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关键词:工程实践能力体系;高水平实验平台;实验管理模式;改革与探索
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)35-0035-03
高等学校实践教学是本科教学工作的重要组成部分,是培养学生创新意识、实践动手能力和工程素质的重要环节。国家明确提出建立创新型国家的任务,社会经济高速发展对高等工程人才素质也提出了更高要求。高等教育作为培养高素质创新人才的摇篮,是支撑国家创新体系和经济建设的基础。为适应当前国家和社会发展对高素质工程人才的需求,我国高等教育目前也进行了“卓越工程师”和“拔尖人才”培养模式的探索与实践。实践教学环节作为高素质工程人才培养的重要组成部分,如何充分发挥高等学校科研和学科优势,将优秀科研成果应用于本科生培养,提高学生创新能力和工程实践能力,成为目前高等教育研究的课题之一。西安理工大学水文与水资源学科是国家重点学科,有着较强的师资队伍和科研条件,多年来利用科研和学科优势在本科生实践能力培养方面做了积极探索,在工程实践能力体系建设、实践课程内容改革、高水平实验平台建设和科研实验仪器管理等方面进行了改革与实践,在本科生创新能力和工程实践能力培养方面取得一定成效。
一、转变思想,构建工程实践能力培养体系
随着我国经济高速发展,高等教育由原来的“精英教育”进入“大众化教育”,高等学校也需要转变思想,积极探索人才培养新模式,满足新形势下不同程度学生需求,适应社会和经济发展对人才素质的需求,培养学生创新意识和工程实践能力。水文与水资源工程专业是为国家水利基础性行业培养人才,其主要目标是培养能在水利、水务、能源、交通、城市建设、农林、环境保护、地质矿产等部门从事水文、水资源及水环境方面勘测、评价、规划、设计、预测预报和管理等工作及相应的教学和科学研究的高级专门人才。该专业的核心专业课程《水文学原理》、《水环境化学》、《水文气象学》、《水文信息采集与处理》、《地下水水文学》、《地下水利用》及院级任选修课《水情测报系统》等,这些都是实践性很强的课程,只有将实验教学环节与理论知识体系有机结合起来,才能使学生更牢靠更系统地掌握本专业的知识体系,也才能顺利达成专业的培养目标。西安理工大学2004年开始了“完全学分制”改革试点工作,水文与水资源专业根据学分制下不同层次学生的需求,转变观念,提高认识,优化模式,提高质量和效率,重新制定培养计划,构建工程实践能力培养体系,加强学生实践环节,培养学生创新能力和工程实践能力,如图1所示。
工程实践能力培养体系分为四个层次,第一层次将校内实验室参观和校外工程参观相结合,使学生对本专业有一个基本认识;第二层次通过实验课程、专业课程实习及课程设计等校内外实践环节,将课内与课外相结合,理论与实践相结合,加强学生专业基本知识和工程实践基本技能培养;第三层次通过生产实习、社会实践、课外科技活动,加强学生专业知识初步应用能力,使学生基本理论与工程实际进一步融合;第四层次通过毕业设计,通过解决工程实际问题,培养学生系统解决实际问题的能力。通过四个层次的训练,校内与校外相结合,理论与实践相相结合,加强学生创新能力和工程实践能力培养。
二、发挥学科优势,改革实践教学内容与管理模式
实践教学具有直观性、实践性、综合性和创新性等特点,有利于培养学生的创新思维和实践动手能力,在高素质创新人才培养中具有不可替代的作用。我校充分发挥国家重点学科和省部共建重点实验室优势,改革实践教学内容和管理模式,加强学生创新思维和实践动手能力培养。
1.建立专业教学实验平台,开设重点实验。根据水文与水资源工程专业教指委的基本要求,建立水文与水资源工程专业教学实验平台,使学生掌握专业基础理论知识,对于加深学生对课堂内容的理解,提高学生动手能力,培养学生分析、解决实际问题、观测、统计、考察、判断、设计能力及创造性思维能力,适应生产和科研的需要都具有非常重要的作用。同时根据专业和课程特点,结合学科优势,开设重点实验,加强学生知识理解和工程实践能力。以《水文学原理》为例,作为水文与水资源工程专业必修的专业基础课,主要内容包括水文循环基本规律及降雨径流关系等。如果能将径流的形成过程和下渗的物理过程及水循环各子要素降水、下渗、径流、蒸发之间的转换关系以实验的形式直接展示给学生,同时以实验的方式让学生掌握坡面降水量、径流量、下渗量的测定方法,不仅有利于学生认识水循环各子要素之间的相互转换关系,有利于对天然条件下的下渗空间分布及与充分供水条件的下渗区别的理解,而且对于产汇流的分析与计算和整个课程核心内容的掌握均有重要作用。此外,对于水循环要素中的关键环节――下渗的不同阶段(渗润、渗漏、渗透阶段)能让学生通过实验亲自观测和验证,使学生理解下渗的不同阶段;掌握下渗率和下渗能力的测定方法;了解下渗的空间变异性及天然下渗与充分供水下渗的区别。因此根据该课程的内容和特点,结合教师科研成果,我校自行研制实验仪器,开设了“下渗实验”和“水文循环规律实验”。通过这两个实验,不仅让学生对抽象的理论知识有了感性认识,加深了学生对教学内容的理解,而且提高了学生实验动手能力、分析能力、现场监测能力及适应社会的能力。同样,针对《地下水水文学》这门专业基础课程的特点,开设了“地下水含水层水文地质参数测定”、“多孔介质渗流特性实验”、“潜水模拟实验”、“承压水演示实验”。通过这些实验,使学生认识承压水和潜水的补给、赋存、消耗和转化特征。了解地下水的形成、储存、运动、补给、消耗等特征的变化规律,帮助学生更深入地理解地下水的基本原理,为今后从事相关学科的实际工作或科学研究打下基础。
2.根据社会需求,及时更新实验仪器设备。《水情测报系统》课程是水文与水资源工程专业的专业课,相关的实验基础是水资源与环境实验室在学科建设中已建成的GIS实验室,内有一台服务器及10个终端,为满足学生工作需求,在GIS实验室的基础上配备了中心站接收电台一套、终端站设备(自记雨量计、自记水位计、前置数采器及数传电台)六套、水情测报与洪水调度软件一套。为本科生开设了“水情自动测报与洪水调度系统软件操作实验”及“水情自动测报系统结构认识、采集和信息传输”两个实验。在2012年水文与水资源工程专业认证过程中,这套实验系统受到了评估专家的高度评价,认为水情测报系统与生产应用基本一致且系统完整,学生在学校就提前掌握了这套操作规程,培养了学生的实践动手能力,避免了用人单位的再次培训。这也改变了用人单位对毕业生质量以及毕业学校的看法,使得我校本科生成为用人单位最愿意接收学生。
