RIVERWARE模型在流域水資源規(guī)劃應(yīng)用的研究綜述

麥麥提敏·庫(kù)德熱提阿布都·沙拉木穆艾塔爾·賽地

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830049）

RIVERWARE模型在流域水資源規(guī)劃應(yīng)用的研究綜述

麥麥提敏·庫(kù)德熱提1阿布都·沙拉木2穆艾塔爾·賽地2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830049）

本文詳細(xì)的講述國(guó)外一些流域水資源規(guī)劃模擬軟件的特征及應(yīng)用情況，并分析不同模擬軟件在流域水資源規(guī)劃與開(kāi)發(fā)工作中所取得的一些成就。再進(jìn)一步的講述流域水資源規(guī)劃決策模擬軟件Riverware的主要功能，模型的結(jié)構(gòu)組成及其有關(guān)的模型參數(shù)及其所獲得的部分研究成果等。

水資源規(guī)劃 模擬模型軟件 RIVERWARE模型 應(yīng)用現(xiàn)狀

1　引言

水資源是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是不可代替的重要自然資源［1］。目前人口急劇增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)過(guò)快發(fā)展使得水資源的需求量逐年增加。因此如何可持續(xù)地利用一個(gè)國(guó)家或一個(gè)地區(qū)有限的水資源，解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與人口，生態(tài)及其他方面的矛盾是當(dāng)今水文水資源學(xué)及水資源研究的熱點(diǎn)［2］。

傳統(tǒng)的水資源規(guī)劃是以簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方程式或者水量平衡原理為基礎(chǔ)，解決了流域水資源短缺問(wèn)題。但是流域水資源規(guī)劃中許多因素都是動(dòng)態(tài)的，不斷變化的，需進(jìn)行重復(fù)的改進(jìn)與完善。隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科與水文水資源規(guī)劃學(xué)科的迅速發(fā)展出現(xiàn)了一種人－機(jī)交互的建模方法。也就是說(shuō)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件和敏銳的邏輯思維方式建立流域水資源規(guī)劃模型，考慮全部靜態(tài)與動(dòng)態(tài)因素提出流域水資源規(guī)劃與開(kāi)發(fā)的最佳方案與優(yōu)化方案。

2　不同水資源規(guī)劃模擬軟件特征分析

國(guó)際上的水資源研究起始于20世紀(jì)50年代，1953年美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)為解決美國(guó)密蘇里河流域多座水庫(kù)的運(yùn)行問(wèn)題，設(shè)計(jì)了最早的水資源模擬模型。

1960年Emergy和Meek為解決尼羅河流域水庫(kù)規(guī)模和運(yùn)行調(diào)度問(wèn)題也構(gòu)造了專門的模擬模型。其后，隨著系統(tǒng)分析理論和優(yōu)化技術(shù)的引入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水資源系統(tǒng)模擬模型和優(yōu)化模型的建立、求解和運(yùn)行的研究工作得到了不斷提高。

國(guó)內(nèi)水資源研究起始于20世紀(jì)60年代，以水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度為先導(dǎo)。20世紀(jì)80年代，以華士乾為首的研究小組對(duì)北京地區(qū)的水資源采用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行了研究，并在“七五”攻關(guān)項(xiàng)目中加以提高和應(yīng)用。80年代后期新疆水利廳會(huì)同有關(guān)部門進(jìn)行了“新疆水資源及其承載能力和開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略對(duì)策”的項(xiàng)目研究。隨后水資源規(guī)劃的研究在全國(guó)各地區(qū)各流域廣泛展開(kāi)［3］。

