彭 虹，王永桂，張萬順，趙琰鑫

（1.武漢大學 水利水電學院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學 資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430079）

1 研究背景

隨著經濟和技術的快速發(fā)展，流域管理對數字化與科學化的需求越來越高。流域水生態(tài)模型開始逐漸被使用，其涵蓋流域社會-經濟-環(huán)境多方面，可反應出流域內人類活動對環(huán)境的脅迫，包括流域內水循環(huán)、陸面和水體內污染物的遷移轉化過程，但當前模型輸入條件多元并復雜，且專業(yè)化要求高，結果可視化程度低，不便于推廣應用。建立流域水生態(tài)環(huán)境模擬平臺，對流域水生態(tài)環(huán)境狀況進行評價模擬預測與管理，目的是將現狀和各種規(guī)劃條件下流域環(huán)境狀況直觀、方便地表達出來，核心技術是實現流域模型與GIS功能的無縫鏈接。太湖流域水環(huán)境治理是我國環(huán)保重點整治區(qū)域，在管理防治上缺少專業(yè)化的數字平臺。針對太湖流域典型區(qū)域——滆湖流域的水生態(tài)環(huán)境特點，研發(fā)以水生態(tài)環(huán)境模擬模型為核心、服務于管理的數字水環(huán)境系統，不僅對滆湖流域進行科學有效管理具有重要的意義，而且能為數字化流域環(huán)境管理的實施與推廣提供可行的技術方法。

GIS具有強大的空間分析與信息管理功能，已經成為流域水文系統模擬研究的關鍵技術之一。集成GIS技術和流域模型，是研發(fā)流域數字環(huán)境系統平臺的重要手段［1］。目前流域模型與GIS集成有嵌入型、連接型和混合編程3種方式［2］。（1）嵌入型包括流域模型嵌入GIS平臺或GIS功能模塊嵌入流域模型兩種方式。前者如美國ESRI公司把ARCStorm、ARCGrid、地下水Darcy水流模型和污染運移模型等嵌入ArcGIS平臺中，使ArcGIS平臺具有一定的流域模擬功能［3］。該方法能進行一定的水文模擬分析，但是不具有針對性，功能也不夠強大。后者通過嵌入GIS組件，進行可視化數據輸入處理和模擬結果表達，有效提高了模型識別、驗證與應用的效率。但是其空間分析能力有限，同時需要其它GIS軟件的支持，如TOPMODEL［4］，MIKE SHE［5］，Cas-2D［6］等。（2）連接型主要是通過GIS軟件本身提供的宏語言，通過二次開發(fā)將模型和GIS集成起來。如Bo Huang等［7］運用ARCVIEW宏語言Avenue，采用TOPMODEL開發(fā)出集成水文模擬模型和GIS功能的AVTOP模型系統。連接型以GIS軟件為支撐，能取得較好的模型初始輸入、數據集轉換和結果表達的效果，但是需要購買GIS商業(yè)軟件，開發(fā)成本大、專業(yè)性要求高、更新速度慢。（3）混合編程是在同一個時空概念下，通過多種編程語言進行底層開發(fā)，不依賴任何GIS商業(yè)軟件，建立以流域模型為核心，具有相應的GIS功能、管理模型輸入和輸出數據的系統平臺。如葉愛中等［8］通過對水文水資源模擬系統集成研究，通過混合開發(fā)的模式，建立了應用于黑河流域的DTVGM模型系統，系統應用多種語言混合編程，實現了GIS功能和水文水資源模型的無縫連接?；诖?，本文選擇混合編程的方式開發(fā)滆湖流域水生態(tài)環(huán)境系統平臺。

2 流域水生態(tài)環(huán)境系統模型

在國家水體污染控制與治理科技重大專項，流域水環(huán)境系統分析與模擬技術研究子課題中，基于滆湖流域水生態(tài)環(huán)境的物質循環(huán)、能量循環(huán)、污染物運移、生物生長和流域內物質的遷移轉化過程，建立了“陸面單元-河網-湖泊嵌套”——水動力生態(tài)水質耦合的綜合數值模型。該模型能夠對滆湖流域水環(huán)境系統中主要的演化過程進行模擬分析，反應社會經濟壓力、水文變異等因素對水生態(tài)和水環(huán)境的影響，模型基本框架如圖1所示。