3.结合重点学科和实验室优势,将大型学科仪器用于教学。我校的水文及水资源学科具有20多台较先进的大型仪器,包括通量塔、质谱仪、原子吸收分光光度计、紫外分光光度计等。这些大型仪器,特别是一些进口仪器的维修费用比较昂贵,如果仪器被损坏,不仅影响实验室承担的国家项目研究,也会带来较大的经济损失,因此平时由专人管理,只对教师、研究生开放,主要用于科研工作,有些仪器存在着利用率低等问题。这些年,我校充分发挥学科和实验室优势,积极探索大型仪器管理模式,努力尝试对本科生开放。实验过程中,由实验教师和仪器管理教师共同指导,讲解仪器的操作规范,实验教师结合新仪器修订实验讲义,下发给学生,严把实验预习关;操作过程中,双人指导,严格要求,尽量避免仪器误操作。充分发挥学科建设大型仪器设备的潜能,提高和改善本科生实验教学效果和质量。此外,根据仪器的功能,相应拓宽实验内容,一些验证性实验改为综合性实验。实验内容增多后,老师只给要领,很多具体的细节要学生自己琢磨,不仅改变了以往抄抄实验原理、写写实验结果的实验报告模式,而且培养了学生创新思维的能力和相互协作的团队精神。
我校通过四层次实践环节培养体系,发挥国家重点学科和省部共建重点实验室优势,改革实验内容和管理模式,让学生在本科阶段就接触到本学科的一些先进的仪器,加强学生创新思维和工程实践能力的培养,为高等学校的实验室建设与改革,高素质工程技术人才的培养提供了一定思路。
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水文水资源工程的培养目标
本专业培养具有较扎实自然科学知识,较好人文科学知识,较强的计算机、外语、管理等方面应用能力与水文水资源及水环境方面专业及专业基础知识,能在水利、能源、交通、城市建设、农林、环境保护等部门从事水文、水资源及环境保护方面勘测、规划设计、预测预报、管理、技术经济分析以及教学和基础理论研究的高级工程技术人才。
水文与水资源工程 的就业方向从事水文、水资源及环境保护方面勘测、规划设计、预测预报、管理、技术经济分析以及教学和基础理论研究工作
水文与水资源工程 的介绍本专业学生主要学习水文水资源及环境信息的采集及处理、水旱灾害预测及防治、水资源规划、水环境保护、水利工程规划与设计、水利工程运行与管理、水政管理等方面基本理论和基本知识,受到工程制图、运算、实验、测试等方面基本训练,具有应用所学专业分析解决实际问题、科学研究、组织管理的基本能力。
水文与水资源工程 的主要课程自然地质学、气象与气候学、水力学、河流动力学、水利工程、水文学原理、水文统计学、水资源学、地下水文学、环境化学、水利法规。
关键词:水资源评价与管理;课程建设;实践教学;教学改革
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)45-0095-03
一、概述
华北电力大学水文与水资源工程专业是继水利水电工程专业之后兴办的第二个水利专业,2006年经教育部审批,于2007年招收第一届本科生。2007级水文与水资源工程专业按照2006版人才培养方案设置专业课程,《水资源评价与管理》是这些专业课程中的一门必修课,这版培养计划安排是56学时(3.5学分),没有课程设计和实习等实践教学环节,2006版培养计划应用一年后,到2008年开始对2006版培养计划进行修订,制订2008版本科人才培养方案,根据《水资源评价与管理》这门课程的时代性、实践性和知识更新性都较强的特点,将2008版的《水资源评价与管理》的课程调整为48学时(3学分),另外增设了1周(1学分)的课程设计。依据新修订的2008版本科人才培养方案,华北电力大学2009年开始实施433核心课程建设计划,433核心课程包括4门公共基础课、3门专业基础课和3门专业课。其中,《水资源评价与管理》成为水文与水资源工程专业的433核心课程之一,经过2年的建设,该课程顺利地通过了学校433核心课程的验收,目前该课程的建设和教学改革正逐步进入优化完善阶段。
《水资源评价与管理》课程是水文与水资源工程专业本科学生完成了基础知识学习后接触的主要专业课之一,是水文学及水资源研究领域中不可或缺的重要组成部分。
二、课程建设
《水资源评价与管理》课程建设包括教学大纲、教材、课程设计任务书、教师队伍建设等内容。
1.教学大纲的制定。根据2008版本科人才培养方案的基本要求,以电力学科为主的“大电力”特色,水文与水资源工程专业要为“水电”做基础性工作的宗旨,在2006版培养方案的基础上重新编制了水资源评价与管理的教学大纲,对课程的性质、教学目的和任务、教学的基本要求和课程的内容进行了细化和规定。要求掌握水资源评价的概念、方法等,其中主要包括地表水资源量的计算和评价、地下水资源量的分析和评价、区域的水资源及水质评价等,掌握国民经济生产、居民生活和生态环境的需水预测,以及水资源供需分析方法,初步了解水资源分配及优化配置的模型和方法,掌握现代水资源管理的相关基本理论、经验和制度方法等。
2.教材的选择。目前,国内正式出版的水资源评价与管理方面的教材主要有:(1)朱岐武主编,由黄河水利出版社出版的《水资源评价与管理》,该教材主要是按照国家对高职高专人才培养的要求和特点编写完成的。(2)高桂霞主编,由中国水利水电出版社出版的教材《水资源评价与管理》,该教材适合于中等专业学校的学生。(3)李彦彬等编写,由中国水利水电出版社出版的教材《水资源评价与管理》,该教材涵盖了水资源评价与管理以及水资源利用方面的主要内容。
在水资源规划与管理方面的教材中也包含水资源评价与管理方面的内容,这方面的教材主要有:(1)左其亭等编著,由中国水利水电出版社出版的《水资源规划与管理》,该教材包含了水资源评价、社会经济发展预测、水资源系统分析方法、水资源规划以及水资源管理方面的内容。(2)董增川主编,由中国水利水电出版社出版的《水资源规划与管理》,该教材包含了水资源的概念及分类、特点,水资源评价的概念及方法,水资源需水预测、供需平衡分析,水资源优化配置,水资源系统运行调度、综合规划、管理及水资源科持续利用等内容。(3)水利部水利水电规划设计总院编制的《全国水资源综合规划技术细则》是一本很好的指导水资源评价与规划工作的工具书[1]。这些教材涉及的面较广,基本涵盖了水资源评价与管理方面的相关内容,但是作为本科生的教材,内容上既要有一定的广度,而且还要有一定的深度,更关键的是内容一定能反映最新的相关理论或技术方法,鉴于此,笔者主编了华北电力大学《水资源评价与管理》校内教材,该教材突出了《水资源评价与管理》这门课程的时代性和实用性,强调了《水资源评价与管理》是一门不断丰富和发展的课程,内容方面包含了水资源的数量和质量评价、水资源开发利用对环境的影响、水资源综合评价等,着重介绍评价的数据资料准备、评价的程序,评价的新方法中包括物元分析法、模糊综合评判法属性识别方法、主成分分析法、改进的灰色关联分析法和信息熵法等6种方法;水资源管理的内容增加了目前我国最新的水资源最严格管理以及“三条红线”制度等方面,而且随着科学技术的进步、经济社会的发展以及人们生活水平的提高,尤其是全球气候变化及人类活动对水资源的影响,新的水资源评价方法及水资源管理的理念将不断出现。
