贊比西河流域的開源數據庫研發

［瑞士］J.P.馬托斯等

試驗與研究

贊比西河流域的開源數據庫研發

［瑞士］J.P.馬托斯等

贊比西河流域是非洲最大流域之一，未開發的水電蘊藏量巨大。為抓住機遇應對挑戰，當地利益相關方必須在政治、制度和技術上攜手共進。雖已取得顯著成效，但還需適當關注數據的所有權、維護和分析等。介紹了基于開源技術的非洲大壩工程(ADAPT)的水資源數據庫，該數據庫考慮了3個關鍵問題，即利益相關方的全權委托、有價值的分析工具與數據的聯合使用，以及簡單而適應性強的架構。

流域;水資源;數據庫研發;贊比西河;非洲

1 發展現狀

贊比西河流域是非洲最有價值的資源之一。盡管未開發水電蘊藏量巨大，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階段的新工程，如卡霍拉·巴薩下游的姆潘達·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)。贊比西河流域河網除了提供水電資源外，其漁業、農業和旅游業也為該地區提供了大量的食物與財富。當地社會的經濟文化與流域內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，包括氣候變化(根據預測贊比西河流域氣候會發生極端變化)、不斷增長的水資源需求(加大了生態價值領域的壓力)、生態流的明確與維護(經濟與環境之間矛盾調和的基礎)。只有正確評估流域現狀與未來發展狀況，才可能在水電、取水、天然生態系統保護之間實現完美平衡。

在操作層面上，水庫聯合管理、環境流規劃、洪水預報、流量控制都依賴于強大的水文模型、水文數據和水文專家。而且與規劃階段相比，這些具體業務活動的開展需要更可靠的、完善的技術和制度框架。

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、多學科交叉的工程。2007～2013年，非洲與歐洲伙伴在生態、經濟、水文、生物地球化學等多領域展開了合作，該工程從中而獲益。

工作從兩個層面展開:

(1)明確研究內容，旨在通過數據收集、原理、數字模型形成知識體系。

(2)構建一個科學-決策平臺，包括能力建設(學生交流、培訓活動)、研究結果的交叉學科集成以及與流域內利益相關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服務。其中之一是建立一個開源在線平臺，以跨越區域內研究者和從業者常碰到的兩個障礙，即難以獲取水資源數據和缺乏分析數據的定制化工具。為了收集并處理流域的數據、應用分析工具和處理信息，平臺提供了大量可下載的內容，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測與預報系統開發的潛能。

1.2 動機

本文目的是描述ADAPT水資源數據庫是如何有助于實現當地更靈活、更有效的水資源管理，并最終形成信息更全面、可持續的區域水資源管理政策。

該開源工具最初是面向當地利益相關方(解決數據所有權、維護以及分析等相關問題)進行設計的，可用于贊比西河之外的流域，特別是那些缺乏水文數據的流域，以及存在難以協調的多個利益相關方的流域(這些情形可能遏制了水資源的有效管理)。

2 水資源數據與信息收集

2.1 水資源數據庫需求與過去的進展

贊比西河水資源的優化配置和管理，對決策者、規劃者、管理者、模擬人員以及研究人員提出了眾多挑戰，如流域面積大、流域特征不均衡、當地水力水文現象復雜，以及數據的難以獲取。實際上，有很多機構在進行數據測量和收集工作，但數據收集常常是科學家和工程師面對的主要困難，而且多數情況下難以獲得滿意的結果。

首先，全面了解所有現有數據及其所屬相關管理機構就是一個挑戰。如果掌握這些信息就可更全面進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機構獲取數據的標準化、流水化步驟。最后，對能容易保存和歸檔的集中式水資源數據庫進行優化。

通過分享數據、提高技術，以及制度和政治上的互融可產生巨大效益，而作為跨國水機構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(ZAMWIS)尚未給廣大利益相關方帶來效益。

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

2.2 ADAPT水資源數據庫

如水資源管理遇到的多數情況一樣，ADAPT也面臨缺乏集中式、定期更新的數據庫的挑戰。盡管得益于工程的規模巨大，并與當地機構有緊密的合作，其數據收集過程還是緩慢而復雜。

ADAPT數據庫最初作用僅是在工程內部進行數據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水資源數據庫已有更廣泛的用途，它是一個靈活的、開放式工具，可進行時間系列數據文檔的儲存、組織和分發，而且還為數據分析工具提供平臺。

