海河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)簡(jiǎn)介

邱俊楠，李樹(shù)元，王宏偉

海河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)簡(jiǎn)介

邱俊楠1，李樹(shù)元1，王宏偉2

（1.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津300170；2.丹華水利環(huán)境技術(shù)（天津）有限公司，天津300221）

面對(duì)海河流域水資源調(diào)配的嚴(yán)峻形勢(shì)，為全面調(diào)度和優(yōu)化配置海河流域水資源，以多目標(biāo)水資源規(guī)劃配置模型為基礎(chǔ)，建立海河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)，輔助流域水資源規(guī)劃和水資源調(diào)配決策。分別從系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流程、核心模型及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，介紹海河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)。本系統(tǒng)作為海河流域水資源配置的統(tǒng)一平臺(tái)，服務(wù)于流域?qū)崿F(xiàn)最嚴(yán)格水資源管理制度、加強(qiáng)“三條紅線”管理，并為實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置和科學(xué)管理提供技術(shù)支持。

海河流域；水資源；規(guī)劃；調(diào)配決策；支持系統(tǒng)

1 海河流域水資源調(diào)配形勢(shì)

海河流域地處中國(guó)華北地區(qū)，屬于溫帶東亞季風(fēng)氣候區(qū)，水資源時(shí)空分布不均，短缺嚴(yán)重，主要依賴于跨流域調(diào)水。隨著流域降雨量減少、用水量增加，地表水資源匱乏，地下水開(kāi)采量日益增加，出現(xiàn)了河道斷流與干涸、濕地萎縮及河口生態(tài)惡化等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了流域生態(tài)環(huán)境。

為全面調(diào)度和優(yōu)化配置流域的水資源，并實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的實(shí)時(shí)會(huì)商，建立海河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)迫在眉睫。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

海河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)遵循國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目的整體框架，以海河流域水資源調(diào)配管理的業(yè)務(wù)需求為基礎(chǔ)，構(gòu)建海河流域水資源規(guī)劃配置模型，并將模型嵌套到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)配決策會(huì)商，為海河流域水資源調(diào)配提供全面的輔助決策支持。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示[1-2]。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)流程

結(jié)合海河流域水資源監(jiān)控管理信息平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，補(bǔ)充建設(shè)模型數(shù)據(jù)庫(kù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)不同的模塊接口向水資源現(xiàn)狀分析和水資源規(guī)劃配置模型提供數(shù)據(jù)。

水資源現(xiàn)狀分析依托基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)流域現(xiàn)狀水資源問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別與評(píng)價(jià)，并為水資源配置和水資源決策會(huì)商模塊提供分析成果。水資源規(guī)劃配置模塊，分別從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用所需數(shù)據(jù)，結(jié)合水資源現(xiàn)狀分析評(píng)價(jià)結(jié)果，建立水資源配置模型，將模型模擬結(jié)果在系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行展示，同時(shí)為決策會(huì)商模塊提供水資源配置模擬結(jié)果。

水資源決策會(huì)商以群體會(huì)商的形式，通過(guò)對(duì)歷史、實(shí)時(shí)、預(yù)報(bào)、調(diào)度管理等各類信息進(jìn)行重組和加工處理，分析水資源的豐枯形勢(shì)，為確定水資源配置和調(diào)度方案并付諸實(shí)施提供全面的支持。水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)流程，如圖2所示。

圖2 水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)流程

4 系統(tǒng)核心模型

根據(jù)海河流域的水資源現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果，選擇社會(huì)效益最大和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)2個(gè)目標(biāo)，運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃理論建立海河流域水資源規(guī)劃配置模型[3]。

4.1 海河流域水資源系統(tǒng)概化

根據(jù)海河流域水資源系統(tǒng)實(shí)際情況并結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，概化海河流域水資源系統(tǒng)，如圖3所示[4]。

圖3 海河流域水資源系統(tǒng)概化

海河流域水資源系統(tǒng)中，水源包括地表水、地下水和其它水源，水資源計(jì)算分區(qū)指流域內(nèi)8個(gè)行政區(qū)，用水戶包括生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水。

4.2 目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合海河流域?qū)嶋H情況和掌握的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立模型的目標(biāo)函數(shù)。

（1）經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)為：

（2）社會(huì)效益目標(biāo)函數(shù)為：

4.3 約束條件

結(jié)合海河流域?qū)嶋H情況和掌握的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定模型的約束條件。