迄今為止，我國(guó)水庫(kù)調(diào)度的研究經(jīng)歷了兩個(gè)階段，第一階段是以常規(guī)調(diào)度方法為主的經(jīng)驗(yàn)尋優(yōu)調(diào)度階段。該階段調(diào)度方法簡(jiǎn)單直觀，但沒(méi)有充分發(fā)揮水庫(kù)的調(diào)控作用，難以處理多目標(biāo)，多約束和復(fù)雜水利系統(tǒng)的調(diào)度問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，人們?cè)谒畮?kù)調(diào)度實(shí)踐中，對(duì)一些常規(guī)調(diào)度方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了如利用判別系數(shù)和調(diào)度圖相結(jié)合的方法進(jìn)行水電站群的徑流補(bǔ)償調(diào)節(jié)等；第二階段是以運(yùn)籌學(xué)為基礎(chǔ)的水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度階段，發(fā)展到現(xiàn)在，大致可以劃分為線性規(guī)劃（LP），非線性規(guī)劃（NLP），動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP），模擬技術(shù)，控制方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法（ANN），遺傳算法，多目標(biāo)決策技術(shù)，大系統(tǒng)理論與方法，隨機(jī)優(yōu)化方法，模糊優(yōu)化方法以及衍生的一些其他方法等［4］。

2.1丹麥水利研究所開(kāi)發(fā)的水資源規(guī)劃管理軟件MIKE BASIN

MIKE BASIN是丹麥水利研究所（DHI）研發(fā)的流域水資源規(guī)劃管理工具，作為對(duì)流域的數(shù)學(xué)描述，目的是找到每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的靜止解，反應(yīng)主要河流水系，水文時(shí)空特征，現(xiàn)有及規(guī)劃的主要水源工程方案，并以河網(wǎng)模型的形式表現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是適合于不同時(shí)間尺度（年，月，日），空間尺度（工程點(diǎn)，河流到流域）上對(duì)大量的方案進(jìn)行研究，計(jì)算速度快，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交互，結(jié)果分析展示等功能，可移植性和擴(kuò)展性較強(qiáng)。MIKE BASIN系統(tǒng)的一個(gè)重要前提就是“靜止假設(shè)”，即所計(jì)算的水資源系統(tǒng)中水量和水質(zhì)是緩慢變化的［5］。

2.2加拿大奧博特環(huán)境公司研制的WRMM模型

WRMM（water resource management model）模型是70年代加拿大大奧博特環(huán)境公司（ALBERTA ENVIRONMENT）研制的一個(gè)包括來(lái)水，耗水，輸水，蓄水工程在內(nèi)，流域?yàn)榛狙芯繂卧?，?jié)點(diǎn)圖為基礎(chǔ)，供需平衡為原則的一個(gè)大型的地表水分配模型。其計(jì)算方法以線性規(guī)劃理論為基礎(chǔ)，水分配的優(yōu)先權(quán)由罰點(diǎn)系統(tǒng)和線性規(guī)劃技術(shù)以整個(gè)系統(tǒng)罰值最小來(lái)確定，為水資源規(guī)劃和利用而開(kāi)發(fā)的規(guī)劃工具。

模型應(yīng)用結(jié)果表明模型有足夠精度除了能描述農(nóng)業(yè)用水，城市生活與工業(yè)用水過(guò)程以外，還能模擬各工程的調(diào)度情況與河道的損失過(guò)程［6］。

2.3水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)DSS

對(duì)于DSS尚無(wú)統(tǒng)一的定義。1982年，Sprague和Carlson定義DSS為“一個(gè)基于計(jì)算機(jī)的人-機(jī)交互系統(tǒng)，它幫助決策者應(yīng)用數(shù)據(jù)和模型解決非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的問(wèn)題”。Johnson則定義“DSS是一個(gè)由計(jì)算機(jī)硬件和軟件包結(jié)合的整體，可使管理運(yùn)行人員容易地用來(lái)幫助他們實(shí)行決策及熟悉系統(tǒng)的性能。此外，DSS允許將運(yùn)行人員的判斷加入分析過(guò)程，從而提供人-機(jī)協(xié)作的機(jī)會(huì)”［7］。

