石春力，金陶陶，任海靜，孔祥娟

(1.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心，北京 100835;2.中國環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012)

水是人民生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，同時(shí)又是生態(tài)環(huán)境的制約要素，也是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著城市化進(jìn)程加快，城市規(guī)模與分布密度不斷增大，水資源需求由局部問題演變?yōu)閰^(qū)域性突出問題，水資源進(jìn)入了綜合管理時(shí)期，其核心任務(wù)是保證供水，滿足城市的穩(wěn)定用水，確保各城市水資源管理部門能夠合理、均衡科學(xué)地分配水資源［1］。因此，加強(qiáng)水資源管理依然是解決當(dāng)前世界上很多地方水問題的主要途徑和有效手段。當(dāng)前不少國家和地區(qū)，尤其是西方發(fā)達(dá)國家的水資源管理已達(dá)到相當(dāng)高的水平。

水資源管理模型為改善水資源系統(tǒng)調(diào)度和分配、水資源區(qū)域規(guī)劃、水環(huán)境戰(zhàn)略保護(hù)提供決策支持和幫助，可以預(yù)測不同水文情景下的水資源缺乏問題［2］。特別是在城市雨洪頻發(fā)、氣候變化等綜合因素影響下，模型系統(tǒng)為預(yù)測水源－需求時(shí)空關(guān)系，設(shè)置最佳緩解措施提供一種有效的方法［3］。適當(dāng)?shù)馗深A(yù)可減少水源缺乏對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境的影響。

1 水資源模型比較分析

水資源模型的共同特點(diǎn)是計(jì)算研究流域內(nèi)每一時(shí)間步長的水量平衡，這些模型模擬了水資源的來源、去處以及在此過程中的變化情景，如時(shí)空范圍內(nèi)水質(zhì)情況。公共以及私人機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)了多接口的圖形化交互界面模型，用于研究解決水系統(tǒng)中與水資源相關(guān)的規(guī)劃和管理問題，從而滿足不同層次規(guī)劃和決策需求［4］。該研究涉及的主要模型既有自身突出功能特征，相互之間又有差別，其主要功能差異比較如下:AQUATOOL、MODSIM和WEAP模型均是使用單一時(shí)間步長進(jìn)行優(yōu)化的模型，而RIBASIM和WARGI－SIM模型僅是基于if－then條件語句的模型。從技術(shù)上而言，MODSIM模型是解決河網(wǎng)流量問題的最優(yōu)工具，該模型根據(jù)物理、水文以及制度方面分配水資源［5］。WEAP模型使用標(biāo)準(zhǔn)的線性規(guī)劃的方法解決每一時(shí)間步長水資源分配問題，其目的是最大限度地滿足基于供需順序的水資源需求。在AQUATOOL模型中，地表水系統(tǒng)的模擬和管理1次完成，解決月時(shí)間步長的穩(wěn)態(tài)河網(wǎng)流量優(yōu)化問題。另一方面，僅用于模擬水資源系統(tǒng)的模型如RIBASIM和WARGI－SIM可以讓系統(tǒng)性能的指標(biāo)值更低(如用戶定義水資源供給水平的脆弱性或者依賴性)。但是，RIBASIM和WARGI－SIM模型更適于不能滿足系統(tǒng)理想條件時(shí)，模擬制定實(shí)際管理措施。不同于傳統(tǒng)政策，這些措施能夠根據(jù)水庫的水文條件和存儲(chǔ)能力非常精確地確定水庫供水量，從而制定供給和需求次序。AQUTOOL、RIBASIM和 WARGI－SIM模型的管理措施是固定的，而在MODSIM和WEAP模型中是由系統(tǒng)狀態(tài)和水文條件綜合集成后的最佳管理實(shí)踐。尤其是最新版本的MODSIM模型是基于MS.NET框架開發(fā)的，該版本允許用戶在不修改源碼的情況下根據(jù)需求制定運(yùn)行條件。雖然通用的模型在制定情景措施的詳細(xì)程度和類型上存在差別，但是它們都包含了優(yōu)先次序的理念。

