基于GIS的兩江新區健康水系統決策支持系統構建研究與實現

鄧仕虎，王小勇，朱俊豐1，，馮琳耀

(1.重慶市地理信息中心，重慶 401121； 2.重慶知行地理信息咨詢服務有限公司，重慶 401121)

基于GIS的兩江新區健康水系統決策支持系統構建研究與實現

鄧仕虎1，2*，王小勇2，朱俊豐1，2，馮琳耀2

(1.重慶市地理信息中心，重慶 401121； 2.重慶知行地理信息咨詢服務有限公司，重慶 401121)

由于城市規劃、建設對城市水環境約束考慮不足，水體污染得不到有效控制。為了能夠系統、全面、快速地對城市健康水系統進行模擬及決策，本文以兩江新區為研究區域，基于GIS技術建立了兩江新區健康水系統構建決策支持系統，對海量水系數據進行集成管理，圍繞自然水循環和社會水循環過程，集成了水文響應模型、水體環境模型以及健康度評價模型，研究了不同城市發展情景下水環境演變趨勢，為兩江新區健康水系統的構建提供決策支持。

兩江新區；水環境；健康水系；決策支持系統

1 引 言

目前，全國水資源利用量逐年上升，2011年達到 6 107億m3，全國污廢水排放量逐年上升，2011年達到652億m3[1]。當前我國水環境問題已日趨凸顯，防洪安全、內澇安全缺乏保障，水資源的緊缺與用水的浪費并存，水土資源過度開發造成對生態環境的破壞，水環境惡化和水質污染迅速擴展。重慶兩江新區作為全國第四個國家級開發區近年來水環境日趨惡化[2，3]，主要表現在：①重慶主城最近33年建設用地增長了500多平方千米，導致硬化下墊面快速增加，河流湖庫面積下降了22.1%，林草地面積下降了18.9%，是產生主城水環境惡化的重要原因之一；②重慶主城河流湖庫水面率下降22.17%，其中河流面積減少了12%(26 km2)，湖庫面積減少了58%(42 km2)；③多數小流域城市化后，其河流分支比、河網密度、河流發育系數、河流蜿蜒度、水面率受到人為干擾明顯，徑流調節作用減弱，人為加劇了城市的水環境問題；④在城市功能主導下的用地布局沒有重視水環境功能與容量的約束，部分小流域土地利用強度過大，超過水環境承載程度；⑤河源高強度開發與主城不透水面積的增大，進一步導致徑流污染效應、徑流峰值效應等徑流綜合效應。

探索快速城市化因素對區域城市水循環的影響機制和兩江新區城市水系統健康評價體系，構建基于水循環過程信息化的兩江新區城市健康水系統決策支持系統，為實現兩江新區城市水體水質改善、城市健康水系統構建提供支持，是提升兩江新區水系統規劃建設與運行管理技術水平重要手段。

2 國內外研究進展

國外對城市水循環過程信息化研究大致分為三個階段。①應用起步期(1970s)：主要對水循環過程信息的統計與顯示；②初步發展期(1980 s～1990s)：主要研究基于數字高程模型的匯水流域分析，開發不同類型的水文單元，開展不同下墊面的降雨入滲過程研究；③快速發展期(1990 s～)：利用水循環過程信息耦合不同的水文模型，形成各種不同目標的水循環過程地理信息系統。國內在20世紀90年代開始陸續開展有關地理信息系統在水資源領域應用的研究。最初主要是一些有關國外地理信息系統在水資源領域應用情況的介紹，之后開始進行有關專門為水資源管理服務的地理信息系統開發和研制工作，同時地理信息系統在水資源環境領域應用的嘗試和范圍也不斷擴大。國內不少城市基于地理信息系統建立了城市排水管網信息系統或城市洪澇風險評估預警系統，但是缺少社會水系統與自然水系統相互作用關系的水循環過程信息化系統[4～7]。

目前，但是缺少社會水系統與自然水系統相互作用關系的水循環過程信息化系統，雖然分別針對水資源利用與節制用水、污水再生回用及污泥綜合利用、雨水水文循環修復等技術開展了大量研究，鮮見城市流域健康水系統跨流域綜合技術研究的報道，還沒有開展基于水循環過程信息化的城市健康水系統決策支持系統的研究[8～10]。

3 健康水系統決策支持系統框架研究

3.1 決策支持系統邏輯框架

本系統建立一個以重慶兩江新區自然循環和社會水循環為基礎，以水系統信息的采集和輸入、編輯與更新、存儲與管理、查詢與分析為基本功能，實現不同流域的動態用地類型、水環境功能設置、水環境容量計算以及水量平衡核算，在現有水環境健康綜合評估方法體系的基礎上，構建兩江新區水系統的健康評價子系統，利用GIS技術進行分布式水質水量模型對兩江新區自然河流湖庫水系、城市社會水系統進行聯合分析的基礎上，確定不同城市發展情景、不同流域水系調水方案條件下水環境演變趨勢，以期構建兩江新區健康水系統決策支持系統，為兩江新區健康水系統技術方案提供基礎數據、模型運算及決策支持。根據系統所要具備的項目技術內容，將系統分成5大子系統，如圖1所示。

