面向瓦爾河流域的水資源規(guī)劃決策系統(tǒng)應(yīng)用

顧博維爾?菲利普，馬 強，杜明軒，札娃特洛?艾洛迪，蓋太諾?馬克，李鄭淼

（尼斯大學(xué)波利斯實驗室，法國 尼斯 06903）

1 研究背景

隨著城市化的發(fā)展，新時期的水資源規(guī)劃方案應(yīng)滿足越來越復(fù)雜及多樣化的社會需求。在大型現(xiàn)代化城市中，城市居民期望與市政管理的矛盾愈發(fā)凸顯。城市居民期望可以享受更加豐富的市政服務(wù)資源，但市政管理卻要求減少不必要的投資以緩解財政、稅收的壓力。城市資源的最優(yōu)化管理表現(xiàn)在多種方面，通常需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)支持決策的制定。在過去 30 a 間，水信息技術(shù)尤其是水文學(xué)、水力學(xué)和模型技術(shù)的綜合應(yīng)用逐漸被視為分析，預(yù)測地區(qū)水資源當(dāng)前狀況及其未來發(fā)展變化的主要工具。如今利用水信息模型工具結(jié)合實時監(jiān)測技術(shù)建立的綜合信息系統(tǒng)（Information System，IS）成為了制定城市環(huán)境規(guī)劃及市政資源整合方案的主要科學(xué)依據(jù)。高效的決策支持系統(tǒng)（Decision Support System，DSS）應(yīng)該具備滿足社會的多樣性需求和支持城市的可持續(xù)發(fā)展的能力，并對城市中急需解決的問題，例如對能源和水資源分配、垃圾廢物收集及交通系統(tǒng)優(yōu)化等進行綜合考慮。為了制定更有效的規(guī)劃方案，傳統(tǒng)的水文學(xué)、水力學(xué)和模型系統(tǒng)工作框架流程也應(yīng)被重新定義，以便高效地處理更加龐大的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)通常被定義為一種用于支持商業(yè)組織決策制定的計算機化信息系統(tǒng)。在市政規(guī)劃過程中，決策制定者們在分析現(xiàn)有信息數(shù)據(jù)過程中通常會面臨多種多樣的問題，例如：所收集的信息之間關(guān)聯(lián)性較弱無法進行相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)格式和來源不統(tǒng)一導(dǎo)致不便于進行高效整合，以及針對于突發(fā)性狀況，現(xiàn)有的預(yù)備方案無法有效實施等[1–2]。因此，針對規(guī)劃與決策制定過程中的重重阻礙，決策者們急需一個高效的決策支持系統(tǒng)平臺對日趨復(fù)雜化的信息數(shù)據(jù)進行綜合分析以便制定相關(guān)政策。尤其在對于水資源的綜合規(guī)劃方面，日益復(fù)雜化的城市水資源環(huán)境（居民飲水、商業(yè)用水等）和突發(fā)狀況（洪水、干旱等）的頻發(fā)使得傳統(tǒng)的決策分析方法和工作流程已經(jīng)無法適應(yīng)新的需求。因此，筆者提出一種新型的多平臺分級式?jīng)Q策支持系統(tǒng)構(gòu)架，如圖 1 所示，以滿足現(xiàn)今水資源規(guī)劃的需求。這種分級式?jīng)Q策支持系統(tǒng)由不同層級的儀表信息平臺組成。最外層的平臺被設(shè)計為數(shù)據(jù)與結(jié)果展示平臺開放給不同等級系統(tǒng)用戶，其主要職責(zé)為收集、展示實時數(shù)據(jù)（實時水位、流量等）和分析結(jié)果。而深一級的平臺則面向不同層面的決策制定者和相關(guān)專家，其主要功效為應(yīng)用多種模型模擬結(jié)果預(yù)測未來發(fā)展情況以便決策者和專家進行分析和決策制定。相對于過去的決策方式與流程，應(yīng)用這種多平臺分級式系統(tǒng)可以使更多普通民眾和相關(guān)工作者通過平臺更好地進行信息的實時交互。

圖 1 多層分級式?jīng)Q策支持系統(tǒng)