太湖流域水生態(tài)環(huán)境系統模型輸入包括滆湖流域127個計算單元、519個計算斷面和滆湖湖體的地理空間數據，還包括流域水文、水質、水生態(tài)等基礎數據和重要參數，輸入條件涉及8類30多項；模型輸出包括流域水文、水質、水生態(tài)現狀與預測數據以及不同區(qū)域之間物質與能量循環(huán)交換數據共120余項。

3 流域水生態(tài)環(huán)境系統設計

3.1 系統目標設計 針對流域數字水環(huán)境系統功能需求，以太湖流域水生態(tài)環(huán)境模擬模型為核心，研究流域水環(huán)境系統多維信息描述關鍵技術，研發(fā)太湖流域典型區(qū)域虛擬環(huán)境構建技術和基于GIS技術、空間仿真技術的流域水環(huán)境系統場景操作、瀏覽飛行、數據信息查詢管理和水生態(tài)環(huán)境信息可視化等功能模塊，實現流域水環(huán)境系統水動力水質模擬和水環(huán)境系統模型模擬結果多功能多目標展示。本系統在混合編程的開發(fā)模式下，選擇Visual Fortran語言進行數學建模，模擬流域水生態(tài)環(huán)境，并生成可執(zhí)行程序供系統平臺調用；同時，結合流域空間數據和屬性數據的特點，采用數據庫技術，在.Net框架下使用C#語言、借助開源GIS代碼（SharpMap等），根據模型運行條件和結果展示的需要構建GIS可視化平臺界面，主要實現以下目標：（1）系統采用人機交互的方式，界面美觀友好、信息查詢靈活方便；（2）數據存儲安全可靠、數據查詢具有結果統計功能、在空間數據瀏覽飛行的基礎上提供自定義瀏覽和多格式導出；（3）模型輸入簡單方便，進行數據分類分期管理，采用防錯機制防止數據錯輸、漏輸和誤刪；（4）長序列流域環(huán)境仿真模擬可視化，實現動態(tài)空間瀏覽分析和圖表統計分析。

3.2 系統結構設計 滆湖流域水環(huán)境系統平臺包括水環(huán)境系統模型庫、水環(huán)境系統數據庫、水環(huán)境系統可視化平臺3個部分；按層次劃分，主要分為4層，包括數據層、模型層，應用層和系統接口層，系統結構層次見圖2。

系統通過相關的標準體系以及最新的技術，能保證整個系統安全、穩(wěn)定、有效的運行。在應用層上，通過調用數據層內的文件作為模型輸入條件以支持模型運行，并輸出模擬結果到數據層中，然后在應用層進行仿真表達；系統接口層包括面對公眾的接口、部門間的接口及預留其它待開發(fā)子系統數據接口。由于數據資料共享受限，本系統現階段僅設置系統的數據接口，通過數據庫進行數據交換，實現空間數據和屬性數據的調用、更新和保存。

3.3 系統數據庫設計

3.3.1 數據庫分析 系統主體模型以鏈接可執(zhí)行程序的方式在后臺運行，讀取文本文件中的數據作為輸入，因此采用空間關系數據庫的方式進行數據管理?？紤]到數據之間的復雜度高但同類型數據關系結構簡單的特點，系統采用Microsoft Access2007作為后臺數據庫，把數據分為生物、氣象、水文、地理、水質5類進行管理。運行時，平臺通過一轉換機制把Access中的數據讀入系統，并存儲為臨時的文本文件輸入模型，最后運行結果存入Access結果數據表中，并在平臺進行可視化輸出。

3.3.2 數據庫概念設計 本系統對數據安全具有較強的要求，每個用戶只有在系統登錄模塊驗證后才能根據用戶權限對數據庫中的數據進行相應的操作。系統按類別的不同對所有模型條件輸入數據進行分類管理，其中同樣類別的數據又根據它們所屬區(qū)域或者格式的不同進行二次分類，對每一個不可再分的分類屬性建立關系圖表，圖表實體單元ID號為主鍵，分類屬性數據按時間作為字段存儲。模型結果數據按箱體、河網和湖泊分成3類，分時段輸出，每個時段的結果均建立一個關系圖表，圖表中實體單元ID號為主鍵，各指標為屬性字段。如河網信息實體E_R圖如圖3所示。