圖1 決策支持平臺的模塊及其關系

(1)兩江新區水系空間信息管理子系統

本子系統提供了對兩江新區自然水系統、社會水系統的空間屬性數據庫進行添加、查詢、編輯輸出的功能，能夠實施靈活高效的圖庫管理和方便的數據轉換，是一個功能較強的水系統地理空間信息管理系統。

(2)兩江新區水環境健康評價子系統

本子系統基于水環境健康評價指標、技術、方法體系，健康度評價模型構建的基礎上，提供了對兩江新區水系統健康評價運算、顯示、輸出的功能。

(3)兩江新區分布式水質水量聯合分析子系統

本子系統基于兩江新區水循環過程信息管理系統的空間屬性數據庫，構建水力、水質、水量等不同類型的分布式聯合分析模型，實現不同流域的用地類型、水環境狀況、水環境容量計算以及水量平衡核算，為水環境健康評價子系統、水環境演變趨勢模擬子系統提供計算模型支持。

(4)兩江新區不同城市發展情景下水環境演變趨勢模擬子系統

本子系統基于兩江新區不同城市發展階段的空間數據，通過分布式水質水量聯合分析子系統對時空尺度的水環境系統狀況進行模擬計算，實現兩江新區水環境演變歷史回溯及不同發展情景的趨勢預測。

(5)兩江新區健康水系統決策方案構建支持系統

根據兩江新區水系統自然循環、社會循環的調研結果，基于水環境健康評價模型、分布式水質水量聯合模型，結合兩江新區的城市發展情景模式，提供兩江新區健康水系統的決策支持，為兩江新區健康水系統技術方案提供基礎數據、模型運算，為提升和保障兩江新區環境功能提供系統支撐。

3.2 決策支持系統軟件總體架構

為了保障系統的各個子系統相互可獨立運行，減少水環境模型之間的依賴，本系統總體上采用分層的架構模式，每層之間采用組件模式。系統總體架構模式如圖2所示，有設施層的服務器、網絡、計算機等設備設施；數據層的基礎數據庫、專題數據庫和模型結果數據庫；數據中間件是為模型運行提供數據轉換功能，既提供模型運行所需的數據，也保存模型結果到數據庫中；模型層有流域水文模型、水體環境模型和水體健康度評價模型；表現層有信息管理系統、水質水量聯合分析子系統、健康度評價系統、水環境演變趨勢模擬子系統和健康水系統決策方案構建子系統。

(1)設施層

水環境模型的運行時間長、計算量大、需求的數據量大，因此提供的基礎層須提供是普通PC機100倍以上的運行效率的高性能服務器，提供24×7小時的不間斷運行，保障模型運行的穩定性，提供強大的數據庫。

(2)數據層

兩江新區水系數據庫：存儲兩江新區的水系及其相關數據，針對流域水文模型、水體環境模型和健康度評價模型的輸入輸出數據，主要包括基礎數據、矢量數據、專題數據、模型標準數據庫、輸出結果等數據。通過數據中間件與模型進行交互，提供模型的輸入數據，存儲模型的結果數據。

(3)數據中間件

提供模型層之間連接，建立便捷的通信機制，為各個模型提供輸入輸出功能，并控制模型的運行。中間件有不更改現有模型而擴展模型的功能特點，可簡化模型的集成開發，降低開發難度和費用，增加模型應用的生命力。

(4)模型層

模型層提供模型的運行環境，保障模型按照預定的順序執行，調用數據中間件，為模型提供輸入數據，轉換輸出數據，為下一個模型提供輸入數據，并把各個模型運行結果解析給數據中間件。

(5)表現層

表現層分別對應的水循環過程空間信息管理子系統、城市水系統健康評價子系統、分布式水質水量聯合分析子系統、水環境演變趨勢模擬子系統、決策方案構建支持系統。

圖2 決策支持平臺總體架構

3.3 系統構建關鍵技術

2018年，將要過去。對于2019年，我們可以肯定地說一句預測，那就是2019年肯定會比2018年好過，這一點，大家不要用慣性思維或者大眾思維去思考股市，就像很多人在2017年底以為2018年會好過一樣，大家也不要覺得2019年會像2018年一樣繼續難過。