通過這種多平臺分級式系統(tǒng)，大量的實時數(shù)據(jù)將被按照不同的數(shù)據(jù)特性進行重新分類并分級展示、處理，如圖 2 所示。經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)將作為關(guān)鍵績效指標(biāo)（Key Performance Indicators，KPIs）及時更新整個預(yù)警與監(jiān)測系統(tǒng)的既定標(biāo)準(zhǔn)。整個系統(tǒng)采用儀表化的界面更方便實際狀況的可視化展示。水信息技術(shù)的應(yīng)用也將作為系統(tǒng)的核心部分之一對數(shù)據(jù)進行綜合分析。應(yīng)用于系統(tǒng)中的水信息模型可以是傳統(tǒng)的水文統(tǒng)計學(xué)模型也可以是由更復(fù)雜確定性分布式模型組成。即使一系列技術(shù)上的困難仍然制約著這種規(guī)劃模式的實施（數(shù)據(jù)缺失，計算機硬件制約等），這種資源規(guī)劃系統(tǒng)的概念與工作框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)被管理者普遍接受并被視為一種通用的解決方案應(yīng)用于城市水問題的管理[2]。本文回顧并分析不同地區(qū)的應(yīng)用案列，總結(jié)歸納了一種通用的工作流程為今后類似工作提供有效參考。

圖 2 多平臺的概念的實施

對于水資源進行實時的監(jiān)控管理，國際大型水利機構(gòu)和公司例如法國蘇伊士和威立雅水務(wù)公司已經(jīng)展開了定制類似服務(wù)的業(yè)務(wù)。在城市水務(wù)管理上與 IBM，CISCO，施耐德電氣等 IT 供應(yīng)商合作的基礎(chǔ)上建立綜合監(jiān)測系統(tǒng)將實時的用水量、管道滲漏和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等及時反饋給相關(guān)技術(shù)人員和決策者，在歐洲、亞洲和美洲都取得了巨大成功。尤其令人印象深刻的是在馬耳他全國范圍內(nèi)覆蓋由蘇伊士和 IBM 推出的自動儀表讀取器（Automated Meters Reader，AMR），對水資源利用進行實時監(jiān)控[3]。

不單是在城市水資源規(guī)劃中，決策支持系統(tǒng)在其他領(lǐng)域（包括水文、大氣科學(xué)等）也有著廣泛的應(yīng)用[4–7]。例如在洪水風(fēng)險管理中對數(shù)據(jù)的分析，傳輸及可視化管理[8–9]。

在全球范圍內(nèi)，如何有效地在各種情況下減少居民的生命與財產(chǎn)損失是決策制定者制定相關(guān)規(guī)劃方案時的主要考慮方面[10]。在洪水災(zāi)害中，減少災(zāi)害造成損失的關(guān)鍵在于在災(zāi)害發(fā)生前和發(fā)生中獲得充足的準(zhǔn)備時間，建立有效的預(yù)警、信息交互系統(tǒng)和及時實施[11]。經(jīng)研究表明，現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的規(guī)劃、應(yīng)急系統(tǒng)在對于突發(fā)性災(zāi)害的處理上存在不足之處[12–13]。而且 2011 年 Frick 和 Hegg 在對于如何更加有效地向公眾展示模型預(yù)測結(jié)果進行了研究，其結(jié)果表明當(dāng)前的決策規(guī)劃者們需要研發(fā)一種更加綜合直觀的方式滿足公眾對于其決策信息的獲取[14]。

2.1 數(shù)據(jù)儀表化

隨著傳感技術(shù)的快速發(fā)展及其在通信網(wǎng)絡(luò)中的集成應(yīng)用（例如：6LowPAN，IPv4/IPv6，RPL），統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的共享方式例如 IoT 之類的通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使更多的數(shù)據(jù)可以更加簡便地應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（例如：MQTT，CoAP，AMQP，Websocket，Node）。當(dāng)然，這些數(shù)據(jù)也可用于基于不同目的的城市資源實時監(jiān)控管理。