3.课程设计任务书。根据华北电力大学强化“重实践,强能力”的办学特色,依据一周5天的设计周期编制了水资源评价与管理的课程设计任务书,其内容包含课程设计的目的和意义、基本数据资料、课程设计要求以及时间安排等设计内容,具体包括水文数据资料的收集、整理及处理、不同保证率下水资源量的计算、可利用地表(地下)水资源量的计算、国民经济各部门的需水量的计算及预测、供水需水平衡分析、水资源管理对策和措施的制定等内容。
4.教师队伍建设。经过6年多的发展,已经形成了由3~4名副教授以上的中青年教师组成的水资源评价与管理教学的教师团队,由水文学及水资源、水力学及河流动力学以及管理科学与工程等专业背景的具有博士学位的年轻老师投入到一线教学的工作中来,可以充分利用具有不同专业背景的教师对该课程的不同的理解方面,使课程教学能够集思广益,使课程设计等实践教学效果更为显著。
三、教学过程中存在问题
1.课程学时数较少。我国高等学校在“厚基础、宽口径、强能力、高素质”的培养目标要求下,基本都压缩了专业课的学时数[2]。一般3学分都是48学时,要想把水资源评价的基本理论、评价方法、评价程序以及水资源管理的基本理论等全面详细地教授给学生,难度比较大,而且学生在学习过程中,还需要补充很多课外的基础知识,比如补充经济学方面的知识,以满足水价理论方面的教学要求;补充优化原理与方法的知识,以满足水资源优化配置方面的学习等;补充工程水文及水利计算方面的知识,以满足水资源数量评价方面的学习等。
2..教学内容相对滞后。由于水资源规划与管理方面不断涌现出新理论、新方法、新技术、新规范等,但高校的专业课教材一旦选定就要使用几年,难免出现教学内容相对滞后的情况发生,其教学内容还偏重于传统的水资源评价与管理的基本原理及技术方法的讲解,而对诸如水安全评价、水资源管理信息系统研发以及制度建设等新理论、新技术的介绍较少,造成学生在校所掌握的知识滞后于当前学科发展进程[1]。
3.学科交叉性较强。随着水资源的紧缺,水资源问题的日益突出,水资源开发利用程度的不断提高,使水资源评价与管理越来越成为一门理论内容交叉性强、应用面广的课程,涉及到水与资源、水与环境、水与生态、水与经济、水与社会等诸多方面,另外,随着科学技术的发展,应用技术尤其是电子计算机技术、地理信息系统等“3S”技术的发展,水资源评价与管理的任务越来越复杂和多样。
4.学生主动学习的愿望较低。从日常教学的过程中发现,学生在听课中只是去记一些基本概念、基本原理、基本方程,而不是针对具体的水资源问题去寻求和思考具有针对性的对策或措施,主要是为了期末考试的试题而去听课,这样就使得学生没有主动学习的愿望,而是为了考出好的成绩而去学习,缺少对目前水资源、水环境、水生态出现的问题,以及如何将水资源管好、用好提出自己的、具有原创性的想法和建议。
四、教学改革
针对课程教学中出现的以上几方面问题,笔者逐渐从教材的改革、教学手段的多样化、考试方式的改革和鼓励学生申报创新创业项目等几方面进行了尝试。
1.教材改革。如前所述,笔者编制了一本校内教材,将水资源评价与管理的新理论和新方法引入到教材中来,比如在需水预测中,对于河道内生态需水量的计算方法,加入了改进的湿周法、Tennan法、以及流量历时曲线法等[3];对于水资源管理中的加入了水权理论以及我们国家从2011年开始实施的最严格水资源管理理论的“三条红线”制度等,以尽量减少教材与实际工作的滞后性。
2.教学手段的多样化。随着现代计算机技术以及图形图像技术的发展,尤其是多媒体技术的出现使现代教学逐步摆脱了传统的“粉笔+黑板”的教学模式。因此,在教学过程中积极开发和利用电子讲义、电子课件、水资源水工程方面的录像、图片、以及多媒体PPT课件等,尽量将比较抽象的基本概念、基本原理、难以理解的技术方法等用形象的多媒体形式表达出来,使学生更便于理解和明白,以提高学生学习专业知识的兴趣,并唤起学生的求知欲,从而使学生由被动的“听”变为主动的“学”。多媒体教学在一定程度上,弥补了现有课时的不足[2]。
3.考试方式的改革。为了防止学生只是死记硬背一些概念、原理和公式,以应付期末考试的试题,我校改革了传统的闭卷考试的方式,采取老师统一命题或自命题的方式撰写课程论文,课程论文要有统一的格式和内容,内容要包括摘要、英文摘要、正文、参考文献,其中摘要必须在200~300字之内,而且要有研究意义目的、研究方法、研究结果和结论四部分,参考文献在20~30篇以上,而且英文文献要占一半左右,通过这样的训练,可以使学生掌握撰写学术论文的基本要求,为撰写毕业学位论文打下扎实的基础,也为本科生参加各种竞赛、发表学术论文提供必要的支撑。
4.鼓励学生申报创新创业项目。由于水资源问题的复杂性、多样性和交叉性,在教学过程中,我们鼓励学生勤于思考,多发现跟水有关的问题,先后指导10多名学生根据水与环境、水与生态等方面的知识,申请了大学生创新创业项目,其中2项获得国家级优秀的好成绩,而且以这些创新创业项目为依托发表的SCI或EI收录学术论文3篇,增强了学生学习水资源评价与管理的兴趣。
五、结语
根据华北电力大学水文与水资源工程专业《水资源评价与管理》的课程教学经验,本文对这门433核心课程包括教学大纲的制定、教材的选择、教学手段、考试方式以及如何鼓励大学生申报创新创业项目等方面进行了一些改革探索。按照《水资源评价与管理》课程建设的基本要求,对教学内容进行了丰富、拓展和必要补充,逐渐培养学生对水资源专业领域的了解和把握,通过撰写课程论文逐步实现本科生独立完成学术文献的总结和综述、完成研究方法的实现、研究结果的阐述以及研究结论的得出的能力,真正培养本科生的实际能力。
参考文献:
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【关键词】GIS技术;水文水资源;资源管理;资源政策;防洪抗旱
前言
GIS技术(地理信息系统)是当前水文和水利工作的重要基础性技术,由于GIS技术立足于计算机技术,这使得水文水资源工作可以利用数字、通信领域的新发展得到迅速的发展,实现水文水资源科学的管理、水文资源政策合理的制定、防洪抗旱能力的提高,可见GIS技术对于水文水资源工作的重要价值。应该从GIS技术的水文水资源基础认知入手,分析水文水资源工作应用GIS技术存在的问题,找到问题存在的深层次原因,以水文水资源工作和GIS技术的特点出发,探寻水文水资源领域GIS技术应用的要点,把握GIS技术应用于水文水资源领域的方向,更好地实现GIS技术对于水文水资源工作的价值,促进水文和水利领域的各项工作走向深入。
1 GIS技术的概述
GIS技术是立足于计算机技术和地理信息处理技术的信息加工和处理系统,GIS技术具备地理信息的收集、存储、加工、分析、管理、应用功能,是地理分布、空间信息加工的重要技术,是水文工作重要的基础性技术。GIS技术为水文工作提供了一个崭新的平台,形成了不同于传统水文工作的思路和方法,特别在水资源管理、水资源监测、水资源保护、资源政策指导、防洪抗旱工作中GIS技术具有较好的适应性,是现代水文工作中不可替代的基础性技术。
