赞比西河流域的开源数据库研发

［瑞士］J.P.马托斯等

试验与研究

赞比西河流域的开源数据库研发

［瑞士］J.P.马托斯等

赞比西河流域是非洲最大流域之一，未开发的水电蕴藏量巨大。为抓住机遇应对挑战，当地利益相关方必须在政治、制度和技术上携手共进。虽已取得显著成效，但还需适当关注数据的所有权、维护和分析等。介绍了基于开源技术的非洲大坝工程(ADAPT)的水资源数据库，该数据库考虑了3个关键问题，即利益相关方的全权委托、有价值的分析工具与数据的联合使用，以及简单而适应性强的架构。

流域;水资源;数据库研发;赞比西河;非洲

1 发展现状

赞比西河流域是非洲最有价值的资源之一。尽管未开发水电蕴藏量巨大，但已属于陆地上建坝率最高的河系之一，主要水电站有卡里巴(Kariba)电站(1 830 MW)、卡霍拉·巴萨(Cahora Bassa)电站(2 075 MW)、卡富埃(Kafue)水电站群(900 MW，卡富埃峡坝)。目前，还有很多处于不同建设阶段的新工程，如卡霍拉·巴萨下游的姆潘达·恩库瓦(Mphanda Nkuwa)径流式电站(1 500 MW)，维多利亚瀑布下游的巴托卡峡(Batoka Gorge)坝电站(1 600 MW)、再下一级的卡富埃峡坝电站(750 MW)、卡霍拉·巴萨北岸扩建工程(North Bank Extension)(1 250 MW)。赞比西河流域河网除了提供水电资源外，其渔业、农业和旅游业也为该地区提供了大量的食物与财富。当地社会的经济文化与流域内主要河流与湿地密不可分。

然而，赞比西河流域也面临很多方面的挑战，包括气候变化(根据预测赞比西河流域气候会发生极端变化)、不断增长的水资源需求(加大了生态价值领域的压力)、生态流的明确与维护(经济与环境之间矛盾调和的基础)。只有正确评估流域现状与未来发展状况，才可能在水电、取水、天然生态系统保护之间实现完美平衡。

在操作层面上，水库联合管理、环境流规划、洪水预报、流量控制都依赖于强大的水文模型、水文数据和水文专家。而且与规划阶段相比，这些具体业务活动的开展需要更可靠的、完善的技术和制度框架。

1.1 非洲大坝工程

赞比西河流域非洲大坝工程(ADAPT)是一个富有成效的、多学科交叉的工程。2007～2013年，非洲与欧洲伙伴在生态、经济、水文、生物地球化学等多领域展开了合作，该工程从中而获益。

工作从两个层面展开:

(1)明确研究内容，旨在通过数据收集、原理、数字模型形成知识体系。

(2)构建一个科学-决策平台，包括能力建设(学生交流、培训活动)、研究结果的交叉学科集成以及与流域内利益相关方和政策决策者交流沟通。

ADAPT后期主要工作是为赞比西河水资源管理社区服务。其中之一是建立一个开源在线平台，以跨越区域内研究者和从业者常碰到的两个障碍，即难以获取水资源数据和缺乏分析数据的定制化工具。为了收集并处理流域的数据、应用分析工具和处理信息，平台提供了大量可下载的内容，包括水文时间序列、从报告到电子表格的多种形式的文档、一个水土评估工具(SWAT)的界面，以及展示第三方成果的专栏。该平台还具有流量监测与预报系统开发的潜能。

1.2 动机

本文目的是描述ADAPT水资源数据库是如何有助于实现当地更灵活、更有效的水资源管理，并最终形成信息更全面、可持续的区域水资源管理政策。

该开源工具最初是面向当地利益相关方(解决数据所有权、维护以及分析等相关问题)进行设计的，可用于赞比西河之外的流域，特别是那些缺乏水文数据的流域，以及存在难以协调的多个利益相关方的流域(这些情形可能遏制了水资源的有效管理)。

2 水资源数据与信息收集

2.1 水资源数据库需求与过去的进展

赞比西河水资源的优化配置和管理，对决策者、规划者、管理者、模拟人员以及研究人员提出了众多挑战，如流域面积大、流域特征不均衡、当地水力水文现象复杂，以及数据的难以获取。实际上，有很多机构在进行数据测量和收集工作，但数据收集常常是科学家和工程师面对的主要困难，而且多数情况下难以获得满意的结果。

