通信作者：鐘平安,教授。E-mail:pazhong@hhu.edu.cn

水資源綜合管理決策支持系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

馬彪,鐘平安,萬新宇,曹明霖,閆堃,張宇

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京210098)

摘要：通過標(biāo)準(zhǔn)化建模、水資源規(guī)劃與實時管理一體化設(shè)計、兩層與三層供水體系一體化處理、區(qū)域或流域水資源配置模式選擇等技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的通用性;圍繞水資源配置的基本問題,采取問題導(dǎo)向型設(shè)計,保障系統(tǒng)的多功能性;基于水資源系統(tǒng)基本元素、模型結(jié)構(gòu)與計算碼、拓撲關(guān)系分離,提升系統(tǒng)的可擴充性;通過友好型界面設(shè)計、便捷化操作、可視化配置、情景模擬等技術(shù)研發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)的實用性。將開發(fā)的水資源決策支持系統(tǒng)運用在江蘇沿海圍墾區(qū)水資源綜合管理中，結(jié)果表明系統(tǒng)實用、可靠,應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：水資源綜合管理;決策支持系統(tǒng);通用性;多功能性;可擴充性;實用性

作者簡介：馬彪(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為水資源規(guī)劃與管理。E-mail:1152069343@qq.com

中圖分類號：TV213.9

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0096-06

Abstract：Universality was achieved through standardization modeling,water resource planning and real-time management integration design,two and three layer water supply system design,regional or basin water resource allocation mode choice; versatility was guaranteed by focusing on the basic problem of water resources allocation and taking the problem-oriented design; scalability was improved,which was based on the basic elements of water resource system,model structure and computation code and the separation of topological relationship; practicality was realized through the design of friendly interface,convenient operation,visual configuration,scenario simulation and other technology. The application in the comprehensive management of water resources in Jiangsu coastal reclamation area showed that the system was practical,reliable and had good application effect.

收稿日期：(2014-11-28編輯：徐娟)

Development and application of decision support system for

integrated water resource management

MA Biao,ZHONG Pingan,WAN Xinyu,CAO Minglin,YAN Kun,ZHANG Yu

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Key words： integrated water resource management; decision support system; universality; versatility; scalability; practicability

水資源配置與調(diào)度是一個多區(qū)域、多水源、多用戶、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)問題,傳統(tǒng)的水資源管理方法難以解決這種半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化問題,綜合運用水資源管理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、計算機模擬及優(yōu)化技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)的決策支持系統(tǒng)成為很好的解決途徑。決策支持系統(tǒng)由Fedra[1]首次引入水資源管理,之后，在國外該領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展,如意大利Cagliari大學(xué)開發(fā)了可用于解決干旱、半干旱地區(qū)水量預(yù)測與調(diào)度的WARGI系統(tǒng)[2],Karjalainen等[3]開發(fā)了可用于評價河流生態(tài)和水文環(huán)境的River Life DSS;在流域水資源綜合管理方面,瑞典的WEAP系統(tǒng)、西班牙的AQUA-Tool系統(tǒng)等都是優(yōu)秀的代表。我國水資源決策支持系統(tǒng)的研究起步較晚,但發(fā)展較快,取得了一定的成果,鐘平安等[4]開發(fā)了流域水資源配置情景共享模擬系統(tǒng),蓋迎春等[5]探討了黑河流域中游水資源管理決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。隨著計算機、GIS、人工智能等技術(shù)的發(fā)展,許多學(xué)者不斷將新技術(shù)引入水資源決策支持系統(tǒng),鐘平安等[6-7]研究了B/S模式、WebGIS等在水資源決策支持系統(tǒng)中的應(yīng)用,取得了較好的研究成果。

然而現(xiàn)有水資源決策支持系統(tǒng)通用性和可擴充性差,缺乏靈活性,對解決不同區(qū)域、不同目標(biāo)的水資源管理問題的適應(yīng)性差,難以擴充和移植,因此實用性也大打折扣。針對上述問題,本文研究并開發(fā)了通用性和可擴充性好,靈活性和適應(yīng)性強,功能多樣、易于移植和擴充的開放性、實用性水資源綜合管理決策支持系統(tǒng),為水資源管理工作提供技術(shù)支撐。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1基本思路