雖然上述模型均具有水質(zhì)模擬功能，但是大多數(shù)水質(zhì)模型模塊和算法較水質(zhì)模型相對(duì)簡單。除此之外，MODSIM和WEAP模型嵌套了精確的二維水質(zhì)模型(如美國環(huán)保署的QUAL2E模型)，以提供非常詳細(xì)而全面的系統(tǒng)水質(zhì)狀況，包括氨氮、硝酸鹽、有機(jī)和無機(jī)磷、藻類、沉積物、pH和病原體。這種綜合方法允許共同考慮水質(zhì)和水量作為水資源管理的先決條件。因此，用戶可以清楚地確定權(quán)衡水質(zhì)和水量之間的目標(biāo)。此外，MODSIM和WEAP模型可以與MODFLOW模型聯(lián)動(dòng)，該模型是一個(gè)三維有限差分地下水模型，是研究地下水位變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，反之亦然。然而，與MODFLOW模型聯(lián)動(dòng)耦合不是一項(xiàng)簡單的工作，這需要大量的校準(zhǔn)工作。在AQUATOOL模型中，用戶可以選擇其中一個(gè)模塊模擬地下水情況，模擬范圍從一個(gè)水庫模塊到一個(gè)不規(guī)則含水層的分布式模塊。

2 水資源模型主要功能介紹

2.1 AQUATOOL模型 AQUATOOL是西班牙瓦倫西亞大學(xué)(UPV)開發(fā)的一個(gè)DSS系統(tǒng)，該模型用于包含多個(gè)水庫、含水層以及需求中心的復(fù)雜流域水資源管理和決策［6－7］。在WINDOWS系統(tǒng)下運(yùn)行，AQUATOOL已經(jīng)可以由不同的程序語言編譯，如C++、Virual Basic和FORTRAN等。目前，該決策支持系統(tǒng)已經(jīng)升級(jí)拓展了一些模塊，包括模擬模塊(SimWin)、在SimWin模塊基礎(chǔ)上運(yùn)行水資源系統(tǒng)管理模塊(SimRisk)、以月為步長的優(yōu)化模塊(OptiWin)以及模擬地下水分布的特征值法(AquiVal)模塊。SimRisk是以月為步長進(jìn)行模擬，可以用于非線性過程，如蒸發(fā)和滲透。SimWin分為5類面向?qū)ο蟮倪B接，允許用戶再生成水資源損失，節(jié)點(diǎn)之間的水動(dòng)力鏈接，水庫以及基于水位的流量和含水層限制［8］。

2.2 MODSIM模型 MODSIM決策支持系統(tǒng)是由美國科羅拉多州立大學(xué)在20世紀(jì)70年代末研發(fā)的［9］。MODSIM模擬系統(tǒng)通過優(yōu)化非線性水網(wǎng)流量，對(duì)每一時(shí)間步長內(nèi)水資源分配進(jìn)行模擬(如蒸發(fā)地下水回流、水道損失等)，并進(jìn)行連續(xù)評(píng)估，使用拉格朗日算法RELAX－IV解決問題。MODSIM使用.NET框架開發(fā)的，具有很強(qiáng)的環(huán)境實(shí)用性，不需要重新編譯程序語言［10］。水庫平衡程序運(yùn)行把水庫分成若干個(gè)控制區(qū)用來控制水庫儲(chǔ)水的空間分布［11］。此外，水庫的調(diào)度運(yùn)行規(guī)則以及需求分配可以由用戶根據(jù)水文狀態(tài)變量最終確定。MODSIM可以與MODFLOW聯(lián)動(dòng)分析地下水和地表水交匯區(qū)［12］，也可以像QUAL2E模型一樣評(píng)估污染控制措施效果［13］。MODSIM含有一個(gè)現(xiàn)有綜合措施的隨機(jī)優(yōu)化框架，可以通過動(dòng)態(tài)軟件包CSUDP獲得。主要模塊的應(yīng)用需要專門培訓(xùn)、外部模塊，如果沒有建模經(jīng)驗(yàn)很難掌握。