2 水文水资源工作应用GIS技术存在的主要问题
2.1 缺乏统一的GIS技术平台
当前水文水资源行业已经看到GIS技术的重要价值,并展开了GIS技术的应用工作,但是由于各自为战,导致GIS技术的开发平台多种,数据格式多样,没有完整的标准和规范,这个水文水资源信息交流和共享带来了极大的不便,影响GIS技术的进一步应用。
2.2 GIS技术与其他工作沟通不想
当前,GIS技术的应用工作多重视水文水资源数据的采集,没有利用GIS技术的优点展现与其他工作和领域的合作与沟通,导致GIS技术的交互性出现不足,特别是GIS技术数据与现有的水文模型不能有效契合,出现GIS技术的深层次优势没有得到发挥的问题。
2.3 GIS技术的动态效果有待于提高
GIS技术对水文现在的表述多属于静态描述和简化处理,这会产生GIS技术与实际之间的较大差异,进而会影响GIS技术动态模拟效果的真实性和有效性,出现GIS技术的表达障碍。
3 GIS技术在水文水资源领域的应用
3.1 水资源规划中应用GIS技术
水资源规划包括:水资源调查评价、需水预测、节约用水规划、水资源保护规划、供水预测、水资源配置、规划实施效果评价等内容。可通过GIS技术可以建立水资源计算与评价模型,根据具体实际情况进行评价,辅助进行水资源评价,以便做出水资源合理的规划。
3.2 水资源管理中应用GIS技术
水资源管理包括对水文基本信息、地形地貌、水文地质条件、河流水系、土壤植被、水利工程等多种不同类型要素的管理,GIS技术可以实现多元信息的叠加分析及空间数据和属性数据结合,为水资源管理提供基础信息的服务。
3.3 防洪抗旱中GIS技术的应用
通过GIS技术与GPS技术、RS技术的结合可以建立洪水预警和干旱预警的系统,对洪涝灾害和旱灾进行灾情评估、灾情预报和灾害风险分析,有利于控制灾害的风险,降低灾害的损失。
3.4 水资源政策制定中GIS技术的应用
GIS技术的应用可以丰富水资源政策制定中的数据基础和理论基础,有利于缩小理论和实践的差别,形成科学的决策支持系统,以大量的数据及相应的模型作为基础作为水资源政策的支撑,在数据的基础上通过GIS相关空间分析功能得到相应的结果,为水文水资源规划、评价及工程实施服务。
4 GIS技术在水文水资源应用的展望
4.1 GIS技术在建立水文地理空间数据库中的应用
水文地理空间数据库是今后水文水资源工作的重要基础,是GIS技术在水文水资源领域中应用的核心,数据库要保障实时查询则要求保持服务器端数据库与实时报汛数据库之间的通信,创建并存储洪水预报相关数据,进行更新、插值计算后得到最新信息,以便在水文水资源工作中得到有效地应用。
4.2 GIS技术与水文模型的融合
GIS技术的发展方向是与水文模型做到合理的契合,GIS技术应用于水文模型的数据处理过程,通过单指标空间分析和多图层加权叠加,模拟地下水运移规律和转化过程,实现水文水资源专业模型GIS技术的集成。
4.3 GIS技术的二次开发
水文水资源领域要重视GIS技术的二次开发,优化增加空间决策支持系统的功能,加强对水文动态变化过程进行模拟,为决策规划工作提供必要的服务。
5 结语
综上所述,GIS技术具有系统性和基础性的优点,在水文水环境领域有着重点的应用,在水资源管理、水资源保护、抗旱防涝、资源决策等方面,GIS技术可以提供重要的支持,应对GIS技术的基本概念和功能熟练掌握,立足于水文水环境的实际,解决GIS技术应用方面的难题,在把握GIS技术应用重点的同时,提高水利水环境工作的质量。此外,作为技术人员和从业者,应该对GIS技术的发展有所展望,要明确GIS技术与水文工作结合的关键,以期更好地促进水文水利工作取得新发展。
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1.1GIS技术在水资源规划与评价中的应用在常规水资源评价中,一般只重视评价区域水资源及其利用数量,而无法利用有效工具评价水资源空间分布变化。在这种情况下,严重影响区域水资源利用效率分析结果的可靠性。GIS具备空间数据管理和分析功能,将其应用到水资源评价中,不仅能够提供直观、理性的可视化工具,而且还能够准确、快速处理空间信息,存储、管理和分析水资源评价数据,为研究区域水资源利用的空间差异提供有效表达手段。同时,在水资源规划管理中,以GIS技术为依托搭建水资源规划管理平台,能够为水资源规划提供大量地形地貌、土壤植被、生态环境、气象水文、社会经济等方面的信息,满足水资源规划管理对空间信息的需求。此外,水资源规划管理平台,还能够在自动生成流域自然地理和社会要素地图的基础上,绘制流域水资源供需图、水污染分布图、供水影响图、灌溉规划图等,进而分析流域水资源蓄量、空间分布与人口分布的关系,为水资源规划提供高层次的决策依据。
1.2GIS技术在生态用水量计算中的应用所谓的生态用水量也被称之为生态需水量或是生态环境用水量,这是随着生态环境逐步恶化而出现的新概念,从广义的角度上讲,生态用水就是维持全球生态系统水分平衡所需要的实际水量,如河流、湿地等维持自身功能的需水量。生态用水是目前水文水资源领域中研究的重点课题之一,借助GIS集成生态环境调查结果及相关数据,可以为生态环境的评价、管控以及其它方面的应用研究提供详实、具体的资料。同时,通过地理信息系统获取各个地区不同的土地覆盖植被类型的面积,再结合生态用水量的计算模型,便可准确计算出生态用水量。
1.3GIS技术在防洪减灾中的应用防洪减灾是一项系统性较强的工作,其中主要包括对洪水风险特性的了解和认识、对水灾成灾机理的探讨以及对防洪减灾体系的完善等内容。GIS技术在防洪减灾中的应用体现在如下几个方面:①防洪决策支持系统。GIS在该系统中的应用有空间数据管理,如查询、检索、更新等,借助GIS的空间分析能力可以为防汛指挥决策提供决策支持,并为各种应用模型的构建提供数据支撑。②洪涝灾害风险分析。应用GIS技术可以将洪水的危险性和承灾体的易损性以及损失评估等几个方面的自然、地理、社会因子的相应权重进行空间叠加,这是分析洪涝风险及对其进行区划的有效手段之一。③防洪。GIS技术在城市防洪中主要有以下几个方面的应用:积水退水的预测预报、排水设施管理、暴雨分布的可视化显示、暴雨时空特征分析等等,这为城市防洪工作的有序进行提供了强有力的技术支撑。
2.GIS在水文水资源领域应用中的发展趋势展望
2.1GIS研发标准统一化当前,在GIS技术研发领域尚未建立统一的技术规范和标准,使得GIS开发平台和数据模式呈现出多样化的特征,缺乏对GIS技术在水文水资源领域研发的针对性。为有效解决这一问题,应当建立统一的GIS应用规范和研发标准,使GIS能够满足大范围内的水文信息交流,为构建水文水资源信息管理网络平台提供技术支撑。