1.1.1系統(tǒng)設(shè)計原則

圖1　決策支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

首先,系統(tǒng)在設(shè)計時以面向問題原則為導(dǎo)向,保證系統(tǒng)是針對水資源綜合管理問題而建立的,系統(tǒng)應(yīng)具有較好的實用性;其次,注重專家知識與計算機相結(jié)合,前者解決半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化問題,后者解決結(jié)構(gòu)化定量計算問題;第三,注重系統(tǒng)的通用性、多功能性、可擴充性。

1.1.2工作模式與模型選擇

水資源系統(tǒng)是半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜系統(tǒng),涉及因素眾多,部分因素可通過數(shù)學(xué)模型定量描述,另一部分因素只能通過決策者的經(jīng)驗與智慧進行定性分析與判斷,決策過程是一個多方參與、不斷反饋、不斷修正的交互過程。純數(shù)學(xué)優(yōu)化有時并不能得出能被普遍接受的結(jié)果,難以適應(yīng)復(fù)雜的水資源系統(tǒng)以及以“溝通和協(xié)調(diào)”[8]為主題的水資源管理發(fā)展趨勢。故本系統(tǒng)采用既能反映水資源系統(tǒng)物理本質(zhì),又能兼顧專家決策經(jīng)驗和決策者利益訴求的交互式模擬仿真模型,同時局部采用優(yōu)化技術(shù)輔助計算。

1.1.3技術(shù)選擇

本系統(tǒng)以水資源規(guī)劃與管理專業(yè)知識為基礎(chǔ)支撐,綜合運用GIS、數(shù)據(jù)庫管理、信息管理、面向問題程序設(shè)計、模擬仿真與優(yōu)化、情景交互分析、可視化建模、系統(tǒng)集成等技術(shù),保障所開發(fā)系統(tǒng)的通用性、多功能性、可擴充性和實用性。

1.2框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為用戶層、應(yīng)用服務(wù)層、業(yè)務(wù)支撐層、數(shù)據(jù)資源層和基礎(chǔ)平臺層5個層次,采用通用接口進行聯(lián)接,系統(tǒng)用戶界面與核心部件相對獨立,軟件結(jié)構(gòu)體系追求“高內(nèi)聚,低耦合”,以達到數(shù)據(jù)、方法、模塊之間的相對獨立,增加系統(tǒng)的靈活性,便于系統(tǒng)擴充和升級,保持用戶交互的友好性。決策支持系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)見圖1。

2系統(tǒng)設(shè)計特點

2.1通用性設(shè)計

通過分析水資源綜合管理的技術(shù)需求,保證系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性,本系統(tǒng)從以下幾個方面予以考慮。

2.1.1標(biāo)準(zhǔn)化建模

為了使所構(gòu)建的水資源綜合管理系統(tǒng)能適應(yīng)不同地區(qū)、不同情景要求,對數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計、元素概化及編碼等按照行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計,將龐大而復(fù)雜的水資源系統(tǒng)概化分解為水資源區(qū)、行政區(qū)、計算單元、水源、河流、用戶、控制節(jié)點等7類基本元素。采用數(shù)據(jù)驅(qū)動、可視化配置建模方式,利用拓撲關(guān)系組合不同元素和功能模塊,做到規(guī)劃統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、接口統(tǒng)一,使軟件結(jié)構(gòu)和功能標(biāo)準(zhǔn)化、通用化,能適用于不同地區(qū)、不同情景要求下的水資源管理問題。

圖3　兩層、三層供水體系歸一化處理示意圖

2.1.2規(guī)劃與管理一體化設(shè)計

系統(tǒng)采取水資源規(guī)劃與實時管理一體化設(shè)計,既可以作宏觀的水資源規(guī)劃,又可以作微觀的水資源實時管理。決策者根據(jù)實際需要,通過友好的操作界面選擇計算模式。計算模式選擇界面見圖2。從模型庫和方法庫中選擇所需的計算模型和計算方法,如作宏觀規(guī)劃時,可選擇長系列法或典型年法進行分析計算,而當(dāng)處于水資源實時管理工作模式時,系統(tǒng)提供多種中長期徑流預(yù)測和需水預(yù)測方法供決策者選擇。