2.3 RIBSIM模型 RIBASIM是由荷蘭DELATRARES(前DELFT研究中心)基于流域不同水文條件開發(fā)的模型軟件包［14］。RIBASIM主要是解決流域內(nèi)不同地點(diǎn)的水資源輸入與供水系統(tǒng)中特定用戶關(guān)系的模型，它允許用戶設(shè)定規(guī)劃情景、每一情景預(yù)設(shè)操作規(guī)則/水資源供給預(yù)測。通過強(qiáng)大的圖形界面，根據(jù)用戶定義的目標(biāo)進(jìn)行不同情景對(duì)比分析。水需求分析涉及面廣泛(人口、經(jīng)濟(jì)、作物需水量)，可以在不同層次上對(duì)現(xiàn)在和未來水資源需求進(jìn)行比較分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)農(nóng)作物產(chǎn)量和作物缺水造成的損失［15］。RIBASIM根據(jù)目標(biāo)存儲(chǔ)體積以及復(fù)合區(qū)域設(shè)定分配規(guī)則。雖然RIBASIM簡單易用，但是進(jìn)行詳細(xì)分析時(shí)需要大量的數(shù)據(jù)支持［16］。

2.4 WARGI-SIM模型 WARGI是一個(gè)用于幫助用戶理解水資源匱乏地區(qū)水庫系統(tǒng)的水資源供給和需求相互關(guān)系的有用工具。自20世紀(jì)90年代中期以來，意大利卡利亞里大學(xué)陸地工程系的水資源研究小組(WRG)開發(fā)的WRARG模型已經(jīng)得到擴(kuò)展，并集成了新的模塊［17］。WARGI模型包括若干相互關(guān)聯(lián)模塊，主要包括模擬模塊(WARGI－SIM)、優(yōu)化決策模塊(WARGI－OPT)、水庫水質(zhì)優(yōu)化模塊(WARGIQUAL)以及情景優(yōu)化模塊(WARGI－SCEN)［18］。為了評(píng)價(jià)抗旱減災(zāi)措施以及改善這些措施的干旱指標(biāo)，WRG最近開發(fā)了完全 整合了 WARGI－SIM 和 AWRGI－OPT 的 新 版 本。WARGI已經(jīng)在GRID環(huán)境下運(yùn)行，以滿足在干旱條件下大規(guī)模模擬分析復(fù)雜水資源系統(tǒng)［19］。在WARGI－SIM模型中，水資源分配是根據(jù)用戶定義的優(yōu)先次序進(jìn)行模擬的。此外，用戶可以定義年保留體積函數(shù)以及保留區(qū)退水降到滿足用戶選擇的高級(jí)別需求點(diǎn)。WARGI－SIM是一個(gè)相對(duì)簡單模型，它可以幫助非專業(yè)人士解決復(fù)雜水資源系統(tǒng)的主要問題和爭端［20］。