不管如何定義，一般認(rèn)為DSS至少應(yīng)有3個(gè)主要組成部分：（1）數(shù)據(jù)子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的獲取和處理及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理；（2）模型子系統(tǒng)，對(duì)所研究的系統(tǒng)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)和決策指導(dǎo)的模型；（3）對(duì)話管理界面，用于交互式的人-機(jī)協(xié)作。

2.4英國(guó)WATERWARE系統(tǒng)

英國(guó)WaterWare系統(tǒng)是一個(gè)用于流域管理的面向?qū)ο蟮男畔⒑蜎Q策支持系統(tǒng)，最初是在EURERA項(xiàng)目資助下開(kāi)發(fā)的，曾用于英國(guó)泰晤士河，墨西哥Lerma流域，巴勒斯坦西岸與加沙地區(qū)的研究。該系統(tǒng)是基于GIS和數(shù)據(jù)庫(kù)的模塊化框架，允許連接各種模擬和優(yōu)化模型進(jìn)入該框架，同時(shí)提供通用用戶界面和一致的共享數(shù)據(jù)源以及系統(tǒng)模塊間通信機(jī)制。從用戶的觀點(diǎn)，WaterWare是由具有GIS的中央信息系統(tǒng)部件，數(shù)據(jù)庫(kù)和多媒體超文本系統(tǒng)組成，能提供背景信息，描述特定的流域［8］。

2.5流域水資源規(guī)劃和管理決策支持系統(tǒng)RIVERWARE

RIVERWARE決策支持系統(tǒng)是一種用于河流、水庫(kù)及水電站運(yùn)行管理的通用建模軟件，對(duì)河道的水流過(guò)程、水庫(kù)操作、消耗性用水、引水渠、淺層地下水與地表水的交互過(guò)程、水電站及其各種水工建筑物的運(yùn)行操作進(jìn)行建模。其最大特點(diǎn)是用戶可以利用基于規(guī)則的語(yǔ)言將任何操作或調(diào)度方案靈活地表達(dá)成各種邏輯規(guī)則，解決了針對(duì)不同水資源相關(guān)問(wèn)題。該軟件采用了面向?qū)ο螅∣b je ct-Oriented）和數(shù)據(jù)中心（Data-Centered）風(fēng)格的軟件設(shè)計(jì)方法，提供包括供水、航運(yùn)、發(fā)電、防洪等水庫(kù)多目標(biāo)分析計(jì)算方法，同時(shí)也包含隨機(jī)水文分析、河道水力學(xué)計(jì)算、水質(zhì)分析、地表水及地下水轉(zhuǎn)化分析等功能。由于采用了先進(jìn)和系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路和技術(shù)，RIWERWARE具有良好的可控性和適應(yīng)性，用戶可以根據(jù)需求和經(jīng)驗(yàn)定制模型，實(shí)現(xiàn)從模型構(gòu)建到計(jì)算方法選擇的完整控制。該軟件在美國(guó)墾務(wù)局（USBR）和田納西流域管理局（TVA）得到了應(yīng)用。

3　Riverware模型國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用分析

Riverware 是美國(guó)墾務(wù)部開(kāi)發(fā)局（US Bureau of Reclamation or USBR，Department of Interior）、田納西流域管理局 （Tennessee Valley Authority）和科羅拉多大學(xué)先端水資源水環(huán)境決策支持系統(tǒng)研究中心（Center for Advanced Decision Support for Water and Environmental Systems or CADSWES，University of Colorado at Boulder）開(kāi)發(fā)出來(lái)的通用于流域水資源規(guī)劃和管理，水資源優(yōu)化配置的一種綜合性的決策支持系統(tǒng)。其功能包括擬建水庫(kù)群的位置及規(guī)模的決定、水庫(kù)群聯(lián)調(diào)和優(yōu)化調(diào)度、洪水預(yù)報(bào)、洪水模擬、水質(zhì)模擬、環(huán)境及生態(tài)影響評(píng)價(jià)等。決策者通過(guò)利用Riverware提供的數(shù)據(jù)和模型結(jié)果能解決隨機(jī)性的一系列流域環(huán)境和水資源問(wèn)題。