首先，全面了解所有现有数据及其所属相关管理机构就是一个挑战。如果掌握这些信息就可更全面进行全流域的策略制定、管理和操作。接下来便要确定一个从相关机构获取数据的标准化、流水化步骤。最后，对能容易保存和归档的集中式水资源数据库进行优化。

通过分享数据、提高技术，以及制度和政治上的互融可产生巨大效益，而作为跨国水机构的赞比西河流域水资源委员会(ZAMCOM)正在为此而努力。尽管开展了大量工作，作为旗舰工程的集中式赞比西河水信息系统(ZAMWIS)尚未给广大利益相关方带来效益。

过去，由于技术、财政和政治问题，ZAMWIS的目标并没有实现。实际上，可获得的数据对于克服集中式水资源数据库在不断更新与维护中所面临的困难，其作用微乎其微。有价值的数据库必须能提供所需的工具与技能，以分析数据并使其得到充分利用。最近ZAMCOM在这两方面均取得较大进展，正努力将ZAMWIS打造成为一个全新的和可操作的水信息系统。由于赞比西河流域的数据由很多国家和机构提供，要确保数据库处于不断更新之中将是一大难题。对数据进行再分配的授权也将是一个复杂过程。

2.2 ADAPT水资源数据库

如水资源管理遇到的多数情况一样，ADAPT也面临缺乏集中式、定期更新的数据库的挑战。尽管得益于工程的规模巨大，并与当地机构有紧密的合作，其数据收集过程还是缓慢而复杂。

ADAPT数据库最初作用仅是在工程内部进行数据和信息的组织和分配，后来逐渐拓展为工程成果和文件分享的平台。

目前，ADAPT水资源数据库已有更广泛的用途，它是一个灵活的、开放式工具，可进行时间系列数据文档的储存、组织和分发，而且还为数据分析工具提供平台。

在ADAPT水资源数据库开发过程中，ZAMWIS所开展的工作以及各利益相关方可单独实施的解决方案很关键。因此，形成了一个结合了分布式结构的轻量级的实施和开源方案，其中的每个数据提供者对自有数据有完全控制权。该方案目标是:用户友好、廉价(基于开源软件而言)、易维护、适应性强、安全(避免数据丢失和无意义使用)、轻量级(需要有限的硬件资源)。

目前正与当地机构合作进行数据库开发，以扩展其存储数据的传输及相关数据分析工具的功能。

数据提供者与其他利益相关方之所以反对这样的集中式数据库，除了技术原因，主要是处于制度和政治考虑。如其他主要国际河流情况一样，利益相关方的目的多种多样，某些共同利益并非一致，甚至有时会相互冲突(如水力发电量与上游农业灌溉)。因此，利益相关方在索取数据时需持谨慎态度。某些情况下，来自数据销售的收入对于数据提供者很重要。此时，对数据获取进行控制至关重要。实际上每个数据所有者对自己的数据是完全控制的，可直接对数据进行授权。

数据所有权是一大难题，ADPAT水资源数据库采取的是分布式的所有权策略。这样，所有数据库内容都是加密的，并与某个特定数据所有者相关。要获得特定内容的唯一途径是得到数据所有者的明确授权。获取数据的请求过程可按下列步骤进行:

(1)用户注册并签订一个通用的使用条约协议。

(2)用户可浏览可使用数据(以及其数据所有者)的列表。

(3)选择特定的数据，用户直接向相关数据所有者提出获取数据的请求(请求的格式与每种数据所有者的要求相关，并包含特定的条件及使用协议)。

(4)由数据所有者指定的人员接收一封包含所有相关信息的电邮，并用简单的菜单来选择确定是否(或多长时间)用户可使用其所请求的数据。

(5)用户收到邮件反馈，如果同意请求，就能下载并解密数据。

该数据库设计的初衷是为了顺利实施专门为赞比西河流域定制的方案。从技术层面，该平台必须适应性强，节省资源的使用并运行良好。从政治/制度角度，必须努力克服障碍，而且不需要数据所有者作任何让步。

