水資源綜合管理決策支持系統開發及應用

通信作者：鐘平安,教授。E-mail:pazhong@hhu.edu.cn

水資源綜合管理決策支持系統開發及應用

馬彪,鐘平安,萬新宇,曹明霖,閆堃,張宇

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098)

摘要：通過標準化建模、水資源規劃與實時管理一體化設計、兩層與三層供水體系一體化處理、區域或流域水資源配置模式選擇等技術實現系統的通用性;圍繞水資源配置的基本問題,采取問題導向型設計,保障系統的多功能性;基于水資源系統基本元素、模型結構與計算碼、拓撲關系分離,提升系統的可擴充性;通過友好型界面設計、便捷化操作、可視化配置、情景模擬等技術研發實現系統的實用性。將開發的水資源決策支持系統運用在江蘇沿海圍墾區水資源綜合管理中，結果表明系統實用、可靠,應用效果較好。

關鍵詞：水資源綜合管理;決策支持系統;通用性;多功能性;可擴充性;實用性

作者簡介：馬彪(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為水資源規劃與管理。E-mail:1152069343@qq.com

中圖分類號：TV213.9

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0096-06

Abstract：Universality was achieved through standardization modeling,water resource planning and real-time management integration design,two and three layer water supply system design,regional or basin water resource allocation mode choice; versatility was guaranteed by focusing on the basic problem of water resources allocation and taking the problem-oriented design; scalability was improved,which was based on the basic elements of water resource system,model structure and computation code and the separation of topological relationship; practicality was realized through the design of friendly interface,convenient operation,visual configuration,scenario simulation and other technology. The application in the comprehensive management of water resources in Jiangsu coastal reclamation area showed that the system was practical,reliable and had good application effect.

收稿日期：(2014-11-28編輯：徐娟)

Development and application of decision support system for

integrated water resource management

MA Biao,ZHONG Pingan,WAN Xinyu,CAO Minglin,YAN Kun,ZHANG Yu

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Key words： integrated water resource management; decision support system; universality; versatility; scalability; practicability

水資源配置與調度是一個多區域、多水源、多用戶、多目標的復雜系統問題,傳統的水資源管理方法難以解決這種半結構化、非結構化問題,綜合運用水資源管理技術、數據庫管理技術、地理信息系統技術、計算機模擬及優化技術等現代化技術的決策支持系統成為很好的解決途徑。決策支持系統由Fedra[1]首次引入水資源管理,之后，在國外該領域得到廣泛應用和發展,如意大利Cagliari大學開發了可用于解決干旱、半干旱地區水量預測與調度的WARGI系統[2],Karjalainen等[3]開發了可用于評價河流生態和水文環境的River Life DSS;在流域水資源綜合管理方面,瑞典的WEAP系統、西班牙的AQUA-Tool系統等都是優秀的代表。我國水資源決策支持系統的研究起步較晚,但發展較快,取得了一定的成果,鐘平安等[4]開發了流域水資源配置情景共享模擬系統,蓋迎春等[5]探討了黑河流域中游水資源管理決策支持系統的設計與實現。隨著計算機、GIS、人工智能等技術的發展,許多學者不斷將新技術引入水資源決策支持系統,鐘平安等[6-7]研究了B/S模式、WebGIS等在水資源決策支持系統中的應用,取得了較好的研究成果。

然而現有水資源決策支持系統通用性和可擴充性差,缺乏靈活性,對解決不同區域、不同目標的水資源管理問題的適應性差,難以擴充和移植,因此實用性也大打折扣。針對上述問題,本文研究并開發了通用性和可擴充性好,靈活性和適應性強,功能多樣、易于移植和擴充的開放性、實用性水資源綜合管理決策支持系統,為水資源管理工作提供技術支撐。

1系統總體結構

1.1基本思路

1.1.1系統設計原則

圖1　決策支持系統結構框架

首先,系統在設計時以面向問題原則為導向,保證系統是針對水資源綜合管理問題而建立的,系統應具有較好的實用性;其次,注重專家知識與計算機相結合,前者解決半結構化、非結構化問題,后者解決結構化定量計算問題;第三,注重系統的通用性、多功能性、可擴充性。

1.1.2工作模式與模型選擇

水資源系統是半結構化、非結構化復雜系統,涉及因素眾多,部分因素可通過數學模型定量描述,另一部分因素只能通過決策者的經驗與智慧進行定性分析與判斷,決策過程是一個多方參與、不斷反饋、不斷修正的交互過程。純數學優化有時并不能得出能被普遍接受的結果,難以適應復雜的水資源系統以及以“溝通和協調”[8]為主題的水資源管理發展趨勢。故本系統采用既能反映水資源系統物理本質,又能兼顧專家決策經驗和決策者利益訴求的交互式模擬仿真模型,同時局部采用優化技術輔助計算。