2.2建立水文水资源地理空间数据库以GIS技术为依托,建设标准化、规范化的水文水资源地理空间数据库,如水旱灾情数据库、雨情数据库、水情数据库等。将流域内的水文水资源信息、生态环境信息、自然资源信息、社会经济情况等信息纳入到数据库中,并做好数据库的实时更新工作,始终保持数据信息的全面性和准确性,为水文水资源管理与决策提供依据。
[关键词]水文水资源 发展趋势 技术推广应用
中图分类号:TV7 38 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)34-0358-01
可持续发展已经成为当今时代的焦点话题,如何科学利用资源实现加速发展是世界面临的共同难题。水文水资源是重要的基础型资源,对于保障经济进步和社会和谐发展有着重要的支撑作用和保障价值。水文水资源技术是新时期信息技术、控制理论、生态科学、地理学等学科的综合统一体,对于保障社会生产和人民生活中科学利用水文水资源有着至关重要的价值,在生态恢复、环境保护、水系治理、水资源管理、抗旱排涝等重要工作有着不可替代的作用,是确保社会总体发展质量和发展速度的重要支撑。
一、我国水文水资源领域技术发展趋势和需求
1、在强烈的社会实践需求和现代科学技术发展的推动下,水文水资源的技术开发和研究将进一步深化,其研究领域和研究尺度不断扩大,技术方法的先进性将进一步提高,服务于水利和相关行业生产实践的能力将进一步提高。水文水资源领域科技发展的趋势是:
(1)水文信息的采集和监测能力将不断提高。通过正确配置监测站、采集站、雷达气象台,得到了很多关于地面的信息,大大提高对整体水文事件特别是极端水文事件的分析、监测和预警能力。
(2)大尺度以及环境变迁影响下水文研究工作的开展。不仅研究陆面地表水、土壤水和地下水量的转换机制,利用空中遥感技术,在空中信息、地面检测、空中遥感呼应的同时,也形成了客观、科学、准确、严密的信息采集系统。
(3)跨学科的综合和交叉。水文水资源与地球科学、计算机与信息系统、系统工程科学、社会学、经济学、生态学等的交叉性不断加强,将促进实现水源有效开发利用与经济高速增长和生态环境的协调发展。
(4)现代高新技术的广泛推广及应用。随着现代科学技术的迅猛发展,核技术、地球观测技术、信息技术、现代控制理论和方法等在水文水资源研究的各个领域中取得了很大的推广,使得水文水资源的研究方法出现突破性进展。
2、我国水文水资源的科技需求
我国经济社会快速发展、工业的进步和城市化进程使人民生活水平不断提高,但同时也使造成了水资源短缺、水环境污染和水旱灾害等问题,这些问题制约了国家经济社会的可持续发展。所以改善水资源的可持续利用,支持经济社会的可持续发展,是水文水资源科技研究的首要任务。结合水文水资源领域科技的发展趋势与科技状况,水文水资源领域的技术需求主要包括:
(1)在防洪抗旱减灾方面。洪涝、干旱、水环境监测(包括水雨情时空分布、地下水监测、土壤墒情生态条件等,可以利用对雷达测雨、卫星遥感、地理信息系统、同位素技术、信息技术等新技术、新途径和预测预报技术的推广应用,加强水文与气象耦合的水文预报技术研究,提高防汛抗旱能力,降低灾害。
(2)在水资源利用和管理方面。主要从两个方面实施:一方面是“开源”,利用非传统水资源技术,如流域洪水资源利用技术、城市雨水资源利用技术、雨洪回补地下水技术、污水资源利用以及海水淡化等应用和推广;另一方面是“节流”,开发和推广先进的节水灌溉技术、水资源水质水量监控技术,建设水资源实时监控与管理信息系统,以达到控制浪费的目的。
(3)在生态环境保护方面。增强对水资源的实时监测和预警技术,来保护水资源减少浪费;运用新一代卫星遥感技术对水体浊度、水环境、生态条件等水资源问题的监测,快速发现生态环境遭到影响的原因,并且做好处理。
(4)大型公用基础软件和信息共享平台建设。基础资料是进行所有创新性科学研究的根本和基础。所以促进信息共享平台的建设十分重要,通过共享来避免重复采集信息。对于水资源评价、监测等适用性、专业性都很强的区域,可以推广并管理一些专业的软件,包括水文监测分析、水资源评价、水资源调度、水资源管理等软件,这样就能充分利用软件与网络信息,提高水文资源的管理力度,从而提高水文水资源行业的水平。
二、水文水资源领域技术的推广应用
1、现代水文预报预测技术
现代水文预报预测技术的核心就在于提高水文预报预测的预见能力,从而从根本上解决水资源短缺、水环境污染和洪旱灾害。所以必须加强气象与水文相耦合的预报预测技术的开发和推广,并推进定量的气象数值预报预测产品在水文领域中的应用,以不断提高抗旱、防洪、水环境变化等各项预报能力;并加强对台风、水雨情、天气的预报预测工作。这些推广技术包括气象与水文相耦合的对降雨径流中长期的预报技术、结合定量的气象数值预报预测产品、基于新途径和新技术的水文预报预测技术、基于分布式水文模型和天气雷达测雨信息源的实时天气预报。
2、恶劣自然条件下水文测报技术
建设适应高山峡谷、高寒缺氧无人区自动水文测报站,需要研究和推广适应恶劣自然条件下的水文测报技术。近年来我国自然灾害频繁发生,迫切需要推广适用于重大自然灾害或突发水事件地区和环境恶劣、条件复杂下的水文应急监测自动测报装置,为调度决策部门的应急决策和指挥调度服务。
3、水文信息的监测、传输技术
能够准确及时的对水雨情和水质、旱情等状况进行监测预警的技术和设备,并且是具有较高的效率,操作简便,灵敏度高的技术进行推广,以满足社会经济可持续发展,实现抗旱防洪减灾目标的要求。这些推广技术包括水文信息的监测传感器、远程传输、信息采集、数据管理、处理和分析的技术与设备、地下水温度和水位等自动监测的技术与设备;河湖水质的在线自动监测的技术与设备,依靠卫星遥感信息进行大范围的土壤墒情的实时监测分析技术与设备等。
4、水资源的合理配置与调度技术
通过健全水资源流域的调整体系,相关技术及设施的推广,从而实现从单一的水利工程调度跨越到跨流域或全流域多水源(过境水、地下水、地表水)的统一配置和调度技术,以解决生态隐患、供水安全与防洪目标等。使水资源得到合理规划、科学的管理。这些推广技术包括了跨流域生态改善与应急输水监测技术、流域工程体系中多目标联合调控的技术、区域地下水的修复与保护技术研究、半干旱和干旱地区的地下水数值的模拟及其水资源的优化配置等。
结束语
水资源作为经济可持续发展的重要条件,是人类得以生存的基本条件。但是随着经济的快速发展,加上人们的不节制,导致现在水文水资源的可持续再生受到威胁。因此,必须对水文水资源技术的发展和应用予以高度地重视,要认清水文水资源技术在我国发展的实际。我国的水文水资源科研领域将会面对一个又一个的难题以及挑战,因此,在水资源开发与利用中,不能单纯的停留在经济开发与利用上,相关技术的发展要同实际的需求相适应,要从环境、生态价值等方面齐抓,这样才能推动水资源可持续发展,为全面小康社会的实现提供扎实的基础和技术性保障。
参考文献
[1] 杨连春.浅议我国水文水资源领域技术需求分析及推广应用[J].河南科技,2013,(12):215.