3.3.3 系統數據庫構成 數據庫是實現多要素耦合水生態(tài)環(huán)境模擬模型的控制、管理、模擬、仿真、利用、評估、可視化檢測的基礎。本系統數據庫構成包括各項水資源環(huán)境基礎數據和模型輸出結果的成果數據，建立包括空間數據庫、水資源及社會經濟發(fā)展等基礎數據庫、模型參數數據庫以及模擬結果數據庫。

3.4 系統功能設計 根據滆湖流域水生態(tài)環(huán)境系統平臺的應用領域、工程需求以及結構特點，設計系統功能模塊包括登陸模塊、主體功能模塊和退出模塊3部分。其中主體功能分為GIS基礎數據的管理與瀏覽、水生態(tài)環(huán)境模型調用和模型輸出結果的分析演示。具體功能圍繞水生態(tài)環(huán)境模擬模型，從面向用戶和數據的角度，簡化模型前期處理、瀏覽與管理模型數據以及模型輸出結果可視化上進行設計，功能設計如圖4所示。

3.4.1 登陸模塊設計 系統登錄主要用于對進入系統的用戶進行安全性檢查，以防止非法用戶進入系統或權限限制用戶更改模型參數和數據。對不同的權限用戶，在登入系統后，會相應地顯示不同的界面和提供不同的功能。

3.4.2 主體功能模塊設計 系統主體功能面向數據和用戶進行可視化處理，以模型為核心、以數據為支撐，在平臺界面上，提供了豐富的接口供用戶進行有針對性的數據瀏覽、分析、管理、更新、輸出和查詢。

（1）數據管理和瀏覽。系統建立關系型數據庫管理系統對以文本形式存在的原始數據進行管理，具有數據批量裝載，數據查詢、輸出、計算、上報，空間瀏覽、分析及匯總和數據庫系統維護等主要功能。系統在提供基本的GIS數據展示功能（地圖瀏覽、縮放、漫游和量算等）的基礎上設置了由表到圖、由圖到表和由圖到圖的空間查詢功能以及空間數據輸出。用戶在地圖上點擊空間單元即可查詢到該單元的屬性數據并進行地圖顯示樣式設置，同時可以的把數據輸出為常見的word或excel文件或者直接打印數據文件。

（2）面向模型的數據轉換與條件輸入。

（a）數據轉換。由于各個地方監(jiān)測手段不一樣，產生的監(jiān)測數據也不同，存在數據格式的互異性，因此系統設計了數據格式轉換功能。在平臺界面上，通過交互性操作選擇導入原始數據即可把數據轉化成模型需要的格式文件。針對監(jiān)測儀器生產數據格式的不同，設計了多種可供選擇的轉換機制把數據轉換成模型輸入需要的格式。

（b）模型條件輸入。系統以讀取文件的形式把文件內的各項條件和參數讀入模型，要求數據具有特定的格式和存儲路徑，這些格式和路徑是絕對的。系統將已轉換成預定格式的數據分成氣象、水文、水質、灌溉施肥制度、作物生長、土壤性質和常量共7類。用戶選擇模型條件輸入后，系統在各個選擇項上自動填充可以支撐模型運行的數據，然后引導用戶進行有針對性的更改；在更改時，采用防錯機制，用戶必須按所需格式輸入數據完成更改。為了防止用戶因誤操作而破壞甚至刪除數據，采用數據安全機制，所有的分析更新操作都在原始數據的復制版上進行。

（3）模擬成果分析演示。滆湖流域水生態(tài)環(huán)境模型成果演示包括湖泊的地形、流場、水位、水質等8個指標和河網不同河段水位、流量及污染物濃度等14個指標以及箱體單元不同利用類型土地的降雨、蒸發(fā)、生物量和主要污染物的交換值以及分層土壤中溫度、含水量、水化等共計110項指標的演示。系統在處理模型成果方面實現了屬性數據與GIS空間圖形的鏈接、具有時序動態(tài)效果，做到了多角度多功能的對流域環(huán)境過程進行長期連續(xù)模擬預測的仿真演示。