1.1.3技術選擇

本系統以水資源規劃與管理專業知識為基礎支撐,綜合運用GIS、數據庫管理、信息管理、面向問題程序設計、模擬仿真與優化、情景交互分析、可視化建模、系統集成等技術,保障所開發系統的通用性、多功能性、可擴充性和實用性。

1.2框架結構

系統分為用戶層、應用服務層、業務支撐層、數據資源層和基礎平臺層5個層次,采用通用接口進行聯接,系統用戶界面與核心部件相對獨立,軟件結構體系追求“高內聚,低耦合”,以達到數據、方法、模塊之間的相對獨立,增加系統的靈活性,便于系統擴充和升級,保持用戶交互的友好性。決策支持系統框架結構見圖1。

2系統設計特點

2.1通用性設計

通過分析水資源綜合管理的技術需求,保證系統的廣泛適應性,本系統從以下幾個方面予以考慮。

2.1.1標準化建模

為了使所構建的水資源綜合管理系統能適應不同地區、不同情景要求,對數據庫表結構設計、元素概化及編碼等按照行業規范和標準進行設計,將龐大而復雜的水資源系統概化分解為水資源區、行政區、計算單元、水源、河流、用戶、控制節點等7類基本元素。采用數據驅動、可視化配置建模方式,利用拓撲關系組合不同元素和功能模塊,做到規劃統一、標準統一、結構統一、接口統一,使軟件結構和功能標準化、通用化,能適用于不同地區、不同情景要求下的水資源管理問題。

圖3　兩層、三層供水體系歸一化處理示意圖

2.1.2規劃與管理一體化設計

系統采取水資源規劃與實時管理一體化設計,既可以作宏觀的水資源規劃,又可以作微觀的水資源實時管理。決策者根據實際需要,通過友好的操作界面選擇計算模式。計算模式選擇界面見圖2。從模型庫和方法庫中選擇所需的計算模型和計算方法,如作宏觀規劃時,可選擇長系列法或典型年法進行分析計算,而當處于水資源實時管理工作模式時,系統提供多種中長期徑流預測和需水預測方法供決策者選擇。

圖2　計算模式選擇界面

2.1.3兩層與三層供水體系設計

傳統水資源綜合管理系統大多在原水水源與用戶之間建立供需關系,本文稱為兩層供水體系,但對于城市水資源管理系統常常需要考慮原水水源-自來水廠-用戶三者之間的供需平衡,本文稱之為三層供水體系。對于三層供水體系,水廠在水資源系統中既是水源(給用戶供水),又是用戶(從原水水源取水),所以當考慮水廠的調節作用時,水資源配置系統是一個原水水源-用戶(兩層)、原水水源-水廠-用戶(三層)供水體系并存的復雜系統。本文所采取的處理方法如圖3所示:首先將由水廠供水的用戶需水根據該用戶供水水源的供水能力大小打包給水廠,如圖3中的用戶2根據水廠1和原水水源2面臨時段的供水能力占二者總供水能力的比例將自身需水打包分配給水廠1和原水水源2,這樣水廠就變成有用水需求的用戶,整個系統統一為原水水源-用戶兩層供水體系;然后根據水量分配原則,按照原水水源-水廠/用戶、水廠-用戶的順序將水量解耦、分配給用戶。這樣,兩層、三層供水體系就被統一到本系統中去。

2.1.4區域或流域水資源配置

計算單元的劃分采取水資源區套行政區的劃分方式,既有利于算清水賬,保持河流、水系的內在聯系,又有利于社會經濟資料的收集。水資源區、行政區、計算單元、河流、水源、用戶、控制節點之間通過拓撲關系相互聯系,計算和分析結果在7類基本元素的屬性中均有存儲,可實現對行政區和水資源區水資源配置與調度狀況進行全面的分析統計,并通過交互友好的操作界面展示給決策者,輔助決策者進行決策。

2.2多功能性設計

系統的多功能性體現在兩個方面:①工作模式多樣。設計系統既可進行區域的水資源配置,又可開展流域的水資源配置；既可以作長期水資源規劃,又可以進行短期水資源實時管理。②系統功能模塊完善。軟件系統包括系統建模與可視化配置子系統、信息查詢子系統、數據維護與管理子系統、需水預測與需水管理子系統、水資源配置子系統、方案評價子系統、情景模擬與交互會商子系統,系統體系結構和主要功能見圖4。