圖2　計算模式選擇界面

2.1.3兩層與三層供水體系設(shè)計

傳統(tǒng)水資源綜合管理系統(tǒng)大多在原水水源與用戶之間建立供需關(guān)系,本文稱為兩層供水體系,但對于城市水資源管理系統(tǒng)常常需要考慮原水水源-自來水廠-用戶三者之間的供需平衡,本文稱之為三層供水體系。對于三層供水體系,水廠在水資源系統(tǒng)中既是水源(給用戶供水),又是用戶(從原水水源取水),所以當(dāng)考慮水廠的調(diào)節(jié)作用時,水資源配置系統(tǒng)是一個原水水源-用戶(兩層)、原水水源-水廠-用戶(三層)供水體系并存的復(fù)雜系統(tǒng)。本文所采取的處理方法如圖3所示:首先將由水廠供水的用戶需水根據(jù)該用戶供水水源的供水能力大小打包給水廠,如圖3中的用戶2根據(jù)水廠1和原水水源2面臨時段的供水能力占二者總供水能力的比例將自身需水打包分配給水廠1和原水水源2,這樣水廠就變成有用水需求的用戶,整個系統(tǒng)統(tǒng)一為原水水源-用戶兩層供水體系;然后根據(jù)水量分配原則,按照原水水源-水廠/用戶、水廠-用戶的順序?qū)⑺拷怦?、分配給用戶。這樣,兩層、三層供水體系就被統(tǒng)一到本系統(tǒng)中去。

2.1.4區(qū)域或流域水資源配置

計算單元的劃分采取水資源區(qū)套行政區(qū)的劃分方式,既有利于算清水賬,保持河流、水系的內(nèi)在聯(lián)系,又有利于社會經(jīng)濟資料的收集。水資源區(qū)、行政區(qū)、計算單元、河流、水源、用戶、控制節(jié)點之間通過拓撲關(guān)系相互聯(lián)系,計算和分析結(jié)果在7類基本元素的屬性中均有存儲,可實現(xiàn)對行政區(qū)和水資源區(qū)水資源配置與調(diào)度狀況進行全面的分析統(tǒng)計,并通過交互友好的操作界面展示給決策者,輔助決策者進行決策。

2.2多功能性設(shè)計

系統(tǒng)的多功能性體現(xiàn)在兩個方面:①工作模式多樣。設(shè)計系統(tǒng)既可進行區(qū)域的水資源配置,又可開展流域的水資源配置；既可以作長期水資源規(guī)劃,又可以進行短期水資源實時管理。②系統(tǒng)功能模塊完善。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)建模與可視化配置子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)維護與管理子系統(tǒng)、需水預(yù)測與需水管理子系統(tǒng)、水資源配置子系統(tǒng)、方案評價子系統(tǒng)、情景模擬與交互會商子系統(tǒng),系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和主要功能見圖4。