（1）水源供水量約束條件為：

（2）用水戶用水量約束條件為：

（3）變量非負(fù)約束條件為：

4.4 模型計(jì)算

利用Matlab優(yōu)化工具箱中函數(shù)Linprong求各子目標(biāo)fi（x）在約束條件下的極值，并計(jì)算各子目標(biāo)在不同極小點(diǎn)處的值，后構(gòu)造輔助函數(shù)，調(diào)用Fgoalattain函數(shù)對(duì)求解問(wèn)題進(jìn)行尋優(yōu)，并輸出最優(yōu)解和函數(shù)值[5]。

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的滿意度定義進(jìn)行決策，當(dāng)所有的目標(biāo)均表示滿意時(shí)，則輸出最優(yōu)解和目標(biāo)值；當(dāng)對(duì)部分目標(biāo)表示不滿意時(shí)，則調(diào)整約束集繼續(xù)進(jìn)行尋優(yōu)。

5 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)遵循國(guó)控水資源項(xiàng)目軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)要求，采用B/S結(jié)構(gòu)模式，開(kāi)發(fā)采用J2EE技術(shù)、使用Java進(jìn)行。GIS采用Arc GIS系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[6]。

海河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)采用SOA體系結(jié)構(gòu)，以建立先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)、統(tǒng)一系統(tǒng)開(kāi)發(fā)運(yùn)行為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)與其它級(jí)別的水資源監(jiān)控管理平臺(tái)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)順暢地與其它系統(tǒng)進(jìn)行信息共享，同時(shí)提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

作為系統(tǒng)支撐的統(tǒng)計(jì)分析方法和模型算法均以組件/構(gòu)件的形式存在，具備復(fù)用、封裝、組裝、定制等基本性質(zhì)。

6 結(jié)論

本文以海河流域水資源規(guī)劃配置為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)、J2EE技術(shù)、Arc GIS系統(tǒng)和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，采用SOA體系結(jié)構(gòu)，建立海河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)。系統(tǒng)為海河流域水資源配置提供統(tǒng)一的平臺(tái)，為流域?qū)崿F(xiàn)最嚴(yán)格水資源管理制度、加強(qiáng)“三條紅線”管理、提升水資源管理能力服務(wù)，為實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置和科學(xué)管理提供技術(shù)支持。

[1]李會(huì)安.基于B/S模式的北京市水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)[J].北京水務(wù)，2006（2）：18-20，27.

[2]趙立明.流域水資源調(diào)配綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].南水北調(diào)與水利科技，2006（2）：30-32.

[3]趙立明.流域水資源調(diào)配評(píng)價(jià)決策支持系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究[D].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2006.

[4]王偉.石羊河流域水資源調(diào)度決策支持系統(tǒng)[D].上海：東華大學(xué)，2013.

[5]黃翠秋.北海市水資源優(yōu)化配置[D].桂林：桂林理工大學(xué)，2012.

[6]莫鎧.松花江流域水資源配置與調(diào)度系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J].水利信息化，2013（10）：19-25.

DecisionSupportSystemofHaiheRiverBasinWaterResourcesManagement

QIU Jun-nan1，LI Shu-yuan1，WANG Hong-wei2
（1.Tianjin Lonwin Network Science&Technology Development Corporation，Tianjin 300171，China；2.DHI-Water&Environment Pty Ltd，Tianjin 300221，China）

In the face of the grim situation of water resources allocation in the Haihe River Basin，Based on the multi-objective water resources planning and allocation model，the decision support system for the allocation of water resources in Haihe River Basin is established，The system can fully dispatch and optimize the allocation of water resources in the Haihe River Basin，and assist the basin water resources planning and allocation of water resources.This paper introduces the decision support system of water resources allocation in Haihe River Basin from the aspects of system architecture，data flow，core model and system development.This system as a unified platform for the allocation of water resources in the Haihe River Basin，watershed service to achieve the most strict water resources management system，strengthen the“three line”management，and provide technical support for the realization of the optimal allocation of water resources and scientific management. Key words：Haihe River Basin；water resources；planning；allocation decision；support system

TV213.4；TP272

B

1004-7328（2017）02-0064-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.020

2016—12—20

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（14ZCZDSF00023）

邱俊楠（1987—），女，碩士，工程師，主要從事水資源利用與保護(hù)工作。