太子河流域環境流量保障管理系統平臺構建及示范應用

周宇航

(遼寧省觀音閣水庫管理局有限責任公司，遼寧 本溪 110003)

環境流量是保護河流生態環境的最小流量。目前國內外對環境流量的研究和實踐較多[1-2]，但將環境流量并入水資源管理系統運行還屬空白。太子河是渾河的一級支流，全長412.9km，年徑流量33.3億m3，流域面積13883km2。太子河上的水利工程發揮著蓄豐補枯調節徑流的基本功能，保障了流域多年的經濟良性發展。但從水生態系統角度，始終存在著環境流量保障率偏低的問題，而且由于各河段的資源稟賦、用水、調控特征的不同，其環境流量保障的程度也各有差異，進一步提高環境流量保障的難度也各不相同。

結合實際構建了太子河環境流量保障管理信息化平臺，從環境流量、預警及管理服務等方面進行了填補。根據環境流量監測數據和評價標準，提出了區域供用水環境流量動態模擬方案，該平臺的三維顯示，展示了動態演變過程，能夠更好地對水環境流量進行三維可視化模擬。

1 系統總體架構

1.1 系統技術架構

結合對該系統平臺的實際需求，采用同類或類似系統的開發信息化技術與經驗，構建太子河流域環境流量保障管理信息化平臺，該平臺是基于面向服務的體系架構，所有的業務應用都以組件的方式被實現，通過Web服務的方式對外提供服務，并且可通過服務組合的方式搭建具體的層次體系，實現太子河流域環境流量保障管理信息化集成應用。系統技術構架見圖1。

圖1 系統技術構架示意圖

1.2 系統平臺需求架構

環境流量保障管理信息化平臺架構分為虛擬化層、管理層、接口層。虛擬化層是該系統平臺的最底層，該層圍繞著太子河環境流量天然數據、歷史數據及實時數據，根據設定的水質水量參數、環境流量標準等，對數據進行資源分配、優化計算，確定合理方案，生成圖表、數據存儲等內容操作。通過接口層，實現管理層與虛擬化層之間的信息傳輸，將系統中流域環境特征、環境流量標準、環境流量保障方案、環境流量數據等信息自動傳遞給管理層，并以系統平臺界面對內容進行展示。

1.3 系統設計

該系統平臺主要由5個子系統構成，將歷年長系列數據、還原后天然數據及實時監測數據分別并入相應的子系統，經過數據庫的入庫與整理，進行存儲保存，需要數據時通過內容渲染子系統對數據進行分類，最后通過管理方案輸出子系統，按照管理者需要進行獲取，見圖2。

圖2 系統設計構成

1.4 系統技術與功能要求

系統采用基于3D圖形引擎顯示的渲染技術[3-4]，該技術具有很好的穩定性和可靠性。設計了基于GPU(Graphics Processing Unit)的三維圖形圖像實時繪制功能，充分利用GPU的運算單元實現了高清晰度輸出的實時幀速率。在關鍵數據幀單元的設計中，采用了單獨的存儲結構，一方面在數據組織存儲、圖像處理、顯卡輸出等方面進行了特殊的優化，另一方面減少了線程和總線之間的數據交互，避免了磁盤控制器甚至主板級數據擁塞的風險，具有很好的安全性。

交互平臺涉及的各種場景對顯示信息和定位都有特定的要求。通過基于Directx的3D場景實時顯示，可以實現場景所需的各種3D模型的制作、導入和顯示，并支持第三方的模型和動畫，對于場景的創建非常便利，能夠快速精準定位各類信息和場景，保障各類信息需求的獲取。

該系統平臺在調度方案選擇中涉及的參數、權重及方法是調度方案的關鍵。針對太子河流域環境流量管理的特點，在調度方案合理化的過程中，提出了一套較為合理的環境流量管理方案評價方法體系，包括參數體系的構建、參數的選取、環境流量管理方案的參數選擇、協商權、組合評價權和方案決策權等。在參數篩選技術中，采用以主成分分析法為主的現代多元統計方法，在保持原有空間參數特征的基礎上，對指標進行定量篩選，實現參數空間從高維到低維的映射，篩選參數所表達的信息更清晰，有利于后續計算；在權重技術上，采用了主客觀權重優勢相結合的組合賦權方法、物元概念和半結構化多目標模糊優化理論將其引入環境流量管理方案的優化過程中，提出了一種基于物元概念的多維遞階評價方法，采用多維物元層次評價的多層次、多目標、多群體決策方法進行評價水質水量聯合運行方案。