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

目前正與當地機構合作進行數據庫開發，以擴展其存儲數據的傳輸及相關數據分析工具的功能。

數據提供者與其他利益相關方之所以反對這樣的集中式數據庫，除了技術原因，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(如水力發電量與上游農業灌溉)。因此，利益相關方在索取數據時需持謹慎態度。某些情況下，來自數據銷售的收入對于數據提供者很重要。此時，對數據獲取進行控制至關重要。實際上每個數據所有者對自己的數據是完全控制的，可直接對數據進行授權。

數據所有權是一大難題，ADPAT水資源數據庫采取的是分布式的所有權策略。這樣，所有數據庫內容都是加密的，并與某個特定數據所有者相關。要獲得特定內容的唯一途徑是得到數據所有者的明確授權。獲取數據的請求過程可按下列步驟進行:

(1)用戶注冊并簽訂一個通用的使用條約協議。

(2)用戶可瀏覽可使用數據(以及其數據所有者)的列表。

(3)選擇特定的數據，用戶直接向相關數據所有者提出獲取數據的請求(請求的格式與每種數據所有者的要求相關，并包含特定的條件及使用協議)。

(4)由數據所有者指定的人員接收一封包含所有相關信息的電郵，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據。

(5)用戶收到郵件反饋，如果同意請求，就能下載并解密數據。

該數據庫設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。從技術層面，該平臺必須適應性強，節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，而且不需要數據所有者作任何讓步。

就數據管理功能而言，采用這樣的數據庫的優勢十分明顯，具體體現在:

(1)更容易評估現有的知識庫;

(2)直接評估數據空缺的真實狀況;

(3)利益相關方之間輕松的數據共享;

(4)更有效的數據處理(更容易和更快地獲取數據和標準的數據格式，其結果是更少地使用資源);

(5)吸引了研究團隊的興趣(流域水資源數據獲取的困難阻礙了重大科學成果的取得)。

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

而且，一個頂尖的、全流域內可操作的流量預報模型(耦合了數目不斷增加的主要蓄水工程)只能建立在一個牢固的、基于數據共享的結構上。該模型將有助于高效發電和更好地管理洪水。

3 水資源管理定制化模擬工具

數據收集和傳播通常被認為對水資源管理活動有利。世界氣象組織指出:“因為數據的收集必需耗費大量的時間和資金，其價值顯而易見，因此從本質上講數據管理很重要，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，一個劣質的數據檔案會導致經年的、多余的數據收集或模型模擬工作，從而導致決策失誤…而且，劣質的數據和數據庫會導致欠佳的決策和不完善的工程設計結構?！?/p>

水資源數據庫的維護和持續更新依賴于數據提供者的資源。無論數據的間接價值如何，對某些數據提供者而言，沒必要每天關注其數據的索取或傳播狀況。這些情況下，如果這些數據除了間接價值外還有直接效益，數據相關提供者則更樂于對數據庫提供支持。

ADAPT推進了強有力分析工具的研發。這些分析工具是ADAPT針對贊比西河流域特殊條件而研發的，包括構建與校驗基于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。進行模型的率定和驗證時，針對因流域面積較大且某些區域缺乏數據而出現的困難，只能借助于ADAPT數據庫強大功能。

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

SWAT模型可用于規劃，但前提必須進行數據同化。這一步驟對于整個流域充分利用新的觀測數據很重要，可改善模型結果。但這是個耗時并且有技術難度的過程。

為解決當地大壩管理者的問題，并讓用戶直接受益，ADAPT還引入了一種新的概率流量預報技術。該技術適應性非常強，但不是用來替代而只是對現有的預報方法進行改進。

4 結語

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。如同其他大多數流域，水資源數據在模型率定和效驗時將發揮重要作用。

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

本文研究對象，即ADAPT在線水資源數據庫對ZAMWIS進行了全方位補充?；陂_源技術和節約利用資源，數據庫考慮3個關鍵問題，即利益相關方(始終掌握著所有數據)的全權委托，有價值的分析工具與數據的聯合使用(推動數據維護及持續更新工作的開展)，以及簡單而適應性強的架構(根據某一利益相關方需求進行定制)。

目前ADAPT數據庫運行良好，已經獲得當地利益相關方，尤其是大壩管理者、NGO和咨詢顧問的關注。盡管該數據庫是專門針對贊比西河流域開發的，但鑒于其架構及相關工具適應性強，因而很容易推廣應用到其他流域。

(毛紅梅 朱曉紅 編譯)

TV213.4

:A

1006-0081(2015)12-0017-03

2015-10-12