关键词:水文水资源;地理信息系统;应用优势;未来发展;对策
1 GIS在水文水资源中的应用
1.1 水文情报预报及防洪减灾
科学的发展使GIS技术在水资源领域得到了广泛运用,其对水文情报的预防工作有着准确预测的作用,从而减少灾害所带来的损失。GIS具有强大的数据整合能力,可为水文方面提供有用的预报。它可以快捷地获取信息,并对其进行提炼以及整合,数据也较为准确,这对水文预报工作有着非常大的帮助。水文模型的开发需要准确的数据,想要得到高质量的水文模型,同样需要借助GIS技术来确定其参数,从而有效提供水文信息的情报。GIS技术的发展和应用为水文情报预报提供了重要的辅助资料,对加速各方面技术的研究都有着良性影响。
GIS技术的广泛运用,对防洪减灾同样有着重要作用,主要体现在四个方面,分别为管理平台、评估灾情、对风险的分析以及城市防洪。首先在管理平台上,其能够快捷,准确地提供防洪信息以及各项参数。对其数据进行搜集与整合,为防洪计划提供理论支撑。数据的精准可以进一步使防洪工作有效开展。管理平台的构建,可以在有限的时间内对各种数据进行分析与研究,有效提高工作效率。GIS所提供的数据与参数更是使计划方案变得可视化的一种手段。其次,在评估灾情方面,GIS可以大力发挥其优势。对基础数据的收集,各项数据的整合是其优势所在,将这些空间数据进行多方面多层次的分析与管理,能够从根本上做出灾害防治的计划,使工作更加清晰明了,是灾情评估的有利辅助手段。
除了对洪水灾害的评估外,还要对灾害风险进行分析与区划。所谓的分析和区划主要是指通过对数据的计算,得出结果,从而对洪水发生的概率以及所达到的强度进行分析,并对这种强度所带来的损失进行预测,而这些数据的得出都需要利用GIS技术的支持。
1.2 水文资源空间管理和决策支持系统研究
通过GIS提供的数据可以说是水文决策要参考的重要条件,而水文资源空间管理和决策都离不开GIS。只有得到的数据不断更新完善,数值更加准确,做出的决策才会更为精准,也更加科学合理。建立水资源决策系统能够进一步提高水资源的管控能力,而依靠GIS这种科学的信息技术,是其进一步完善的有效手段。因此,完善新型决策系统,并将其充分利用,对于水资源的管理来说有着举足轻重的作用。
1.3 水环境管理
水环境管理是水文管理进一步提升的表现,其要求更高。对于这项工作来说,GIS技术的妥善利用则更为重要。GIS可以精确定位,并根据定位准确的特点捕捉到每个区域的水环境情况,从而对其进行监测,并综合其空间与时间的相关状况,变化趋势等等做出相应的预测。可以说,GIS发挥了非常重要的作用,可以利用系统内的多种信息模块对水环境进行管理,并做出相应的调整。
1.4 水污染控制规划
在水污染控制规划方面,GIS也发挥出了重要的作用。随着自然资源的不断流失,全球对资源的重视程度也在不断上升。资源、环境与人类的生活息息相关,与人类的健康息息相关,因此如何对待水资源的利用,解决好水污染问题非常关键。这也是现今人们十分关注的问题。水污染是水资源开发利用的巨大隐患,如何有效控制水污染极为重要。运用科学的方法做好水污染控制工作十分必要。水污染控制规划方案就是要对水资源的分布做出科学合理的设计,根据不同类别进行划分与设计,使其排污工作得到大力发展。将水污染控制在一定范围内,减少其对环境的危害与影响,发挥出最大功效。控制水污染工作主要包括:(1)在确定了规划的对象后,建立起具有针对性的数据库。(2)完善水污染控制规划模型,根据实际情况,充分利用管理系统。(3)计划内区域的水污染得到有效控制。
2 GIS在水文水资源中的应用展望
科学的进步带动了GIS技术的进一步发展,并使其得到了充分的运用,这是一个不断发展的过程,而今,在水文水资源方面,GIS更是发挥着举足轻重的效果。水资源信息管理水平得到了GIS的巨大辅助,并对现在的水文水资源的研究与发展提供着不小的助力。虽然,GIS在水文领域已经得到了充分的利用,但在快速发展的同时,一些问题油然而生。不同的单位对水文数据的设计与规划又存在较大差异,且这些单位之间缺少一定的沟通,这也给水资源数据模型的建构带来了巨大挑战。怎样将GIS技术的作用充分发挥出来,并能够因地制宜的得以应用,是目前的当务之急。
2.1 进一步规范GIS应用标准
GIS的开发利用通常是各科研部门独立进行的,虽然研究的部门相对独立,但对其技术的规范、标准却没有统一的要求,开发平台也多种多样,缺乏规范性。这种状况无疑为进一步开展水文信息交流,构建水文信息管理平台埋下了隐患。可以妥善借鉴国内外一些成功案列,总结经验,吸取其方法,拟定一份统一的规范化标准以推进GIS的应用。
2.2 建立水文水资源地理空间数据库
空间数据库是其根本也是其核心环节,因此做好对其规范化管理非常必要。比如,水情数据库,旱情数据库等,对这些水文水资源领域具有特色的地理空间数据库进行规范化建设,有着积极的意义。对于这些数据库不仅仅包含流域内的水资源信息,还需包含自然资源以及社会环境等基础信息,并做到实时更新,保证数据的准确有效以达到即时性的作用。
2.3 建立水文水资源空间决策支持系统
空间决策支持系统是最近几年来的新型信息系统,它巧妙地将常规决策支持系统与GIS有效结合,从而得到了崭新的科学的信息系统,并得到了广泛运用。此系统具有较好的发展前景,较大的发展空间,但想要将其开发利用则需要大量人力,物力以及经济上的支持,因此其具有一定的发展难度。因此,要将该系统有效推广,则需要先集中力量攻克重点环节,分步实施,待完善后再予以全面推广。
2.4 推进地理信息系统与水文水资源专业模型的融合
在当前的地理信息系统专业模型中,地理空间的分析与决策支持方面仍存在诸多问题,因此要充分利用GIS空间数据管理能力,从而实现其与水文水资源领域专业模型的有效融合,发挥出系统的功能与优势。
3 结束语
科学的日新月异带动了各行业技术的不断发展,信息时代的到来更是推动了各行业科学化的进程。水文水资源领域的不断开拓与研究同样推动了GIS的应用,而GIS的充分利用又对水文水资源领域的研究有着不小的助力。相信随着GIS技术的成熟,其在水文水资源领域的应用将会获得更大的发展空间。
参考文献
[1]李云,范子武,吴时强,等.大型行蓄洪区洪水演进数值模拟与三维可视化技术[J].水利学报,2005,36(10):158-164.