2 系統功能與模塊

2.1 系統功能分析

功能分析是在當前的業務分析上開展的，基于太子河流域管理系統的業務需求方向進行不同模塊的內容劃分，功能需求主要包括6個方面，它們之間相互獨立，同時又相互聯系。功能子需求主要包括環境流量基礎信息管理、環境流量的計算、環境流量方案的生成、實時流量信息的獲取、預警及保障方案的生成和成果三維化的展示。這些功能子需求構建在一個統一的軟件平臺上，每一功能子需求都需要在上一個基礎上依次進行實現，見圖3。

圖3 功能子需求示意圖

2.2 系統模塊分析

系統模塊分析是在系統功能分析的基礎上開展的，基于太子河流域管理系統的業務需求方向進行不同系統模塊劃分。系統功能子模塊也包括6個方面，他們之間相互獨立，同時又相互聯系。系統子模塊主要包括環境流量方案生成模塊、環境流量計算模塊、基礎信息處理模塊、監控斷面實時流量獲取模塊、預警及保障方案生成模塊、三維可視化引擎模塊，每一系統子模塊都需要在上一個基礎上進行實現，見圖4。

圖4 系統模塊示意圖

3 系統平臺展示與應用

3.1 系統整體功能界面

系統界面在Windows 7上運行，由多個下拉菜單、工具欄、信息提示區、系統顯示區、系統配置列表、參數列表、數據顯示標簽、主顯示操作渲染窗口和多功能界面組成，見圖5。該系統平臺包括了數據庫存儲的所有數據信息、大量Mike數據以外的數據信息及歷史數據信息，這些信息將被系統間接使用，作為數值計算的基礎，如重點河道徑流系列數據、水庫進出水量系列數據、供需調節范圍信息、區域地理位置信息等。用戶可以通過配置項查看和修改配置數據。

圖5 系統主界面示意圖

3.2 環境流量保障方案功能

環境流量保障方案主要分為總體模型配置、參數配置、方案計算和方案展示4個部分。總體模型配置主要包括方案計算模型的框架。在總體模型配置中，主要針對輸入配置和輸出配置，用于修改系統中與Mike項目相關的節點。輸入關聯后，針對關聯參數的數值，可以在可調整的范圍內進行界定，以供在實時流量不滿足時，進行迭代計算。確定關聯參數和方案逼近方式后，進行方案計算，最終獲得最優的環境流量值。結果展示見圖6。

圖6 計算結果方案展示

3.3 環境流量監測與預警功能

通過環境流量的監測，主要獲得當前各環境流量分區的實時流量數據，見圖7。在3D渲染窗口中顯示實時數據，如果與閾值不匹配，則進行報警處理。同時，在彈出的對話框中，還會顯示當前子流域劃分的實時數據和歷史數據，用戶可以根據需求對不同的時間段進行信息查詢。

圖7 控制斷面環境流量監測與分析界面

3.4 示范及效果評價

3.4.1 示范應用分析

2016年7月1日—12月31日開展了太子河觀音閣水庫以下至唐馬寨區段的平臺業務化運行示范，系統以旬為單位自動生成了18份業務化運行報告。示范河段內包括本溪斷面和唐馬寨斷面兩個水文站斷面，示范期內斷面流量基本滿足環境流量管理方案要求。水文站實測流量與環境流量管理方案對比情況見表1。

表1 實測流量與環境流量管理方案月均流量滿足情況 單位：m3/s

由表1可知，2016年示范期內本溪斷面在7—8月無法滿足流量要求。通過對本溪站1961—2016年56年水文系列進行分析，2016年為偏枯年，在執行環境流量保障管理方案的情況下，對觀音閣和葠窩水庫下泄流量進行優化。反映觀音閣下泄流量的本溪斷面，由于觀音閣水庫優先保障生活供水的原因，在7月、8月不滿足環境流量要求，不滿足程度分別為16%、33%；反映葠窩水庫下泄流量的唐馬寨斷面，由于葠窩水庫主要供水任務為農業灌溉，在統籌農業用水與生態水量的情況下，基本滿足環境流量方案要求。

3.4.2 系統應用效果

該平臺實際運行效果顯示，各項目功能穩定，能夠提供不同斷面流量預定的環境流量，結合實時獲得的不同斷面流量數據信息，除個別月份無法滿足環境流量要求外，其他月份均滿足，從而證實了該系統能夠根據實測流量較好地優化制定出水庫調蓄及下泄方案，獲得本溪、唐馬寨兩個斷面最優流量，使其基本滿足斷面環境流量要求，基本實現了地表水資源規劃、分配和管理以及環境流量管理的日常化運行。

4 結 語

本研究構建的太子河流域環境流量保障管理信息化平臺，主要實現了環境流量標準制定、環境流量保障方案生成、環境流量監測、預警查詢等功能。通過實證應用，能夠制定出最優的環境流量保障方案，應用效果顯著。為了使該平臺發揮最大功能，需要掌握更多重要水利工程、主要控制斷面的環境流量下泄方案，才能有效保障河道環境流量的滿足。