2.5 WEAP模型 WEAP(Water Evaluation and Planning System)模型是在美國軍工部水力工程中心資助下，由英國斯德哥爾摩環(huán)境研究機(jī)構(gòu)(Stockholm Environment Institute，SEI)開發(fā)的用于水資源綜合規(guī)劃分析的工具。它具有靈活而友好的用戶接口，主要實(shí)現(xiàn)供水、需水、水質(zhì)和生態(tài)保護(hù)的水資源系統(tǒng)模擬。將水資源的供給與需求、水量與水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境等要素綜合在一個(gè)整體框架之下，全面評(píng)估資源管理策略。目前已在全球數(shù)十個(gè)國家開展了應(yīng)用研究。Rachid等研究了阿爾及利亞奧蘭市水資源的分配及2011～2030年替代方案，揭示了該地區(qū)水資源的脆弱性，為該地區(qū)水資源的可持續(xù)性提供了支持［21］。根據(jù)不同需要選擇不同的數(shù)據(jù)水平及形式，可以同時(shí)滿足當(dāng)?shù)丶傲饔蛩Y源管理要求，結(jié)果表達(dá)靈活多樣，具有多個(gè)接口，可以與其他模型或軟件聯(lián)用，如 GIS、QUAL2K、MODFLOW、PEST 等模型［22－25］，表現(xiàn)出良好的兼容性及可擴(kuò)展性。

3 發(fā)展趨勢

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，集成信息分析處理能力的模型系統(tǒng)更容易為非專家所接受。未來水資源工具的發(fā)展需求如下:

(1)GIS技術(shù)已經(jīng)用于用戶界面、數(shù)據(jù)處理、分析以及可視化的設(shè)計(jì)。文中所涉及的決策支持系統(tǒng)(DSSs)都集成了不同水平的地圖或者視圖顯示功能。越來越多的決策支持系統(tǒng)采用GIS技術(shù)，尤其是主流商業(yè)軟件和工程領(lǐng)域，產(chǎn)品體現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的適用性，如Google Earth、Arc－View、ArcGIS、MapWindow、MAPGIS 等。

(2)水資源規(guī)劃模型面臨的主要挑戰(zhàn)是模擬結(jié)果的表達(dá)以及模型不確定性，尤其是關(guān)于制定措施和解決研究區(qū)域的水資源分配問題。水資源規(guī)劃模擬的核心是模擬情景的設(shè)置，一般是在統(tǒng)計(jì)假定發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)情況下對(duì)未來的不確定做出規(guī)避降低風(fēng)險(xiǎn)的決策。絕大多數(shù)決策支持系統(tǒng)情景方案的設(shè)定以及模擬預(yù)測都是基于經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。目前，研究的重點(diǎn)是研發(fā)更切合實(shí)際的水資源規(guī)劃和管理的概化框架和管理程序以及情景分析工具。

(3)一些創(chuàng)新已經(jīng)應(yīng)用到水資源模型中，通過可視化的模擬環(huán)境和交互工具進(jìn)一步強(qiáng)化了非專業(yè)用戶的模擬分析水平，類似的軟件有Visual Basic、Excel、SAS軟件等。

(4)免費(fèi)開放源軟件包括Linux系統(tǒng)共享軟件以及云計(jì)算技術(shù)為今后模型技術(shù)發(fā)展提供了可能性。

［1］陶濤，劉遂慶，李樹平，等.城市水資源管理模型的研究進(jìn)展［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2005，16(1):60 －62.

［2］SULIS A，SECHI G M.Comparison of generic simulation models for water resource systems［J］.Environmental Modelling ＆ Software，2013，40(3):214－225.

［3］LOUCKS D P，STEDINGER J R，HAITH D A.Water Resource Systems Planning and Analysis［M］.Engle wood Cliffs，NJ Prentice－Hall，1981:108－115.

［4］ASSATA H，VAN BEEK E，BORDEN C，et al.Generic simulation models for facilitating stakeholder involvement in water resources planning and management:A comparison，evaluation，and identification of future needs［M］.US Deparment of Energy Publications，2008:381 －387.

［5］任希巖，謝映霞，朱思誠，等.在城市發(fā)展轉(zhuǎn)型中重構(gòu)——關(guān)于城市內(nèi)澇防治問題的戰(zhàn)略思考［J］.城市發(fā)展研究，2012(6):71－77.

［6］ANDREU J，CAPILLA J，SANCHIS E.AQUATOOL:A computer－assisted support system for water resources research management including conjunctive use，in Decision Support Systems［M］.Springer，1991:333 －355.

