，諸如評估氣候變化影響、研究和規(guī)劃新的水電工程、量化環(huán)境流需求量、評估新的取水相關(guān)影響等工作的展開都能從這樣一種數(shù)據(jù)庫中獲益。

而且，一個頂尖的、全流域內(nèi)可操作的流量預(yù)報模型(耦合了數(shù)目不斷增加的主要蓄水工程)只能建立在一個牢固的、基于數(shù)據(jù)共享的結(jié)構(gòu)上。該模型將有助于高效發(fā)電和更好地管理洪水。

3 水資源管理定制化模擬工具

數(shù)據(jù)收集和傳播通常被認(rèn)為對水資源管理活動有利。世界氣象組織指出:“因為數(shù)據(jù)的收集必需耗費大量的時間和資金，其價值顯而易見，因此從本質(zhì)上講數(shù)據(jù)管理很重要，而且必須是有效的管理，以取得最大化的投資回報…由于缺乏全面考慮和管理不善，一個劣質(zhì)的數(shù)據(jù)檔案會導(dǎo)致經(jīng)年的、多余的數(shù)據(jù)收集或模型模擬工作，從而導(dǎo)致決策失誤…而且，劣質(zhì)的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫會導(dǎo)致欠佳的決策和不完善的工程設(shè)計結(jié)構(gòu)。”

水資源數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和持續(xù)更新依賴于數(shù)據(jù)提供者的資源。無論數(shù)據(jù)的間接價值如何，對某些數(shù)據(jù)提供者而言，沒必要每天關(guān)注其數(shù)據(jù)的索取或傳播狀況。這些情況下，如果這些數(shù)據(jù)除了間接價值外還有直接效益，數(shù)據(jù)相關(guān)提供者則更樂于對數(shù)據(jù)庫提供支持。

ADAPT推進(jìn)了強有力分析工具的研發(fā)。這些分析工具是ADAPT針對贊比西河流域特殊條件而研發(fā)的，包括構(gòu)建與校驗基于SWAT軟件的整個流域詳盡的日水文模型。SWAT之類的模型軟件為廣泛的水資源研究打下了堅實的基礎(chǔ)。進(jìn)行模型的率定和驗證時，針對因流域面積較大且某些區(qū)域缺乏數(shù)據(jù)而出現(xiàn)的困難，只能借助于ADAPT數(shù)據(jù)庫強大功能。

為利益相關(guān)方能便捷使用SWAT模型，提供了一個在線的定制化界面。用戶可改變其參數(shù)，進(jìn)行長時段模擬，比較結(jié)果，對流域內(nèi)氣候變化管理的影響進(jìn)行簡要評估。

SWAT模型可用于規(guī)劃，但前提必須進(jìn)行數(shù)據(jù)同化。這一步驟對于整個流域充分利用新的觀測數(shù)據(jù)很重要，可改善模型結(jié)果。但這是個耗時并且有技術(shù)難度的過程。

為解決當(dāng)?shù)卮髩喂芾碚叩膯栴}，并讓用戶直接受益，ADAPT還引入了一種新的概率流量預(yù)報技術(shù)。該技術(shù)適應(yīng)性非常強，但不是用來替代而只是對現(xiàn)有的預(yù)報方法進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)語

贊比西河流域8個沿岸國家的水資源管理專家及其之間的協(xié)作在未來將會面臨考驗。水資源公平分配決策將必需依靠水文模型和其他分析工具。如同其他大多數(shù)流域，水資源數(shù)據(jù)在模型率定和效驗時將發(fā)揮重要作用。

將可操作的、集中式的流域水資源數(shù)據(jù)庫具體化多年來都難以實現(xiàn)。ZAMWIS，這一具有10 a歷史的從上到下的宏觀方法，旨在創(chuàng)建全流域水資源數(shù)據(jù)庫，目前處于更新和發(fā)展的階段，前景廣闊。

本文研究對象，即ADAPT在線水資源數(shù)據(jù)庫對ZAMWIS進(jìn)行了全方位補充?；陂_源技術(shù)和節(jié)約利用資源，數(shù)據(jù)庫考慮3個關(guān)鍵問題，即利益相關(guān)方(始終掌握著所有數(shù)據(jù))的全權(quán)委托，有價值的分析工具與數(shù)據(jù)的聯(lián)合使用(推動數(shù)據(jù)維護(hù)及持續(xù)更新工作的開展)，以及簡單而適應(yīng)性強的架構(gòu)(根據(jù)某一利益相關(guān)方需求進(jìn)行定制)。

目前ADAPT數(shù)據(jù)庫運行良好，已經(jīng)獲得當(dāng)?shù)乩嫦嚓P(guān)方，尤其是大壩管理者、NGO和咨詢顧問的關(guān)注。盡管該數(shù)據(jù)庫是專門針對贊比西河流域開發(fā)的，但鑒于其架構(gòu)及相關(guān)工具適應(yīng)性強，因而很容易推廣應(yīng)用到其他流域。

(毛紅梅 朱曉紅 編譯)

TV213.4

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1006-0081(2015)12-0017-03

2015-10-12