基于GIS的民勤綠洲水資源調(diào)度管理系統(tǒng)設(shè)計

李元紅，盧樹超，劉佳莉，程玉菲，李 莉，王軍德

（甘肅省水利科學(xué)研究院，730000，蘭州）

民勤綠洲位于甘肅省西部、河西走廊東段的石羊河流域下游，紅崖山水庫以北，隸屬甘肅省武威市，東與北接內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗、右旗；南鄰武威市涼州區(qū)，西南毗連金昌；東西北三面被騰格里和巴丹吉林兩大沙漠包圍，是我國典型的荒漠綠洲之一，也是生態(tài)問題最為嚴(yán)重的地區(qū)。地勢由西南向東北傾斜，海拔1 276～1468m，地面坡降0.5‰～0.9‰。根據(jù)農(nóng)業(yè)區(qū)劃，綠洲劃分為壩區(qū)、泉山區(qū)和湖區(qū)，轄18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

水資源的可持續(xù)利用是區(qū)域持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，特別是在民勤等荒漠綠洲地區(qū)，水資源的開發(fā)利用與綠洲的演變發(fā)展顯得更加密切相關(guān)。在水資源管理工作中需收集大量的水文地質(zhì)資料，傳統(tǒng)的信息管理方法在技術(shù)上越來越不適應(yīng)現(xiàn)代水資源管理的需要。近年，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，管理信息系統(tǒng)概念日趨完善，功能日漸強(qiáng)大。目前流行的開發(fā)工具有 Visual Studio 2008、Visual Basic6.0、VisualC 6.0、Visual Fox-Pro6.0，以及具有強(qiáng)大的空間分析和計算功能的地理信息系統(tǒng)GIS(Geographic Information System)，GIS 技 術(shù)因其高效的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的維護(hù)能力及強(qiáng)大的檢索查詢與分析功能，為在水資源管理過程中獲取信息和決策分析提供了有效的工作平臺和可靠的技術(shù)支持。本研究以GIS技術(shù)為平臺，以Visual Studio 2008為手段，開發(fā)民勤綠洲水資源調(diào)度管理系統(tǒng)，擬在民勤綠洲推廣應(yīng)用先進(jìn)的水資源管理技術(shù)，提高水資源管理水平，促進(jìn)水資源合理開發(fā)利用。

一、水資源調(diào)度管理系統(tǒng)設(shè)計

基于GIS的民勤綠洲水資源調(diào)度管理系統(tǒng)的目標(biāo)分為宏觀和微觀兩個層面。在宏觀層面，綠洲水資源調(diào)度管理服務(wù)于綠洲的可持續(xù)發(fā)展，而綠洲可持續(xù)發(fā)展包括兩個方面的內(nèi)容，即生態(tài)環(huán)境良性運(yùn)轉(zhuǎn)和社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，因此水資源調(diào)度管理的宏觀目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)綠洲生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展兩大系統(tǒng)之間以及兩大系統(tǒng)內(nèi)部用水的協(xié)調(diào)，以綠洲水資源的可持續(xù)利用支撐和保障經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

在微觀層面，國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施的石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃，已經(jīng)為協(xié)調(diào)民勤綠洲經(jīng)濟(jì)社會用水和生態(tài)環(huán)境用水之間的關(guān)系提供了指導(dǎo)性意見，因此民勤綠洲水資源微觀調(diào)度管理目標(biāo)就是在指導(dǎo)性意見約束下，按照系統(tǒng)、公平、效率和可持續(xù)性原則，完成不同方案下各用水戶之間的具體分配，以實(shí)現(xiàn)綠洲經(jīng)濟(jì)社會效益和生態(tài)環(huán)境效益的最大化。

1.模型框架

民勤綠洲水資源調(diào)度管理模型由5個子模塊組成，其核心模型是水資源實(shí)時調(diào)度模型，另外還包括種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化、需水預(yù)測、可供水量預(yù)測和結(jié)果評價4個預(yù)測子模塊。該模型與利用FEFLOW5.4構(gòu)建的地下水?dāng)?shù)值模擬模型耦合嵌套，通過地下水位模擬預(yù)測各方案在控制地下水位、改善生態(tài)方面的影響，評價方案的合理性，圖1為民勤綠洲水資源調(diào)度管理模型結(jié)構(gòu)。

2.模擬方法

水資源調(diào)度是在一個總控條件約束下的事前決策與事后修正的過程，是以綠洲水資源合理配置為控制基礎(chǔ)，包括年和月的總量控制；通過逐時段預(yù)測水庫的蒸發(fā)、滲漏損失以及調(diào)度過程中渠系的蒸發(fā)滲漏損失，并結(jié)合當(dāng)前水利工程情況作出當(dāng)時段的調(diào)度決策；根據(jù)新的來水信息、氣象信息修正預(yù)報信息所帶來的偏差，逐時段滾動修正，直到調(diào)度結(jié)束。