圖4　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和主要功能示意圖

2.3可擴充性設(shè)計

本系統(tǒng)良好的可擴充性體現(xiàn)在兩個方面:①軟件結(jié)構(gòu)體系和功能模塊具有良好的可擴充性。采用“信息隱藏”、“高內(nèi)聚,低耦合”等軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計原則:即隱藏、封裝系統(tǒng)功能模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法、實現(xiàn)體等模塊內(nèi)部特征信息,增加模塊內(nèi)部元素間的聚合程度,減少模塊間的相互干擾,提高系統(tǒng)功能模塊的靈活性和獨立性;系統(tǒng)操作界面與核心部件相對獨立,數(shù)據(jù)存儲與管理、子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)通信統(tǒng)一由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成,降低系統(tǒng)耦合度,減少模塊間的依賴性,便于擴充和升級;②水資源系統(tǒng)具有良好的可擴充性。采取標(biāo)準(zhǔn)化建模方式,復(fù)雜的水資源系統(tǒng)被概化分解為按照行業(yè)規(guī)范進行編碼的7類基本元素,由拓撲關(guān)系相互連接。按照邏輯結(jié)構(gòu)對控制節(jié)點編制計算碼,計算碼獨立于7類基本元素和模型結(jié)構(gòu),并作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)計算的控制主線,即先按計算碼逐節(jié)點進行節(jié)點水量平衡計算,再判斷節(jié)點是否為水源入流節(jié)點,若是,查找該水源并進行水源來水計算,然后通過拓撲關(guān)系查找該水源所供給的用戶,進行供需平衡計算,依次計算下去,直至最后一個節(jié)點。系統(tǒng)調(diào)節(jié)計算流程見圖5。故如需修改、擴充水資源管理決策支持系統(tǒng),只需按照既定規(guī)則修改或追加系統(tǒng)元素,然后修改、配置拓撲關(guān)系即可。

圖5　系統(tǒng)調(diào)節(jié)計算流程

2.4實用性設(shè)計

2.4.1問題導(dǎo)向型設(shè)計

系統(tǒng)采用問題導(dǎo)向型設(shè)計策略,緊密結(jié)合水資源管理的技術(shù)需求和物理本質(zhì),突出研究區(qū)的問題描述,有針對性地進行分析計算,即所開發(fā)的水資源決策支持系統(tǒng)必須能夠回答和解決研究區(qū)的水源組成、水量多少、水資源時空分布和演變趨勢、研究區(qū)用水結(jié)構(gòu)、需水量及其時空分布等問題,并能根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局及規(guī)劃、水源工程布局及規(guī)劃等解決研究區(qū)的水資源配置問題,若有缺水,如何通過增加供水(擴大工程能力、外調(diào)水、非常規(guī)水等)、節(jié)約用水等措施彌補用水缺口等,這些都是系統(tǒng)所必須面對和回答的問題,也是系統(tǒng)功能模塊的重心所在。

2.4.2友好型設(shè)計

友好型界面和便捷的操作設(shè)計能顯著提高軟件的可操作性,提高決策效率,系統(tǒng)在設(shè)計時堅持這一理念,具體體現(xiàn)在以下幾個方面:①友好型操作界面。系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計,模塊間結(jié)構(gòu)緊湊,美觀大方,數(shù)據(jù)信息、分析計算結(jié)果圖文并茂,功能菜單及工具欄新穎獨特、快捷方便。②操作簡單。水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性制約了軟件的可操作性,決策者并非都是業(yè)務(wù)專家,所開發(fā)的決策支持系統(tǒng)應(yīng)保證專業(yè)人員與非專業(yè)人員都能夠熟練操作,系統(tǒng)在設(shè)計時盡可能將專業(yè)模型結(jié)構(gòu)打包封裝,使操作簡捷化。③可視化配置。嵌入組件式GIS部件,提高軟件系統(tǒng)的空間分析能力和可視化程度,元素樹狀組織結(jié)構(gòu)輔以計算機圖形圖像技術(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)拓撲關(guān)系可視化配置?？梢暬Ｅc配置應(yīng)用示例見圖6。

圖6　可視化建模與配置應(yīng)用示例

2.4.3情景模擬與交互會商

在實際工作中,水資源開發(fā)與管理目標(biāo)呈現(xiàn)多樣化,水資源利用與環(huán)境保護間的矛盾、不同地區(qū)間的用水競爭、不同利益團體間的用水矛盾等交錯在一起,“純優(yōu)化”技術(shù)已很難適應(yīng)這一形勢,更多情況下的水資源管理是利益訴求者之間“溝通和協(xié)調(diào)”的結(jié)果。為適應(yīng)這一形勢,本系統(tǒng)設(shè)計了情景模擬與交互會商模塊,主要功能如下:① 跟蹤分析。系統(tǒng)可對計算單元、水源、用戶、控制節(jié)點等重點對象實施跟蹤分析,如來水分析、需水分析、供水分析、水源組成及合理性檢驗等。② 二次分析。改變模型的約束條件、初始條件和邊界條件,調(diào)整對模型起重要影響的參數(shù)(如拓撲關(guān)系修改、會商因子調(diào)整等)和計算原則,在零方案的基礎(chǔ)上調(diào)整模型結(jié)構(gòu)和部件,選擇分析模型和計算方法,重新生成配置情景進行方案二次分析。③ 情景模擬仿真。決策者可通過設(shè)置模型參數(shù)(如工程能力、工程布局、來水大小及水源組成等)、調(diào)整模型結(jié)構(gòu)和部件等,模擬某種情景,如遭遇特殊干旱年份下的情景、發(fā)生突發(fā)性水污染下的情景等,開展分析,制定應(yīng)急調(diào)度方案。