圖4　系統體系結構和主要功能示意圖

2.3可擴充性設計

本系統良好的可擴充性體現在兩個方面:①軟件結構體系和功能模塊具有良好的可擴充性。采用“信息隱藏”、“高內聚,低耦合”等軟件結構設計原則:即隱藏、封裝系統功能模塊的數據結構、算法、實現體等模塊內部特征信息,增加模塊內部元素間的聚合程度,減少模塊間的相互干擾,提高系統功能模塊的靈活性和獨立性;系統操作界面與核心部件相對獨立,數據存儲與管理、子系統間數據交換與數據通信統一由數據庫系統完成,降低系統耦合度,減少模塊間的依賴性,便于擴充和升級;②水資源系統具有良好的可擴充性。采取標準化建模方式,復雜的水資源系統被概化分解為按照行業規范進行編碼的7類基本元素,由拓撲關系相互連接。按照邏輯結構對控制節點編制計算碼,計算碼獨立于7類基本元素和模型結構,并作為系統調節計算的控制主線,即先按計算碼逐節點進行節點水量平衡計算,再判斷節點是否為水源入流節點,若是,查找該水源并進行水源來水計算,然后通過拓撲關系查找該水源所供給的用戶,進行供需平衡計算,依次計算下去,直至最后一個節點。系統調節計算流程見圖5。故如需修改、擴充水資源管理決策支持系統,只需按照既定規則修改或追加系統元素,然后修改、配置拓撲關系即可。

圖5　系統調節計算流程

2.4實用性設計

2.4.1問題導向型設計

系統采用問題導向型設計策略,緊密結合水資源管理的技術需求和物理本質,突出研究區的問題描述,有針對性地進行分析計算,即所開發的水資源決策支持系統必須能夠回答和解決研究區的水源組成、水量多少、水資源時空分布和演變趨勢、研究區用水結構、需水量及其時空分布等問題,并能根據產業發展布局及規劃、水源工程布局及規劃等解決研究區的水資源配置問題,若有缺水,如何通過增加供水(擴大工程能力、外調水、非常規水等)、節約用水等措施彌補用水缺口等,這些都是系統所必須面對和回答的問題,也是系統功能模塊的重心所在。

2.4.2友好型設計

友好型界面和便捷的操作設計能顯著提高軟件的可操作性,提高決策效率,系統在設計時堅持這一理念,具體體現在以下幾個方面:①友好型操作界面。系統采用結構化、模塊化設計,模塊間結構緊湊,美觀大方,數據信息、分析計算結果圖文并茂,功能菜單及工具欄新穎獨特、快捷方便。②操作簡單。水資源系統的復雜性制約了軟件的可操作性,決策者并非都是業務專家,所開發的決策支持系統應保證專業人員與非專業人員都能夠熟練操作,系統在設計時盡可能將專業模型結構打包封裝,使操作簡捷化。③可視化配置。嵌入組件式GIS部件,提高軟件系統的空間分析能力和可視化程度,元素樹狀組織結構輔以計算機圖形圖像技術,實現系統拓撲關系可視化配置。可視化建模與配置應用示例見圖6。

圖6　可視化建模與配置應用示例

2.4.3情景模擬與交互會商

在實際工作中,水資源開發與管理目標呈現多樣化,水資源利用與環境保護間的矛盾、不同地區間的用水競爭、不同利益團體間的用水矛盾等交錯在一起,“純優化”技術已很難適應這一形勢,更多情況下的水資源管理是利益訴求者之間“溝通和協調”的結果。為適應這一形勢,本系統設計了情景模擬與交互會商模塊,主要功能如下:① 跟蹤分析。系統可對計算單元、水源、用戶、控制節點等重點對象實施跟蹤分析,如來水分析、需水分析、供水分析、水源組成及合理性檢驗等。② 二次分析。改變模型的約束條件、初始條件和邊界條件,調整對模型起重要影響的參數(如拓撲關系修改、會商因子調整等)和計算原則,在零方案的基礎上調整模型結構和部件,選擇分析模型和計算方法,重新生成配置情景進行方案二次分析。③ 情景模擬仿真。決策者可通過設置模型參數(如工程能力、工程布局、來水大小及水源組成等)、調整模型結構和部件等,模擬某種情景,如遭遇特殊干旱年份下的情景、發生突發性水污染下的情景等,開展分析,制定應急調度方案。