儀表板作為一種被廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)展示工具，可以幫助用戶在大量、復(fù)雜和快速變化的數(shù)據(jù)流中更好地解讀數(shù)據(jù)的特征，結(jié)構(gòu)及變化趨勢。在城市規(guī)劃中應(yīng)用儀表板作為主要的數(shù)據(jù)展示工具，可以使公共用戶及時高效地了解任何時間、地點發(fā)生的實際情況并依據(jù)該數(shù)據(jù)采取相關(guān)行動。

實時檢測技術(shù)的發(fā)展使得可收集的數(shù)據(jù)大量增加。目前，政府機構(gòu)部門和企業(yè)公司對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、儲存和展示越來越重視[15]。在此基礎(chǔ)上，基于網(wǎng)絡(luò)的儀表化展示方式使得決策制定者和一般民眾都可以更好地進行信息交互[16]。當(dāng)城市儀表化不再局限于物理學(xué)概念，而被廣泛應(yīng)用于計算機及移動設(shè)備中，無論是專業(yè)技術(shù)人員還是一般居民都可以更加方便快捷地獲取信息。因此虛擬化的儀表盤可以使得復(fù)雜的城市狀況簡單可視化[17]。當(dāng)然，與此同時，數(shù)據(jù)儀表化也不可避免地存在著對于重要信息的省略與混淆等潛在問題。

2.2 模型與預(yù)報

除了對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行直接處理外，水信息技術(shù)尤其是模型模擬技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于對當(dāng)前境況的分析和未來發(fā)展的預(yù)測。為了對決策制定提供更好地數(shù)據(jù)理論支持，水信息模型應(yīng)當(dāng)在決策支持系統(tǒng)中扮演重要的角色，如圖 3[18]所示 。

圖 3 城市監(jiān)測與規(guī)劃平臺設(shè)計（IBM）

3 瓦爾河流域應(yīng)用實例——AQUAVAR 項目

尼斯作為法國第五大城市坐落于地中海沿岸的瓦爾河下游流域出口處。因城市發(fā)展的需要，瓦爾河下游河谷地區(qū)近 20 km 的自然河流泄洪區(qū)被規(guī)劃作為了預(yù)備城市用地。但是由于地區(qū)具有復(fù)雜的水文地質(zhì)特性，當(dāng)?shù)夭块T決定建立一個可以綜合分析各種水文地質(zhì)狀況的決策支持系統(tǒng)來處理城市化帶來的相關(guān)問題，例如：地下水供水、洪水風(fēng)險，以及水資源的綜合管理等問題。因此，在過去的 15 a間，當(dāng)?shù)卣_始有目的的收集瓦爾河地區(qū)的氣候、水文和地質(zhì)數(shù)據(jù)。直至 2014 年，AquaVar 項目的立項致力于開發(fā)本流域第 1 個面向解決多種問題的決策支持系統(tǒng)以應(yīng)對當(dāng)?shù)厮Y源綜合管理和緊急情況預(yù)警響應(yīng)等一系列問題。

3.1 流域特征

瓦爾河流域作為法國地中海沿岸最大的自然流域擁有約 2 800 km2的流域面積。其地表高程變化明顯，河流出口直接連接地中海，而最高處海拔高出海平面近 3 000 m。由于如此明顯的高程變化使得上中游地表坡度十分陡峭，流域?qū)Ω邚姸冉邓捻憫?yīng)十分迅速。流域的主要氣候特征是典型的地中海氣候即夏季炎熱干旱冬季濕潤多雨，年平均降水約 815 mm。地表徑流由多種水文過程（降雨、融雪、地表地下水交換）共同作用影響產(chǎn)生。本地區(qū)汛期主要出現(xiàn)在春、冬兩季。春汛主要由山區(qū)融雪形成，而冬汛主要來源于極端事件的高強度降水。瓦爾河河流年平均流量約 50 m3/s，但在極端洪水災(zāi)害中其河流流量可在短時間內(nèi)增至 3 750 m3/s（1994 年洪水觀測數(shù)據(jù)）。