種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型是利用多目標(biāo)規(guī)劃法對民勤綠洲種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對目標(biāo)的優(yōu)化初選，將民勤綠洲劃分為壩區(qū)、泉山區(qū)和湖區(qū)3個分區(qū)，在水資源有限的前提下選擇社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益最佳作為目標(biāo)函數(shù)，在各分區(qū)的約束條件和總水量條件約束下，求解各區(qū)種植結(jié)構(gòu)比例。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選作物凈效益來衡量，社會指標(biāo)選用糧食產(chǎn)量來衡量，而生態(tài)環(huán)境指標(biāo)通常是定性描述的。對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)要素進(jìn)行生態(tài)功能價值估算，即生態(tài)效益定量化，這是目前生態(tài)環(huán)境研究的難點(diǎn)和前沿課題。本研究采用層次分析法（AHP）將生態(tài)效益量化，即單位面積種植不同作物對生態(tài)環(huán)境影響的重要性定量化。

圖1 民勤綠洲水資源調(diào)度管理模型結(jié)構(gòu)

需水預(yù)測是在種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上采用指標(biāo)分析法預(yù)測農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)需水。根據(jù)用水量的主要影響因素變化趨勢確定相應(yīng)的用水指標(biāo)及用水定額，然后根據(jù)用水定額和長期服務(wù)人口 （或工業(yè)產(chǎn)值等）計算出遠(yuǎn)期的需水量。對各部門的用水影響因素（如人口、工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等）及用水定額進(jìn)行預(yù)測，再分別預(yù)測各部門的需水量，各部門需水量之和即為總需水量。

供水預(yù)測是以上游水文站長系列徑流資料為基礎(chǔ)，結(jié)合石羊河重點(diǎn)治理規(guī)劃向民勤放水的相關(guān)規(guī)定，分析計算不同頻率入庫水量過程線。利用紅崖山水庫面積—庫容曲線和滲漏系數(shù)，分別計算水庫水面蒸發(fā)和滲漏損失，進(jìn)而計算出水庫可供水量過程曲線。

結(jié)果評價模塊是以計算單元為對象進(jìn)行逐時段供需平衡模擬計算，并將水資源調(diào)度結(jié)果與地下水?dāng)?shù)值模擬模型嵌套，分析不同方案下水資源調(diào)度對地下水水位的影響，綜合評價調(diào)度方案的經(jīng)濟(jì)社會效果及環(huán)境影響，最終提出以計算單元為單位的水資源調(diào)度管理方案。

系統(tǒng)開發(fā)在Windows XP操作系統(tǒng)下，以Visual Studio 2008為主要開發(fā)軟件，以Arcinfo為圖形處理軟件。

二、系統(tǒng)開發(fā)成果

1.基于GIS的信息管理系統(tǒng)

基于GIS的信息管理系統(tǒng)分為灌溉信息管理系統(tǒng)和地下水信息管理系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。它們是以向地下水管理模型和水資源調(diào)度管理模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為目標(biāo)，在土地利用與水利工程現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上開發(fā)而成的，由文件、編輯、查詢、統(tǒng)計分析、GIS專題圖等二級菜單組成，每個二級菜單根據(jù)功能不同又分為若干個三級子菜單，可進(jìn)行相關(guān)信息的查詢、編輯、生成報表、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、地圖瀏覽、打印及專題圖制作。

2.水資源調(diào)度系統(tǒng)

民勤綠洲水資源調(diào)度管理系統(tǒng)以水資源供需平衡模擬為核心，以預(yù)測各計算單元各行業(yè)不同時間尺度需水量和需水過程為依據(jù)，水資源系統(tǒng)中各種水源作為供水資源，已建和規(guī)劃的水利工程為供水設(shè)施，通過水資源調(diào)度方案的優(yōu)化選擇，分析在不同方案下水資源供需平衡狀況，得到各分區(qū)水資源配置方案的供需平衡結(jié)果。

3.地下水?dāng)?shù)值模擬系統(tǒng)

地下水?dāng)?shù)值模擬系統(tǒng)根據(jù)研究區(qū)具體水文地質(zhì)條件和實(shí)際需要可建立相應(yīng)的數(shù)值模型，模擬具有各種復(fù)雜邊界條件的地下水水位問題。系統(tǒng)能夠自動完成水文地質(zhì)參數(shù)的反演計算，并實(shí)現(xiàn)任意指定時段的水位預(yù)報功能。同時可處理存在降水、地表水體入滲、越流時的建模問題。對于模型計算結(jié)果，系統(tǒng)提供了3D圖形和文本查看方式，簡便而且效果非常直觀。

建立基于GIS的民勤綠洲水資源調(diào)度管理信息系統(tǒng)能為提高綠洲水資源效率，規(guī)范水資源管理，建立決策支持系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，為科學(xué)開采和優(yōu)化管理地下水資源提供科學(xué)的依據(jù)，對綠洲的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，同時也為類似缺水地區(qū)解決水資源問題提供了有益的參考。

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