就数据管理功能而言，采用这样的数据库的优势十分明显，具体体现在:

(1)更容易评估现有的知识库;

(2)直接评估数据空缺的真实状况;

(3)利益相关方之间轻松的数据共享;

(4)更有效的数据处理(更容易和更快地获取数据和标准的数据格式，其结果是更少地使用资源);

(5)吸引了研究团队的兴趣(流域水资源数据获取的困难阻碍了重大科学成果的取得)。

一个静态的水文数据库(并不是始终更新的)能提高水文模型质量，并有助于模型效验，从而为水资源规划提供依据。因此，其对于策者是很重要的。如果可得到关键数据提供者授权且数据可得到常规更新，数据库将提供更多附加价值，尤其是有关操作任务，诸如评估气候变化影响、研究和规划新的水电工程、量化环境流需求量、评估新的取水相关影响等工作的展开都能从这样一种数据库中获益。

而且，一个顶尖的、全流域内可操作的流量预报模型(耦合了数目不断增加的主要蓄水工程)只能建立在一个牢固的、基于数据共享的结构上。该模型将有助于高效发电和更好地管理洪水。

3 水资源管理定制化模拟工具

数据收集和传播通常被认为对水资源管理活动有利。世界气象组织指出:“因为数据的收集必需耗费大量的时间和资金，其价值显而易见，因此从本质上讲数据管理很重要，而且必须是有效的管理，以取得最大化的投资回报…由于缺乏全面考虑和管理不善，一个劣质的数据档案会导致经年的、多余的数据收集或模型模拟工作，从而导致决策失误…而且，劣质的数据和数据库会导致欠佳的决策和不完善的工程设计结构。”

水资源数据库的维护和持续更新依赖于数据提供者的资源。无论数据的间接价值如何，对某些数据提供者而言，没必要每天关注其数据的索取或传播状况。这些情况下，如果这些数据除了间接价值外还有直接效益，数据相关提供者则更乐于对数据库提供支持。

ADAPT推进了强有力分析工具的研发。这些分析工具是ADAPT针对赞比西河流域特殊条件而研发的，包括构建与校验基于SWAT软件的整个流域详尽的日水文模型。SWAT之类的模型软件为广泛的水资源研究打下了坚实的基础。进行模型的率定和验证时，针对因流域面积较大且某些区域缺乏数据而出现的困难，只能借助于ADAPT数据库强大功能。

为利益相关方能便捷使用SWAT模型，提供了一个在线的定制化界面。用户可改变其参数，进行长时段模拟，比较结果，对流域内气候变化管理的影响进行简要评估。

SWAT模型可用于规划，但前提必须进行数据同化。这一步骤对于整个流域充分利用新的观测数据很重要，可改善模型结果。但这是个耗时并且有技术难度的过程。

为解决当地大坝管理者的问题，并让用户直接受益，ADAPT还引入了一种新的概率流量预报技术。该技术适应性非常强，但不是用来替代而只是对现有的预报方法进行改进。

4 结语

赞比西河流域8个沿岸国家的水资源管理专家及其之间的协作在未来将会面临考验。水资源公平分配决策将必需依靠水文模型和其他分析工具。如同其他大多数流域，水资源数据在模型率定和效验时将发挥重要作用。

将可操作的、集中式的流域水资源数据库具体化多年来都难以实现。ZAMWIS，这一具有10 a历史的从上到下的宏观方法，旨在创建全流域水资源数据库，目前处于更新和发展的阶段，前景广阔。

本文研究对象，即ADAPT在线水资源数据库对ZAMWIS进行了全方位补充。基于开源技术和节约利用资源，数据库考虑3个关键问题，即利益相关方(始终掌握着所有数据)的全权委托，有价值的分析工具与数据的联合使用(推动数据维护及持续更新工作的开展)，以及简单而适应性强的架构(根据某一利益相关方需求进行定制)。

目前ADAPT数据库运行良好，已经获得当地利益相关方，尤其是大坝管理者、NGO和咨询顾问的关注。尽管该数据库是专门针对赞比西河流域开发的，但鉴于其架构及相关工具适应性强，因而很容易推广应用到其他流域。

(毛红梅 朱晓红 编译)

TV213.4

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2015-10-12