3.1國(guó)外研究應(yīng)用分析

①由美國(guó)田納西流域管理局與科羅拉多大學(xué)水與環(huán)境決策系統(tǒng)中心所組成的研究員們對(duì)Riverware模塊進(jìn)行最優(yōu)化之后，1998年6月田納西流域管理局通過(guò)應(yīng)用Riverware模型，在水電站釋放時(shí)間上得到了引路和指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)該模型進(jìn)行最優(yōu)化與改進(jìn)后田納西流域管理局正式開(kāi)始應(yīng)用并且執(zhí)行了許多任務(wù)［9］。

②2006年John C，Carron，Edith A.Zagona，Terrance J.Fulp等在科羅拉多河下游與莫哈維水庫(kù)調(diào)度管理分析研究工作中利用Riverware模型與矩陣法對(duì)流域水系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。并通過(guò)有關(guān)參數(shù)調(diào)到最佳狀態(tài)后對(duì)科羅拉多河下游流域管理工作進(jìn)行了應(yīng)用性方案分析。在模擬過(guò)程中他們利用Riverware模型跟莫哈維水庫(kù)隨機(jī)性的參數(shù)和操作環(huán)境進(jìn)行了10天多的運(yùn)行并得到了滿意的研究成果［10］。

③2006年Donald Frevert，Terrance Fulp，Edith Zagona，George Leavesley，Harry lins等組成的研究組結(jié)合Riverware模型，水文數(shù)據(jù)庫(kù)（HDB）及模擬模型系統(tǒng)（MMS）對(duì)科羅拉多河流域（Colorado River basin），格蘭德河上游段流域（UPPER Rio Grande basin），佩科斯河流域（Pecos River basin），尤馬蒂拉河流域（Umatilla River basin）與特拉斯河流域（Truckee River basin）進(jìn)行調(diào)度分析。目前此技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于科羅拉多河小范圍的水庫(kù)調(diào)度到大范圍的流域規(guī)劃上。美國(guó)聯(lián)邦及州級(jí)機(jī)關(guān)積極參與Riverware模型的運(yùn)行與決策過(guò)程的順利進(jìn)行。圣胡安河流域（San Juan River Basin）是水質(zhì)污染比較嚴(yán)重的河流，對(duì)科羅拉多（Colorado），新墨西哥（New Moxico）及阿尼馬斯拉普拉大市水資源規(guī)劃上帶來(lái)了挑戰(zhàn)。Riverware模型，水文數(shù)據(jù)庫(kù)（HDB）及模擬模型系統(tǒng)（MMS）在這些流域得到了廣泛的應(yīng)用［11］。

3.2國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用分析

2003年11月份中國(guó)水利水電科學(xué)研究院遙感技術(shù)開(kāi)發(fā)研究中心（即水利部遙感應(yīng)用中心）常務(wù)副主任，教授級(jí)高級(jí)工程師，美國(guó)注冊(cè)高級(jí)工程師王義成老師在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院年度學(xué)術(shù)會(huì)議中做過(guò) “Riverware 流域決策支持系統(tǒng)及其應(yīng)用”的學(xué)術(shù)匯報(bào)。

2012年新疆維吾爾自治區(qū)水利水電科學(xué)研究院順利申請(qǐng)科技支持計(jì)劃國(guó)際合作項(xiàng)目引進(jìn)了Riverware流域通用性模型軟件，并在烏魯木齊河上游段進(jìn)行研究工作。此項(xiàng)目正在順利的進(jìn)行中。

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新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（20126013），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51069017），新疆維吾爾自治區(qū)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)自助項(xiàng)目（KY2014044），新疆大學(xué)綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（XJDX0201-2013-04），水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201001065）。

麥麥提敏·庫(kù)德熱提（1986-），男，新疆烏魯木齊人，在讀碩士研究生，主要研究農(nóng)田水利與水資源規(guī)劃。