(1)二三維一體化水環境管理技術

利用地理信息大數據技術，整合了地形、遙感影像、土壤、三維地形、氣象、現狀土地利用，7種城市發展情景土地利用等基礎數據，流域、河流、降水數據、水質監測、社會經濟指標、給水廠、污水處理廠、示范工程等自然與社會水數據，海量高精度的網格數據，形成了三大類，22項的大數據水系統信息，網格數量達到450萬，且考慮網格水流拓撲關系，其網絡化徑流計算呈指數化增長，總數據量達到 40 GB，最后構建了城市水系統復雜、多樣、海量的城市水系統管理系統。

(2)構建高精度地、覆蓋全域系統性地水質水量聯合分析模型

水質水量聯合分析模型是分布式模型，要對研究區域進行網格剖分，利用地形水流方向，形成網絡化的徑流路徑，實現徑流流量和污染物濃度匯流演算，采用隱式差分格式離散對一維水力水質模型控制方程進行離散，模擬河流水量流動，污染物流動、擴散與衰減。在進行區域網格剖分時，可以選擇 5 m、10 m、20 m網格單位，形成高精度的網格，網格數量可達到千萬級別，在考慮徑流關系計算過程，其計算空間復雜性非常高，通過耦合水文響應模型和水體環境模型，全域覆蓋研究區域的“陸地、水體”，在演算過程同時進行徑流流量和污染物匯流演算，一次運行，得到水量水質結果。

4 系統實現與成果應用

基于健康水系統決策支持系統建設框架，本文采用C#語言和Oracle數據庫，利用ArcGIS Engine10.0二次開發進行了系統建設，實現了對兩江新區健康水系統的數據進行可視化管理，構建了集水文響應模型、水體環境模型、水體健康度評價模型為一體的綜合水質水量分析體系，根據兩江新區現勢數據及發展狀況，本文建立了現狀情景、底限情景、理想情景、規劃情景共四種發展模式，對不同發展情景下自然水與社會水循環過程進行模擬、趨勢分析與對比，為兩江新區健康水構建提供了決策支持。

4.1 系統實現

建立涉及兩江新區水循環過程信息的綜合數據庫，搭建海量數據可視化管理平臺，數據包括地形、遙感影像、氣象土壤、土地利用等基礎數據(如圖3(a)所示)，流域、河流湖庫基礎資料、水質監測、社會水系統等水系統空間及屬性數據，為健康水系統構建提供數據基礎。實現了對海量數據的便捷管理，提供了查詢、編輯等豐富的管理工具。利用地理信息二三維一體化技術，進行水系統格局的多層次、多角度、高精度的全面展示呈現(如圖3(b)所示)。

圖3 數據可視化管理

(2)基于軟件中間件的模型實現與集成

基于地形水流方向[11]和空間拓撲關系，形成了支持大數據算法的城市下墊面高精度網絡化網格徑流路徑，通過分析挖掘不同土地利用、不同土壤質地、不同坡度類型的水文響應徑流參數，構建了支持大數據算法的城市下墊面水文響應模型，實現了水文響應模型沿高精度網格徑流路徑進行徑流流量和污染物濃度匯流演算(如圖4所示)，通過水文響應模型，可以快速得到地表的污染物負荷分布，定位污染源頭，便于進行針對性治理，同時，也為水體環境模型提供模型輸入。

圖4 水文響應模型

根據一維水力水質模型[12]，構建了適用于大數據分析的水體環境模型，采用隱式差分格式離散對水力水質模型控制方程進行離散，通過水質監測資料[13]對水環境模型進行參數率定，實現城市流域的水環境模擬。水體環境模型將城市河流進行斷面劃分，計算每個斷面的污染物濃度，得出全河平均水質及河口水質情況(如圖5所示)。

圖5 水體環境模型

利用水文響應模型、水體環境模型，綜合考慮流域的生態、物理生境、管理水平、社會經濟水文等信息，構建了流域健康度評價模型，實現了對河流水質指標劃分，建立完整的水質評價體系，通過權重運算得到水環境的健康狀態，如圖6所示。

圖6 流域健康度評價模型

4.2 系統特色

傳統的水環境分析與健康水構建，主觀性較強，模型支撐不足，無法綜合考慮地形、下墊面、水文、土壤等條件，水質水量指標難以量化，兩江新區健康水系統決策支持平臺以城市自然水循環和社會水循環為基礎，建立了流域“水文響應模型—水體環境模型—流域健康度評價模型”自動化運行模型鏈，采用綜合空間分析的方法，可以模擬地表徑流、點源排放、河流污染衰減整個過程，形成完整的“設定方案—平臺決策支持—方案構建”的健康水系統構建方法體系，實現“陸地”與“水域”的空間全覆蓋，也實現了從降雨、到地表徑流、到河流、到流域生態環境評價的全過程。