3實例應(yīng)用

根據(jù)2009—2020年《江蘇沿海灘涂圍墾開發(fā)規(guī)劃》,至2020年江蘇沿海灘涂將新增圍墾面積18萬hm2,屆時新增圍墾區(qū)的水資源保障將成為沿海圍墾區(qū)發(fā)展面臨的首要問題。筆者將所開發(fā)的水資源綜合管理決策支持系統(tǒng)應(yīng)用到江蘇沿海圍墾區(qū),其系統(tǒng)主界面如圖7所示。系統(tǒng)既可以開展江蘇沿海圍墾區(qū)水資源中長期規(guī)劃,又可用于圍墾區(qū)水資源實時管理,其先進性、完整性、多功能性、實用性及友好型設(shè)計保障系統(tǒng)實用、可靠,顯著改善和提高了沿海圍墾區(qū)水資源管理工作的效率和科學(xué)化決策水平,為沿海圍墾區(qū)水資源保障提供了技術(shù)支撐,應(yīng)用效果較好。

4結(jié)語

針對水資源規(guī)劃與管理過程中的特點,開展了水資源綜合管理決策支持系統(tǒng)的研究及開發(fā)應(yīng)用,提出了系統(tǒng)的基本思路和結(jié)構(gòu)框架,重點論述了系統(tǒng)的通用性設(shè)計、多功能性設(shè)計、可擴充性設(shè)計和實用性設(shè)計。其主要特色有:

圖7　江蘇沿海水資源綜合管理決策支持系統(tǒng)主界面

a. 系統(tǒng)采取標(biāo)準(zhǔn)化建模,7類基本元素和模型結(jié)構(gòu)相互獨立,由計算碼和拓撲關(guān)系控制和連接,保障了系統(tǒng)的可擴充性;

b. 系統(tǒng)圍繞水資源配置的基本問題,采取問題導(dǎo)向型設(shè)計,功能全面;

c. 提出水資源規(guī)劃與實時管理一體化設(shè)計、兩層與三層供水體系一體化處理、區(qū)域或流域水資源配置模式選擇等技術(shù),保障了系統(tǒng)的通用性;

d. 通過友好型界面設(shè)計、便捷化操作、可視化配置、情景模擬與交互會商等技術(shù)研發(fā),使系統(tǒng)實用、可靠。

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·簡訊·

第三屆大壩長效特性及環(huán)保修復(fù)技術(shù)

國際研討會將在河海大學(xué)召開

由河海大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院等單位主辦的第三屆大壩長效特性和環(huán)保修復(fù)技術(shù)國際研討會(LTBD2015)將于2015年10月17—19日在河海大學(xué)召開。屆時將就土石壩、混凝土壩的設(shè)計計算理論和方法、長期運行特性、環(huán)保修復(fù)技術(shù)等方面的問題，進行廣泛的交流探討。會議主要議題有： 大壩設(shè)計及分析方法，大壩監(jiān)測及監(jiān)控技術(shù)，筑壩材料的時間依存性及其本構(gòu)模型，大壩內(nèi)部侵蝕與接觸問題，壩基與壩體結(jié)構(gòu)相互作用，大壩地震計算分析， 大壩安全評價，水電工程環(huán)境保護，大壩運行及維護，大壩環(huán)保修復(fù)技術(shù)。

(本刊編輯部供稿)