[2]徐元明.美国科罗拉多河决策支持系统概述[J].人民长江,1996,27(2):43-46.
【关键词】水文水资源;信息化;建设管理;地理信息系统;虚拟现实技术
引言
水文信息化建设管理体系的主要内容包括了覆盖水文系统的水利信息数据系统、健全的信息化的管理体制、完善的标准与规范等。有效地提高水文信息采集以及传输的时效性与自动化管理水平,能够为水文水资源更好地服务于社会经济创造有利条件。
1 我国水文水资源信息化建设管理的现状
水文水资源信息化建设管理工作最初起步在70年代末期,主要是通过引进与推广国外先进的通信、电子、计算机技术的应用实现。近些年来逐渐开始开发与应用遥测、遥感技术以及计算机网络等更为先进的科学技术手段,并且水文水资源信息化建设管理也已经在防汛抗旱与水利建设过程中发挥了明显作用。
1.1 水文信息资料的整编和存储
自从上个世纪70年展以来,水文水资源信息化系统已经开始全面运用了TQ―16型计算机技术、VAX小型机技术以及微机技术进行水文数据的整编与存储。现阶段,已经深入发展到了运用客户机/服务器的模式进行信息和数据处理工作,并且已经初步建成了水文水资源的数据信息库,研究开发了一大批信息服务以及洪水预报调度等软件技术系统。
1.2 水文信息遥测系统
我国很多地区已经全面建立水文水资源信息化建设管理中心,有效地实现了区域水文水资源的信息自动采集与传输,已经初步改变了国内比较传统水文水资源的观测途径与方法。
1.3 洪水预报及监督调度系统
在国内现阶段已经全面建成水情遥测系统,水情工作人员应用遥测技术,通过对计算机技术的控制,从而实现了从雨情水情的信息采集、传输、搜集、处理、监视一直到联机的洪水预报以及监督,真正提高了洪水的预报以及水库调度的科学化管理程度。
2 我国水文水资源信息化管理的基本功能
建设经济可循环发展型社会时,政府已经提出了:“信息化管理模式就是目前世界经济与社会发展的大方向与大趋势,同时其也是国内社会产业优化升级与实现工业化、科学化的重要环节,需要将有效推进国内群众经济与社会信息化管理放在首要的位置上”。该计划中已经明确地提出了国内已经“以信息化发展带动工业化发展,发展相应的后发优势,从而全面实现社会生产力的跨越式进步”的长远战略目标,为我国社会迎接全球的信息化建设管理浪潮的挑战指明了一条明路。建设与健全我国小康社会,水利工程就是最为重要的一项物质基础,同时水文水资源管理也是国家安全、社会稳定、经济有序发展的关键支撑与保障。
2.1 水文水资源的数据采集功能
使用遥感、数字摄影监测、全球定位技术、自动化水文站等工程设施,能够实时搜集水文水资源的水位、流量、流速、泥沙、水质、水土流失等信息与数据。数据的采集工作能够确保快捷准确,所搜集到的数据拥有其广泛性与现时性等基本特点。
2.2 水文水资源的数据传输功能
需要通过通信技术与网络等的建设系统,全面实现现代化信息数据的快速传输工作。
2.3 水文水资源数据的存储以及处理功能
通过对水文水资源的实际分布式数据库、空间数据仓库的建设,对目前海量的数据与信息进行存储处理,并且以其实际地理坐标作为参照系,最终全面实现水文水资源数据的存储。
2.4 水文水资源数据的存储模拟仿真功能
在基本性水文数据、实时搜集数据的前提下,采用数学模型以及虚拟现实等技术手段,从而实现了动态模拟其仿真流域的环境演变、水沙的运动过程、水利工程的运行等。
2.5 水文水资源数据的存储的决策支持功能
以内容较为全面的数据库作为依托,对相关的数学模拟方案结果进行全面优化与分析,从中选择更为优化的方案, 从而最终能够实现对防洪调度、水文水资源调度、环境保护等方面给予的决策性支持。
3 水文水资源信息化建设管理的基本思路
国内水文水资源信息化建设管理的基本目标就是:运用现代化的信息管理技术实现实时水文监控技术、计算机管理技术、通信数据技术、3S技术的结合,能够建设一个更为专用的广域网络系统,建立好运用信息数据库,开发与利用各类专业技术系统的监测功能,进一步确保提高其水文信息采集、搜集以及处理工作的时效性以及自动化水平,为后期的防汛抗旱决策以及水文水资源利用、开发、节约、保护以及优化配置工作提供更加科学的管理手段,为确保水利工程现代化提供有力的信息保障基础。
3.1 数据收集系统
数据收集技术系统是国内水文水资源信息化建设管理的基础。因此我们一定要紧紧抓住现阶段国家防汛指挥系统中建设管理的大好机遇,努力地按照国内现行“基层测站至国家防总中的信息传输时间小于30分钟”的明确要求,力争去进一步改变过去以往的水文测报形式以及运行模式。水资源的水位观测、雨量观测工作还要逐步采用自记远传水位计以及固态存储的遥测雨量计等方式进行观测。
3.2 数据、信息传输网络
全面建立一套依照我国公共网络作为基础的水文水资源数据信息传输网络,并且使自动搜集的水文水资源基础数据通过相关的端站与分中心,逐渐进入各个省的水文计算机网络中,需要严格确保数据与信息的可靠性、准确性、及时性以及唯一性。与此同时还应当全面满足对防汛指挥、水资源监管以及配置、水质与水土保持的监测等功能的基本要求。
3.3 数据存储、处理以及检索服务技术
我国的水文水资源信息一般是通过自动采集或者信息化的处理工作后,其信息与数据量将呈现为海量的,其存储功能主要依赖于其分布式存储系统之中,各种不同的信息数据库则均需要以字段编码形式并且按照一定的表结构有效组织在一起,最终形成了水文水资源信息数据系统。
3.4 洪水的预报决策支持技术
可以通过相关卫星获取到高质量影像与数据,配合遥感技术(RS)、地理信息技术(GIS)、全球定位技术(GPS)的公共平台,建立一套全面、科学的洪水预报信息自动分析、预报参数过滤系统、预报方案比较系统、专家经验整合参考系统、预报成果全面分析系统、洪涝灾害初步分析与预测系统、预报结果综合的输出以及检验分析系统,以确保能够真正提高洪水的预报精度与预见期。
3.5 枯水期的径流预报技术
现阶段,美国国家气象局已经组织和开发的“河流水情的预报与统计系统”,这项技术可以有效地提供了国内中长期(旬、月、季节)中的水文水情概率预报情况,能够比较好地帮助技术人员掌握和了解水资源的变化情况。因此我国应该积极借鉴国外的先进经验,努力、积极地开展国内枯水期径流的预报与研究工作,并且尽量将其作为现阶段水资源综合管理的核心内容进行建设。
4 结束语
信息化建设管理的主要涵义就是:水文水资源的信息以及知识越来越成为现代水利生产活动中的基本性资源与发展核心动力,信息数据与技术咨询服务业也越来越成为水利结构的基础性产业,其信息与智力工作对于水利增长的有力效果越来越大的过程。因此现阶段的水利建设管理工程就更加离不开现代化的科技技术,更离不开对于水文水资源工作的学习与研究。
参考文献:
[1]陈德华,秦毅苏,王昭.黄河流域地下水资源开发利用与潜力分析[J].地理学与国土研究,2009(02).
