水資源管理典型模型技術研究綜述

石春力，金陶陶，任海靜，孔祥娟

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

水是人民生活和經濟社會發(fā)展的基礎性戰(zhàn)略資源，同時又是生態(tài)環(huán)境的制約要素，也是實現社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重要物質基礎。隨著城市化進程加快，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，水資源進入了綜合管理時期，其核心任務是保證供水，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、均衡科學地分配水資源［1］。因此，加強水資源管理依然是解決當前世界上很多地方水問題的主要途徑和有效手段。當前不少國家和地區(qū)，尤其是西方發(fā)達國家的水資源管理已達到相當高的水平。

水資源管理模型為改善水資源系統(tǒng)調度和分配、水資源區(qū)域規(guī)劃、水環(huán)境戰(zhàn)略保護提供決策支持和幫助，可以預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)為預測水源－需求時空關系，設置最佳緩解措施提供一種有效的方法［3］。適當地干預可減少水源缺乏對社會、經濟以及環(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是計算研究流域內每一時間步長的水量平衡，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，如時空范圍內水質情況。公共以及私人機構已經開發(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間步長進行優(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。從技術上而言，MODSIM模型是解決河網流量問題的最優(yōu)工具，該模型根據物理、水文以及制度方面分配水資源［5］。WEAP模型使用標準的線性規(guī)劃的方法解決每一時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，解決月時間步長的穩(wěn)態(tài)河網流量優(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，模擬制定實際管理措施。不同于傳統(tǒng)政策，這些措施能夠根據水庫的水文條件和存儲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需求制定運行條件。雖然通用的模型在制定情景措施的詳細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模擬功能，但是大多數水質模型模塊和算法較水質模型相對簡單。除此之外，MODSIM和WEAP模型嵌套了精確的二維水質模型(如美國環(huán)保署的QUAL2E模型)，以提供非常詳細而全面的系統(tǒng)水質狀況，包括氨氮、硝酸鹽、有機和無機磷、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衡水質和水量之間的目標。此外，MODSIM和WEAP模型可以與MODFLOW模型聯動，該模型是一個三維有限差分地下水模型，是研究地下水位變化對整個系統(tǒng)的影響，反之亦然。然而，與MODFLOW模型聯動耦合不是一項簡單的工作，這需要大量的校準工作。在AQUATOOL模型中，用戶可以選擇其中一個模塊模擬地下水情況，模擬范圍從一個水庫模塊到一個不規(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(UPV)開發(fā)的一個DSS系統(tǒng)，該模型用于包含多個水庫、含水層以及需求中心的復雜流域水資源管理和決策［6－7］。在WINDOWS系統(tǒng)下運行，AQUATOOL已經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)已經升級拓展了一些模塊，包括模擬模塊(SimWin)、在SimWin模塊基礎上運行水資源系統(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類面向對象的連接，允許用戶再生成水資源損失，節(jié)點之間的水動力鏈接，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在20世紀70年代末研發(fā)的［9］。MODSIM模擬系統(tǒng)通過優(yōu)化非線性水網流量，對每一時間步長內水資源分配進行模擬(如蒸發(fā)地下水回流、水道損失等)，并進行連續(xù)評估，使用拉格朗日算法RELAX－IV解決問題。MODSIM使用.NET框架開發(fā)的，具有很強的環(huán)境實用性，不需要重新編譯程序語言［10］。水庫平衡程序運行把水庫分成若干個控制區(qū)用來控制水庫儲水的空間分布［11］。此外，水庫的調度運行規(guī)則以及需求分配可以由用戶根據水文狀態(tài)變量最終確定。MODSIM可以與MODFLOW聯動分析地下水和地表水交匯區(qū)［12］，也可以像QUAL2E模型一樣評估污染控制措施效果［13］。MODSIM含有一個現有綜合措施的隨機優(yōu)化框架，可以通過動態(tài)軟件包CSUDP獲得。主要模塊的應用需要專門培訓、外部模塊，如果沒有建模經驗很難掌握。

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主要是解決流域內不同地點的水資源輸入與供水系統(tǒng)中特定用戶關系的模型，它允許用戶設定規(guī)劃情景、每一情景預設操作規(guī)則/水資源供給預測。通過強大的圖形界面，根據用戶定義的目標進行不同情景對比分析。水需求分析涉及面廣泛(人口、經濟、作物需水量)，可以在不同層次上對現在和未來水資源需求進行比較分析，進而評價農作物產量和作物缺水造成的損失［15］。RIBASIM根據目標存儲體積以及復合區(qū)域設定分配規(guī)則。雖然RIBASIM簡單易用，但是進行詳細分析時需要大量的數據支持［16］。

2.4 WARGI-SIM模型 WARGI是一個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系的有用工具。自20世紀90年代中期以來，意大利卡利亞里大學陸地工程系的水資源研究小組(WRG)開發(fā)的WRARG模型已經得到擴展，并集成了新的模塊［17］。WARGI模型包括若干相互關聯模塊，主要包括模擬模塊(WARGI－SIM)、優(yōu)化決策模塊(WARGI－OPT)、水庫水質優(yōu)化模塊(WARGIQUAL)以及情景優(yōu)化模塊(WARGI－SCEN)［18］。為了評價抗旱減災措施以及改善這些措施的干旱指標，WRG最近開發(fā)了完全 整合了 WARGI－SIM 和 AWRGI－OPT 的 新 版 本。WARGI已經在GRID環(huán)境下運行，以滿足在干旱條件下大規(guī)模模擬分析復雜水資源系統(tǒng)［19］。在WARGI－SIM模型中，水資源分配是根據用戶定義的優(yōu)先次序進行模擬的。此外，用戶可以定義年保留體積函數以及保留區(qū)退水降到滿足用戶選擇的高級別需求點。WARGI－SIM是一個相對簡單模型，它可以幫助非專業(yè)人士解決復雜水資源系統(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)境研究機構(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，主要實現供水、需水、水質和生態(tài)保護的水資源系統(tǒng)模擬。將水資源的供給與需求、水量與水質、經濟發(fā)展與環(huán)境等要素綜合在一個整體框架之下，全面評估資源管理策略。目前已在全球數十個國家開展了應用研究。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］。根據不同需要選擇不同的數據水平及形式，可以同時滿足當地及流域水資源管理要求，結果表達靈活多樣，具有多個接口，可以與其他模型或軟件聯用，如 GIS、QUAL2K、MODFLOW、PEST 等模型［22－25］，表現出良好的兼容性及可擴展性。

3 發(fā)展趨勢

隨著信息技術的發(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技術已經用于用戶界面、數據處理、分析以及可視化的設計。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，尤其是主流商業(yè)軟件和工程領域，產品體現了地理信息系統(tǒng)強大的適用性，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)是模擬結果的表達以及模型不確定性，尤其是關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置，一般是在統(tǒng)計假定發(fā)生風險情況下對未來的不確定做出規(guī)避降低風險的決策。絕大多數決策支持系統(tǒng)情景方案的設定以及模擬預測都是基于經驗和技術。目前，研究的重點是研發(fā)更切合實際的水資源規(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)新已經應用到水資源模型中，通過可視化的模擬環(huán)境和交互工具進一步強化了非專業(yè)用戶的模擬分析水平，類似的軟件有Visual Basic、Excel、SAS軟件等。

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

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