多学科模型集成在流域决策系统中的应用研究(3)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】[10]李新,程国栋,吴立宗.数字黑河的思考与实践1:为流域科学服务的数字流域[J].地球科学进展,2010,25(3):297-305. [11]南卓铜,舒乐乐,赵彦博,等
[10]李新,程国栋,吴立宗.数字黑河的思考与实践1:为流域科学服务的数字流域[J].地球科学进展,2010,25(3):297-305.
[11]南卓铜,舒乐乐,赵彦博,等.集成建模环境研究及其在黑河流域的初步应用[J].中国科学:技术科学,2011,41(8):1043-1054.
[12]李新,程国栋,康尔泗,等.数字黑河的思考与实践3:模型集成[J].地球科学进展,2010,25(8):851-865.
流域科学与社会、生态、经济等多领域的交叉发展,使得其管理所面临的问题越来越复杂,涉及的范围越来越广泛,流域可持续的管理和长远发展成为当前一项比较复杂和艰巨的任务,传统的管理模式和手段已很难适应现代流域的发展状态,为解决传统流域决策系统功能的单一性问题,故而需要开展支持多学科融合的流域决策系统的研究[1-2]。传统的流域管理决策分析系统,主要包括水文水资源、土地利用、洪水预报、生态经济等项目,往往是独立存在,互不兼容[3-4],采用的分析方法有:HEC-HMS模型、组件式流域模拟模型、基于SOA的云计算流域模拟模型、基于组合赋权的改进集对模型等[5-8]。在多领域分析模型上,赵彦博首先开展了一个新的支持多学科模型集成的流域决策支持系统框架研究,可同时实现包括生态经济、水文等方面的计算和分析,为流域决策管理提供了新的思路[9]。本文以黑河流域为例,基于前人研究成果[10-12],构建起一种支持多学科融合的流域决策管理系统,可实现多种领域的跨时空尺度的集成分析,可为流域决策管理问题提供一定的指导意义。1 系统框架构建1.1 结构设计当前,流域管理的研究趋势日渐向自然科学与社会科学融合、人文因素并行发展,由于流域管理具有不确定性、交叉性、依赖性和复杂性,使得决策系统的构建及其困难,模型系统不仅要考虑功能性,还得兼顾易用性和经济性,才能使得其大范围的推广和使用。传统的流域决策系统结构主要包括:1系统(人机交互系统)+3库(数据库、模型库和方法库),随着计算机应用技术的日趋成熟,逐渐演化为语言系统(LS)+处理系统(PPS)+知识系统(KS),目前仍处于初级阶段。基于上述分析,结合当前各项技术成熟度,本文将流域决策系统划分为以下6部分:人机交互系统+决策流程管理系统+专家知识系统+数据管理系统+模型管理系统+方法库,其结构示意图见?决策流程决策过程包括分析问题和解决问题两部分,通过对某一区域的统计数据的调取,然后有针对性地选择最佳的模型、模型参数以及驱动数据等,实现不同情况下的情景模拟再现,最终得出评价分析结果,基于情景驱动的决策流程见图2。图2 决策流程示意图图1 系统结构示意图1.3 集成方案由于所有的模型均是被独立开发的,因此在数据和参数要求、时空尺度、文件格式以及运行环境等方面均存在一定的差异,需要对多学科的知识和参数进行资源整合,本文采用 “节点-连接(Node-Link)”方式实现多学科的模型集成,即所有节点之间的逻辑关系和数据交换全部由连接对象实现,连接对象具有方向属性和数据属性双重属性,且将格式转换写成工具内置于系统中,以实现数据源名称的自动匹配。以水源涵养林村;流域汇流影响为例,采用植被动态模型BGC、陆面过程模型Noah和某一汇流计算方法共同组成了模型的集成方案,见图3。图3 系统集成方案示意2 案例分析2.1 研究区概况黑河流域位于甘蒙交界地区,发源于南部祁连山区,流域面积约14.29万km2,流域气候主要受中高纬度的西风带环流控制和极地冷气团影响,气候干燥,降水稀少而集中,多大风,日照充足,太阳辐射强烈,昼夜温差大;该流域的河川径流形成、利用、消失分区较为明显,以降水补给为主,径流量年际变化不大但分配集中;主要植被包括温带小灌木、半灌木荒漠植被、胡杨、沙枣、红柳和梭梭。由于过度的开发和使用,使得当地的绿洲萎缩、土地沙漠化、盐碱化发展迅速,水资源污染十分严重,经济与社会和谐发展受到严重制约。为了遏制生态环境的进一步恶化,国家在该区域陆续实施了一些措施,如:“黑河流域生态综合治理”、“退牧还草”等,这就涉及该流域的生态补偿问题和土地利用问题,故而本文采用建立的多学科模型集成系统对这两方面进行分析说明 模型的选择(1)生态补偿问题:采用SWAT模型,该模型是美国农业部开发的分布式水文模型,可通过空间离散化将整个流域分为地理因素和其它相对均一的单元体,包括地表水模块、土壤水模块、河道汇流模块等,适用于地表径流、融雪径流等的模拟和预测。采用生态服务最小数据法,假定牧民对土地利用管理的目标是经济收入最大化,而流域内的土地利用类型包括方牧和禁牧,其对应的水源涵养服务值为0和e,牧民将从水源涵养服务e中获取 p 元,见图 4(a)。