4.3 成果應用

重慶兩江新區是一個國家級開發開放新區，管轄渝北區、江北區、北碚區3個行政區域，面積 1 200 km2，人口221萬人。兩江新區分為20河流流域和20個濱江流域。

通過對水環境與土地使用相互關系的可知，基于水環境目標的土地使用規劃受多個層面影響：現狀發展、底限發展、理想發展、規劃發展四個模式，四個模式對應了城市不同的生態目標，也對相關設計策略及管制要求提出了不同標準與參考方向。現狀發展情景主要根據近年來兩江新區快速城市化的開發過程，推演2020年左右兩江新區土地利用情景；規劃發展則立足于兩江新區總體規劃，展望2020年左右土地利用開發狀況；底限發展情景著重關注社會經濟建設，在滿足法律法規、防護安全的前提下不限制建設用地侵占城市河流湖庫等；理想發展情景側重于生態環境保護，犧牲經濟發展速度換取城市水系統健康，如圖7所示。

圖7 基于不同城市發展構建的發展情景方案

根據不同城市發展情景，通過健康水系統構建決策支持系統，對情景進行模擬分析，其模擬結果如圖8和表1所示。

根據不同模擬結果，可以得出：現狀發展情景，重要河水水系、山體，潛在的徑流通道消失嚴重，河道呈現干涸和洪澇的二元現象；河流水源涵養區等重要生態敏感區面臨嚴重挑戰。底限發展情景具有保護中等風險及生態功能的水文徑流通道；融入具有調洪、游憩等功能的雨洪公園等，有較為充足的濕地系統，河道水量充足，抗洪澇能力較強。理想發展下重要的潛在泄洪通道需要恢復，能容納一定程度的洪澇，城市游憩與景觀功能難以適應城市發展需求；地災等重要生態敏感區及重要生態廊道得以有機保護。規劃發展情景，潛在的徑流通道消失較嚴重，地表徑流較大改變，生態服務能力較低，河道水量較少和易洪澇的影響，水土流失等重要生態敏感區得到初步緩解與控制。通過將不同情景方案的水環境演變趨勢進行對比與分析，需要將理想情景和規劃發展情景進行整合，形成綜合發展方案，既滿足城市功能需要，又最大限度保障水環境的健康循環，為城市規劃提供輔助決策。

圖8 不同城市發展情景下水質TN指標的對比

5 結 語

我國目前處于快速城市化階段，城市的規劃建設對水環境約束考慮不足，導致城市生態環境惡化，防洪安全、內澇安全問題日趨突出。長期以來，缺乏有效的技術手段對城市規劃方案、項目工程選址方案水環境影響進行科學的評估。城市水環境的演變是一個復雜的系統過程，本文基于GIS技術研究了面向兩江新區的健康水系統構建的決策支持系統框架，對兩江新區自然水循環過程和社會水循環過程各類要素信息進行集成管理，實現了對流域水文模型、水環境健康度評價模型的集成，具備了對兩江新區不同發展情景模式下水環境績效模擬預測的能力，為兩江新區環境改善與水系統規劃建設提供技術與規劃實施方案提供了技術支撐，可為其他流域水環境決策支持系統構建提供參考。研究中發現流域水環境模型的運行模擬時間一般都很長，并且對運算設備環境要求高，為了提升水環境決策支持系統在實際管理中的應用效果，需進一步研究利用并行計算技術提升模型運算效率。

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Research and Implementation of Health Water System Decision Support System Construction in Liang Jiang New Area Based on GIS

Deng Shihu1，2，Wang Xiaoyong2，Zhu Junfeng1，2，Feng Linyao2

(1.Chongqing Geomatics Center，Chongqing 401121，China； 2.Chongqing Zhixing Geographic Information Consulting Services Ltd，Chongqing 401121，China)

Water pollution cannot be effectively controlled because urban planning and construction have insufficient consideration of constraints on urban water environment. In order to simulate and make policy for Healthy Aqua-ecosystem comprehensively and quickly，this paper take Liangjiang area as its research region，a decision support system is developed for the Healthy Aqua-ecosystem of Liangjiang on Geographic Information System，to integrate and manage massive date of water system. Rounding the process of natural circulation and social cycle，it integrates hydrological response model and water environment model and assessment model for health degree. This paper research water environment evolution tendency under different background of cities，and it can provide decision support for the construction of Healthy Aqua-ecosystem of Liangjiang.

Liang Jiang New Area；water environment；healthy river；decision support system

1672-8262(2017)01-16-07

P208.2

A

2016—10—28 作者簡介：鄧仕虎(1981—)，男，博士研究生，高級工程師，主要從事地理信息服務與應用研究。 基金項目：國家自然科學基金項目(41401436)；對地觀測技術國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(K201510)