3實例應用

根據2009—2020年《江蘇沿海灘涂圍墾開發規劃》,至2020年江蘇沿海灘涂將新增圍墾面積18萬hm2,屆時新增圍墾區的水資源保障將成為沿海圍墾區發展面臨的首要問題。筆者將所開發的水資源綜合管理決策支持系統應用到江蘇沿海圍墾區,其系統主界面如圖7所示。系統既可以開展江蘇沿海圍墾區水資源中長期規劃,又可用于圍墾區水資源實時管理,其先進性、完整性、多功能性、實用性及友好型設計保障系統實用、可靠,顯著改善和提高了沿海圍墾區水資源管理工作的效率和科學化決策水平,為沿海圍墾區水資源保障提供了技術支撐,應用效果較好。

4結語

針對水資源規劃與管理過程中的特點,開展了水資源綜合管理決策支持系統的研究及開發應用,提出了系統的基本思路和結構框架,重點論述了系統的通用性設計、多功能性設計、可擴充性設計和實用性設計。其主要特色有:

圖7　江蘇沿海水資源綜合管理決策支持系統主界面

a. 系統采取標準化建模,7類基本元素和模型結構相互獨立,由計算碼和拓撲關系控制和連接,保障了系統的可擴充性;

b. 系統圍繞水資源配置的基本問題,采取問題導向型設計,功能全面;

c. 提出水資源規劃與實時管理一體化設計、兩層與三層供水體系一體化處理、區域或流域水資源配置模式選擇等技術,保障了系統的通用性;

d. 通過友好型界面設計、便捷化操作、可視化配置、情景模擬與交互會商等技術研發,使系統實用、可靠。

參考文獻：

[1] FEDRA K.Interactive water quality simulation in a regional framework: a management oriented approach to lake and watershed modeling[J].Ecological Modelling,1984,21(4): 209-232.

[2] SECHI G M,SULIS.Water system management through a mixed optimization-simulation approach[J].Journal of Water Resources Planning and Management,2009,135(3): 160-170.

[3] KARJALAINEN S M,HEIKKINENO K.The river life project and implementation of the water framework directive[J].Environmental Science & Policy,2005,8(3): 263-265.

[4] 鐘平安,余麗華,鄒長國,等.流域水資源配置情景共享模擬系統研究[J].河海大學學報:自然科學版,2006,34(3): 247-250.(ZHONG Ping’an,YU Lihua,ZOU Changguo,et al.Vision-shared modeling system for river basin water resources allocation[J].Journal of Hohai University: Natural Sciences,2006,34(3): 247-250.(in Chinese))

[5] 蓋迎春,李新.黑河流域中游水資源管理決策支持系統設計與實現[J].冰川凍土,2011,33(1): 190-196.(GAI Yingchun,LI Xin.Design and implementation of water resources management and decision support system in the middle reaches of Heihe River[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2011,33(1): 190-196.(in Chinese))

[6] 鐘平安,吳善鋒,余麗華.基于B/S模式的區域水資源合理配置系統設計與開發[J].水文,2006,26(2): 22-25.(ZHONG Ping’an,WU Shanfeng,YU Lihua.Research on a reasonable allocation system of local water resources based on browser/server mode[J].Journal of China Hydrology,2006,26(2): 22-25.(in Chinese))

[7] 吳善鋒.基于B/S模式區域水資源合理配置系統研究[D].南京:河海大學,2006.

[8] 朱元甡.水資源開發與管理的時代特性[J].科技導報，2002(12): 55-59.(ZHU Yuanshen.A new era for water resource development and management[J].Science & Technology Review,2002(12):55-59.(in Chinese))

·簡訊·

第三屆大壩長效特性及環保修復技術

國際研討會將在河海大學召開

由河海大學、南京水利科學研究院等單位主辦的第三屆大壩長效特性和環保修復技術國際研討會(LTBD2015)將于2015年10月17—19日在河海大學召開。屆時將就土石壩、混凝土壩的設計計算理論和方法、長期運行特性、環保修復技術等方面的問題，進行廣泛的交流探討。會議主要議題有： 大壩設計及分析方法，大壩監測及監控技術，筑壩材料的時間依存性及其本構模型，大壩內部侵蝕與接觸問題，壩基與壩體結構相互作用，大壩地震計算分析， 大壩安全評價，水電工程環境保護，大壩運行及維護，大壩環保修復技術。

(本刊編輯部供稿)