［7］ANDREU J，CAPILLA J，SANCHíS E.AQUATOOL，a generalized decision－support system for water－resources planning and operational management［J］.Journal of Hydrology，1996，177(3):269 －291.

［8］ GUTIéRREZ ENRíQUEZ M M，ARISTIZáBAL RODRíGUEZ H F，IMPLEMENTACIóN DEL SISTEMA SOPORTE A LA DECISIóN AQUATOOL ENLA ZONA CENTRO DEL DEPARTAMENTO DEL VALLE DEL CAUCA［J］.Ingeniería de Recursos Naturalesydel Ambiente，2011(6):40－46.

［9］LABADIE J，BALDO M，LARSON R.MODSIM:decision support system for river basin management:Documentation and user manual［M］.Dept.of Civil Eng.，Colo.State Univ.，F(xiàn)t.Collins，CO，2000.

［10］LABADIE J，LARSON R.MODSIM 8.1:River Basin Management Decision Support System.User Manual and Documentation［J］.Colorado State University，F(xiàn)ort Collins，2007，123:85 －88.

［11］ MARTIN Q W.Multireservoir Simulation and Optimization Model(SIMV):Program Documentation and User’s Manual［M］.Austin，Texas，USA:Texas Depart of Water Resources，UM －38，1982:35 －37.

［12］BERHE F T，MELESSE A M.Modesim－based water allocation of Awash River Basin，Ethiopia［J］.Proceedings of Watershed Management and Operations Management，2013，109:118 －128.

［13］BROWN L C，BARNWELL T O.The enhanced stream water quality models QUAL2E and QUAL2E－UNCAS:documentation and user manual［R］.US Environmental Protection Agency.Office of Research and Development.Environmental Research Laboratory，1987.

［14］HSU N S，CHENG K W.Network flow optimization model for basin－scale water supply planning［J］.Journal of Water Resources Planning and Management，2002，128(2):102 －112.

［15］HYDRAULICS W D.RIBASIM，Version 6.32［M］.WL Delft，Holland:Deflt Hydraulics，2004:1－125.

［16］OMAR M M.Evaluation of actions for better water supply and demand management in Fayoum，Egypt using RIBASIM［J］.Water Science，2013，27(54):78－90.

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

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

［19］SECHI G，SULIS A.Operative indicators for drought mitigation tools in multireservoirsystems.Options Méditerranéennes ［M］.Série A:Séminaires Méditerranéens(CIHEAM)，2008.

［20］MATROSOV E S，HAROU J J，LOUCKS D P.A computationally efficient open－source water resource system simulator－Application to London and the Thames Basin［J］.Environmental Modelling ＆ Software，2011，26(12):1599－1610.

［21］BOUKLIA－HASSANE R，YEBDRI D，TIDJANI A E B.Prospects for a larger integration of the water resources system using WEAP model:a case study of Oran province［J］.Desalination and Water Treatment，2014(ahead－of－print):1 －10.

［22］CHOI S J，KIM J H，LEE D R.Decision of the water shortage mitigation policy using Multi－Criteria Decision Analysis［J］.KSCE Journal of Civil Engineering，2012，16(2):247 －253.

［23］MABMANN J，WOLFER J，HUBER M，et al.WEAP－MODFLOW as a Decision Support System(DSS)for integrated water resources management:Design of the coupled model and results from a pilot study in Syria［M］//MALOSZEWSKI P，WITCZAK S，MALINA G，et al.Groundwater Quality Sustainability.International Association of Hydrogeologists Selected.CRC Press，2012:173.

［24］YAGHOBI B，SHABANLOU S，YOSEFVAND F.Simulation of rainfallrunoff using WEAP model(case study:Qaraso basin)［J］.Agricultural Communications，2014，2(4):63 －68.

［25］TZABIRAS J.A GIS based district information system for water resources management and planning［R］.in EGU General Assembly Conference Abstracts，2014.