在流域下游近 20 km 長的河谷沖積含水層中有豐富地下水資源，是當(dāng)?shù)氐貐^(qū)居民生產(chǎn)、生活主要的用水來源。此地區(qū)的公共泵站所觀測的數(shù)據(jù)顯示，每年近 50 萬m3的地下水被抽取用于工業(yè)生產(chǎn)[19]、農(nóng)業(yè)灌溉及居民飲用水。但更應(yīng)該強調(diào)的是由于很多私人泵站取水?dāng)?shù)據(jù)的缺失，其總?cè)∷繉⑦h(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)。之前研究表明，由于本地區(qū)特殊的地質(zhì)條件，地下水與地表水的交換十分頻繁[20]，因此出臺一種可持續(xù)的綜合規(guī)劃方案用于保護地下水資源及應(yīng)對突然事件（洪水、污染等）刻不容緩。

3.2 挑戰(zhàn)與期望

自 19 世紀(jì)初，人類活動已經(jīng)開始影響瓦爾河河谷的地形地貌。由于城市化的發(fā)展，越來越多的自然河道被人為侵占。經(jīng)過人造堤壩對河流形態(tài)的重塑，河床的寬度已從之前的 600～1 500 m 縮小為150～280 m 左右。從而導(dǎo)致了水流流速的增加進而加劇河流對兩岸及河床的侵蝕。

1967 年，當(dāng)?shù)乇O(jiān)測發(fā)現(xiàn)由于人為活動和自熱侵蝕的影響，地下水水位比之前同期下降近 8 m 左右。因此自 1971—1986 年之間，有 11 個人工圍堰被建造于瓦爾河下游地區(qū)以便減少河床侵蝕進而保護地下水水位，如圖 4 所示。

圖 4 瓦爾河河谷地理示意圖

另外，由于河谷地下水資源為城市居民飲用水提供主要供給，工業(yè)滲漏和農(nóng)業(yè)污染對當(dāng)飲用水資源形成了巨大的安全隱患。當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)工作者針對瓦爾河流域內(nèi)的地下水流向及與地表水交換量進行了一系列研究。Gugliemi 對本地區(qū)不同時期的巖層水力學(xué)傳導(dǎo)系數(shù)進行詳細(xì)測量分析，利用地下水位等高線法繪制了山谷不同部分地下、地表水交換方向[21]。利用同樣的方法，Gugliemi 與 Mudry[19]，Emily[20]等對不同水文時期的地下水流量進行了簡單估算。而 Potot 等利用微量元素水文追蹤法證明了沖積層與巖層之間存在頻繁的水量交換[22]。以上研究開闊了人們對當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)特征的認(rèn)知，但是由于缺乏系統(tǒng)性和連續(xù)性分析，其研究結(jié)果很難直接應(yīng)用于制定當(dāng)?shù)厮Y源規(guī)劃方案。市政規(guī)劃的決策者們希望建立一個包含基于物理確定性水文模型的決策支持系統(tǒng)用于對區(qū)域水文復(fù)雜的過程進行綜合分析以便制定相應(yīng)的決策對區(qū)域水資源進行綜合管理。

由于尼斯擁有全法國第二大的國際機場，因此發(fā)生在瓦爾河下游地區(qū)的洪水災(zāi)害對交通樞紐的影響易導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失。雖然流域下游河道堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達至可抵御 75 年一遇洪災(zāi)，由于人為活動的影響，河流自然形態(tài)發(fā)生了巨大的變化，在一些特殊區(qū)域，人工岸堤無法按預(yù)期對洪澇災(zāi)害進行有效抵御。針對以上問題，需要更加詳細(xì)的規(guī)劃方案來提高對災(zāi)害的應(yīng)對等級。目前下游地區(qū)僅有的 3 個測量站點無法提供有效的數(shù)據(jù)支持，因此需要建立更加詳細(xì)具體的水力學(xué)模型對現(xiàn)有情況和未來發(fā)展進行模擬分析預(yù)測。

3.3 模型實施構(gòu)架

針對瓦爾河河谷地區(qū)，當(dāng)?shù)卣谕⒁粋€利用水信息技術(shù)對地下水資源和洪水災(zāi)害進行實時管理預(yù)測的綜合規(guī)劃方案。相應(yīng)的模型將被整合于信息系統(tǒng)框架內(nèi)并與各種市政服務(wù)系統(tǒng)相連接，對各種狀況進行迅速響應(yīng)。所有的數(shù)據(jù)、模擬分析結(jié)果和相關(guān)參數(shù)將被分級展示，以便決策者與當(dāng)?shù)鼐用窀玫剡M行信息交互。