图4 建模结构示意(2)土地利用问题:从模型库中调取CLUE模型和SWAT模型,将CLUE模型的输出值作为SWAT模型的输入值,并配置相应的数据和参数,即采用CLUE和SWAT的耦合模型作为分析基础,见图 4( 结果分析(1)生态补偿问题结果分析图5给出了黑河流域生态补偿的分析结果,从图(a)中可以看到:在禁止放牧情况下,土壤月平均含水量明显高于放牧情景,说明该流域实行禁牧对涵养水源具有明显的提升作用;从图(b)中可以分析看到:生态补偿与水源涵养服务之间呈正态分布关系,当不进行生态补偿时,水源涵养服务仅为0.26·108m3,当补偿价格提升至22元左右时,水源涵养服务已提升至9.2·108m3,如果再提升补偿价格,则水源涵养服务的上升幅度明显减缓,可见该流域的最佳生态补偿价格为22元左右。(2)土地利用问题结果分析图5 生态补偿问题分析结果不同情景下预测2025年的土地利用情况与1985年的相对和绝对变化值见表1。从表中数据可以看出:历史趋势背景、生态保护背景、经济发展背景以及快速经济发展背景下,耕地、建设用地和未利用地增大,林地、草地、水域减少,但各情景下的增加减少幅度略有差异。总体而言,变化幅度的绝对值由大到小为:快速经济发展>经济发展>生态保护>历史趋势;严格生态保护情景下,耕地、林地、草地以及建设用地增加,水域和未利用地减少。同时,对2025年的流域出口径流量进行了对比,见图6。从图中可以看到:从年径流量来讲,快速经济发展>经济发展>历史趋势>严格生态保护>生态保护,由于经济发展对林地,草地利用增多,使得土壤蓄水能力降低,因此径流量显著增大;从不同时间段来讲,6—9月的径流量远远大于其它月份,这与当地的气候特征相关,降雨主要集中于夏季和秋初;从整体分析结果上讲,应该对流域的未利用地进行合理开发和使用,减少经济建设、耕地等给林地、草地的压力,必须做到合理规划,统筹管理,才能实现流域区域经济的可持续发展。图6 不同情景下预测2025年流域出口径流量变化表 -2025不同的情景下的土地利用变化情况土地利用类型 历史趋势情景 生态保护情景 严格生态保护情景 经济发展情景 快速经济发展情景耕地 18.47%()12.11%()2.15%(7993)31.07%()68.73%()林地 -4.15%(-)-2.67%(-)41.88%()-7.10%(-)-15.58%(-)草地 -4.85%(-)-3.20%(-)6.44%()-8.15%(-)-18.12%(-)水域 -12.36%(-)-12.35%(-)-12.41%(-)-12.43%(-)-12.05%(-)建设用地 9.13%(2989)5.20%(1700)9.05%(2961)17.07%(5589)41.85%()未利用地 1.68%()1.40%()-22.08%(-)2.26%()3.92%()3 结论基于相关理论成果,建立起多学科模型集成在流域决策系统,对系统的结构、决策流程、集成方法进行了详细介绍,同时以黑河流域为例,对生态补偿问题和土地利用问题进行了分析,认为该流域的最佳生态补偿价格为22元左右,在严格生态保护情况下,可有效减少对林地、草地的破坏,增加土壤蓄水能力,减小流域径流量。研究方法和成果可为相关流域问题的研究提供借鉴。□参考文献:[1]夏军,张翔,韦芳良,等.流域水系统理论及其在我国的实践[J].南水北调与水利科技,2018,16(1):1-7.[2]方艺辉,陈兴伟.水环境决策支持系统中异构模型的集成[J].福建师范大学学报(自然科学版), 2018,v.34;No.162(04):31-37.[3]滕俊伟,张恒珍,郭奕浓.水文网络模型在分布式流域水文模拟中的应用[J].水土保持应用技术,2018(1):14-16.[4]王秉义,陈龙乾,程从坤,等.巢湖流域土地优化利用技术集成框架初探[J].地理与地理信息科学,2014,30(6):46-48.[5]邹杨,胡国华,于泽兴,等.HEC-HMS模型在武水流域山洪预报中的应用[J].中国水土保持科学,2018,v.16(2):98-105.[6]刘海燕,刘晓民,魏加华,等.组件式流域模拟模型集成技术进展及发展趋势[J].南水北调与水利科技,2013,11(1):140-145.[7]刘海燕,刘晓民,史宝会,等.基于SOA的云计算流域模拟模型集成架构的研究[J].南水北调与水利科技,2017,15(3):20-24.[8]孙超,陈文,李计生,等.基于组合赋权的改进集对模型在流域生态健康评价中的应用[J].水文,2018(2).[9]赵彦博,南卓铜,赵军.一个新的支持多学科模型集成的流域决策支持系统框架研究[J].遥感技术与应用,2013,28(3):511-519.[10]李新,程国栋,吴立宗.数字黑河的思考与实践1:为流域科学服务的数字流域[J].地球科学进展,2010,25(3):297-305.[11]南卓铜,舒乐乐,赵彦博,等.集成建模环境研究及其在黑河流域的初步应用[J].中国科学:技术科学,2011,41(8):1043-1054.[12]李新,程国栋,康尔泗,等.数字黑河的思考与实践3:模型集成[J].地球科学进展,2010,25(8):851-865.
文章来源:《黑河学刊》 网址: http://www.hhxkzz.cn/qikandaodu/2020/0928/393.html
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