1“水文气象学”研究现状
在大气—陆地—海洋—大气这一水汽大循环中,水文学是研究水在陆地以及地—气和海—陆两个界面之间的发生、存在、运动和转化规律的科学,水文学的一些问题和气象学紧密相关,由此产生了水文气象学这一交叉学科。水文气象学是一门年轻的应用学科,它的产生和发展,与人类社会对干旱、洪涝等极端自然灾害的认知水平、抗御灾害的能力等密切相关。20世纪30年代,美国天气局成立水文气象处,从气象资料推算可能最大降水和可能最大洪水,以满足防洪建筑设计的需要,这是水文和气象相结合的开始[1]。随着气象雷达、气象卫星等探测技术的发展,降水监测的水平有了很大提高,为降水短时预报与洪水预报的结合创造了条件,使水文气象学得到了新的发展[2]。在欧洲和美国,目前在行政管理和学术研究中,水文和气象科学是结合在一起的(例如,日本、俄罗斯、乌克兰和英国都设有水文气象研究中心或研究院所,美国的国家海洋大气管理总署设有水文气象设计研究中心)[3];但是在学生的培养过程中,水文专业的学生仅学一点基本的气象知识(诸如普通气象学,天气学等),而气象类专业的学生是几乎不学水文的。水文和气象分离的现状阻碍了水文气象科学的发展。美国国家海洋大气管理总署(National Oceanic and Atmospheric Administration,简称NOAA)的有识之士,近年来一直在呼吁成立水文气象专业。在国内一些高等院校中,水文气象学课程是气象类本科专业的选修课程,但现有教学方法使一些学生学过这门课却不知道为什么学,所学知识也远落后于科学研究的发展,并且只有极少数的学生毕业后能够胜任水文气象方面的工作。然而,随着水文气象学的内涵和覆盖的领域不断地深化和发展,水文学的一些问题必须结合气象学的方法来解决。实际中,气象学专业的学生虽具有丰富的气象学知识却无法用其解决水文问题。这种现状对水文气象学的教学是一个亟待解决的重要问题。水文气象学主要为水资源以及与水资源密切相关的极端水文气象事件服务,随着气候变化与人类活动的加剧导致水资源日益短缺,极端水文气象事件越来越频发导致水资源在时间和空间的分布上变化加剧。可以预料,水文气象学科必将受到整个社会越来越高的重视。
2“水文气象学”课程体系研究
目前,水文气象学方面的研究受到高度重视。在本科教学中,通过改革教学内容和教学方法,抓住水文气象学的重点,使应用气象学学生尽可能掌握水文学的基本理论知识,培养学生运用气象学方法和水文学方法相结合去解决实际生产问题的能力。
2.1明确定位“水文气象学”,确定课程内容
“水文气象学”作为应用气象学专业本科生专业选修课,其课程体系的基本定位是多学科交叉,不求在基本理论及基础知识上精益求精,而是直接面向实际问题,深入到水文气象方面的具体问题,以问题带动教学,以兴趣带动知识学习,以案例引发思索,在一个个具体的水文气象问题中提升学生。在明确定位的基础上,将此课程内容按照水文气象学的基本定义和内容,基本的水文气象预报、预警方法和技术,建成课程教学体系。
2.2采用科研驱动式教学,建设主动、启发式学习的教学方法
应用气象学专业学生没有水文学知识的基础,所以需要有一套适合本课程并卓有成效的教学方法。在基础知识方面要补充水文学的知识,水文学是比较抽象的,比如地下水储存及运动形式,可以借助网络技术、多媒体技术为辅助手段,增强感性认识,提高教学质量,这就要求做好协调传统教学手段和现代教育技术的应用,并做好与课程的整合。在基本理论和技能层面不应拘泥于课本知识,从主讲教师参加的专题研究项目和社会比较关注的水文气象事件增加前沿信息,并通过分析和关键问题的延展式探讨,启发学生思索和了解水文气象问题的实质及其发展方向,让学生了解为什么气象和水文相结合往往有助于更好地解决一些工程建设和实际生产课题,启发学生如何运用气象学方法更好的解决水文学问题,使学生摆脱教材的束缚,积极主动地查阅文献,刺激学生的求知欲与探索欲,达到训练思维的目的,培养学生初步的科研能力。
2.3开展综合能力训练
课程教学既要强调基本理论、基本知识的传授,同时更应注重学生的实践能力的培养。“水文气象学”的课程性质要求本课程要开展综合能力训练,强调水文与气象直接的结合。目前,将气象预报与水文预报相结合是延长洪水预报预见期,提高预报精度的技术手段之一。陈金荣等[4]从长江流域防洪的丰富实践中对水文气象预报进行了精辟而深刻的论述,指出气象预报同水文预报结合的必要性,是水文预报发展的必然趋势。国内外一些水文气象预报方面的研究[5]也表明水文气象预报具有很大的发展空间和广泛的应用潜力。针对这种情况,对学生进行水文气象预报方面的训练。这一阶段主要是结合“水文气象因素分析”、“水循环分析”、“水流河道演算”等本课程的基础知识,同时结合主讲教师专题项目培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。针对这种情况,在本课程的中后期安排两次训练:一是让学生以报告形式讲述他们所理解的水文气象学,他们所关注的水文气象学问题,及如何将气象学方法、理念引入水文工作等;二是结合专题项目,如:在2007级“水文气象学”教学中,本人结合“淮河流域水文气象耦合方法洪水预报研究”将训练过程分为三部分:(1)用水文气象学方法对洪水进行预报需要收集哪些资料,进行洪水预报必须要哪些参数,这些参数与哪些因素有关,如何计算;(2)目前有哪些模型进行洪水预报,各有哪些优缺点;(3)分析淮河流域特点,哪个模型比较适合,并进行成果计算,进行讨论并写总结报告。通过这些训练可以巩固学生的基本知识,引导学生提出解决水文气象问题的有效方案和建议,提高解决问题的能力。