（a）GIS仿真動態(tài)演示和空間查詢。GIS仿真動態(tài)演示克服了以往GIS系統在圖形演示分析上缺少時序性的缺點，以時間為軸，從模型計算起點開始，以顏色渲染的變化顯示箱體、河網和湖泊各屬性的長期連續(xù)變化過程。對于具有方向性的結果，除用顏色進行渲染之外，還以矢量的長度和方向表示其大小和方向，如湖泊流場、河網水量、河網和湖泊的物質能量交換等，如圖5所示。

在動態(tài)模擬中，通過屬性查詢工具在圖上點選該位置可得到值表；也可以通過統計查詢工具，得到該時刻上下3個時間點內所選屬性項變化統計圖。圖5（a）是河網在運算結果第6天的流量情況，顏色表示其流量大小，而箭頭則表示該斷面處水流的方向，圖中可以看出該模擬時刻，箭頭所指區(qū)域，水流流向是自東向西，由北向南的。圖5（b）為湖泊在第2天流場的狀況，湖泊的湖底高程以顏色示出，從圖中可以看出，水流在滆湖中心形成一個環(huán)流。GIS動態(tài)仿真功能，實現了對同一區(qū)域內結果數據的縱向比較，方便用戶對不同時期的結果值進行對比分析。

針對流域內特定屬性不同區(qū)域橫向比較的需要設計了GIS空間查詢，用戶選擇興趣點的結果，進行GIS地圖渲染，通過不同區(qū)域顏色的不同進行比較。為幫助用戶在地圖上通過顏色渲染進行更精細的橫向對比，提供用戶自定義分級功能。

（b）圖表演示。統計圖表演示包括有動態(tài)統計圖表和簡單的統計圖表生成功能。動態(tài)圖表指特定區(qū)域模擬成果以時間為X軸進行動態(tài)生成。即演示一定區(qū)域某單項或者多項指標在時間上的變化情況，該統計圖是隨時間的變化而漸進地以脈動形式生成的，用戶可以控制統計圖演進的速度和起止時間點。對生成的統計圖，可以對其樣式進行多方面的更改，包括圖表標題、X軸、坐標值、圖例的位置和網格線等。簡單的統計圖則是在確定時間點的數據表上，用戶選擇感興趣的范圍，自定義生成餅狀、柱狀、線狀和散點形式的統計圖表。在自定義生成圖表的過程中，用戶可以根據所掌握的數據值范圍先對要生成圖標的數據進行查找，然后依據查詢到的數據生成自己想要的圖表類型，或者直接在數據表中選擇要生成圖表的項，生成對應的圖表。

3.4.3 退出模塊設計 退出模式為了避免不必要的退出錯誤而設計，在退出系統前要求用戶進一步確認是否退出系統，如果用戶確定退出系統，則直接退出，否則系統最小化到托盤。如果選擇了不再提醒，則以后點擊退出按鈕后，不再彈出退出模式對話框，直接完成上一次選擇的操作。

4 結論

滆湖流域水生態(tài)環(huán)境系統平臺以水生態(tài)環(huán)境模擬模型為核心，構建相應的空間屬性數據庫和可視化平臺界面，采用混合編程的方式進行開發(fā)，取得了以下成果。（1）系統建立了數據格式轉換機制，為不同格式的原始數據提供了適用于模型輸入所需格式的轉換工具，降低了因模型特定的格式需求所帶來的數據處理難度；（2）系統面向數據和用戶，對模型輸入數據進行了分類管理和界面化輸入處理，能有效地簡化模型條件輸入、防止錯誤輸入，保證了模型的正常穩(wěn)定運行；（3）系統在處理模型成果方面實現了屬性數據與GIS空間圖形的鏈接、具有時序動態(tài)效果，直觀地展現了流域水環(huán)境演變的長期連續(xù)變化過程，為流域生態(tài)管理、環(huán)境監(jiān)測以及污染防治提供服務；（4）自主設計的GIS功能節(jié)省了數字平臺開發(fā)成本，實現了GIS功能和流域模型的無縫鏈接；界面化的模型輸入與輸出對于流域模型的推廣應用和流域水環(huán)境管理數字化和業(yè)務化具有重要的意義。

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