如何選擇和構(gòu)建適合的模型系統(tǒng)是整個項目中的關(guān)鍵。經(jīng)過綜合對比各種模型系統(tǒng)的優(yōu)劣，在AquaVar 項目中以下 3 種基于物理學(xué)的確定性模型將分別針對水文、地表水和地下水進行模擬分析（如圖 5 所示）：

1）DHI 開發(fā)的 FEFLOW 模型用于針對地下水，以及地下水與地表水的交換進行模擬。

2）DHI 開發(fā)的 MIKE 21FM 模型和由法國 EDF開發(fā)的 Telemac 2D 模型將與 FEFLOW 模型進行耦合以便得到更加詳盡的地下地表水交換模擬過程，此外，該模型也用于針對洪水災(zāi)害的模擬。

3）DHI 開發(fā)的 MIKE SHE 模型將用于對整個流域的水文過程進行分析并為下游流域的 MIKE 21FM和 FEFLOW 模型提供邊界條件。

圖 5 AquaVar 水信息模型模型建模設(shè)計

針對瓦爾河下游建立的 FEFLOW 模型對區(qū)域地下水進行為期 1 266 d（2009-09—2013-02）的三維模擬。在模擬期內(nèi)包含 2 個重要水文事件：2011 年11 月發(fā)生的洪水事件和 2012 年 7 月發(fā)生的干旱事件。其洪水和干旱的重現(xiàn)期約為 10 年一遇（Gumbel法分析）和 20 年一遇（Galton 法分析）。根據(jù)實測結(jié)果進行模型率定，其模擬結(jié)果與已知實測數(shù)據(jù)基本吻合，如圖 6 所示。因此該模型具備綜合分析瓦爾河下游地下地表水交換的能力，可以被內(nèi)嵌至相應(yīng)管理平臺系統(tǒng)以用作地下水分析管理的主要工具。

類似的模型戰(zhàn)略也被應(yīng)用于 MIKE 21FM 模型對地表水動力的模擬中。為了獲得更加高效且詳盡的模擬結(jié)果，模型針對不同的地形分辨率（5，10，15，20 和 25 m）分別進行離散化三角形和矩形網(wǎng)格建模并選擇 2015 年 10 月洪水事件進行率定。經(jīng)分析表明 10 m 分辨率的三角形網(wǎng)格模擬結(jié)果可以提供較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，如圖 7 所示。

而對于整個流域水文過程進行模擬的 MIKE SHE 模型，經(jīng)過對 4 a（2011—2014 年）水文狀況的連續(xù)模擬率定，其模型結(jié)果已被驗證可用作 MIKE 21FM 和 FEFLOW 模型的邊界條件。因此 3 個獨立模型將被整合成為一個統(tǒng)一的模型模擬運行平臺，進而對整個流域的水文狀況進行綜合分析，并對相關(guān)決策制定提供數(shù)據(jù)支持 ，如圖 8 所示。

圖 6 FEFLOW 模型模擬結(jié)果與實測對比

圖 7 MIKE 21FM 模擬結(jié)果

圖 8 AquaVar 模型與決策支持系統(tǒng)構(gòu)架圖

為了更好地確保平臺的有效使用，其模擬結(jié)果將進行分級分平臺展示。不同平臺按等級開放給不同用戶，如圖 9 所示。例如，在針對專家開放的信息平臺上，詳盡地模擬、分析數(shù)據(jù)的可視化展示使得相關(guān)專家可以對整個分析過程有更加深入的了解以便進行決策制定和定期系統(tǒng)優(yōu)化更新。而在面對民眾開放的平臺中，更加簡單的儀表化展示系統(tǒng)可以使普通用戶也能實時地了解當(dāng)?shù)厮Y源狀態(tài)。

圖 9 AquaVar 模型與決策支持系統(tǒng)構(gòu)架圖

4 結(jié)語

AquaVar 項目中所提出的基于水信息應(yīng)用技術(shù)的分級式?jīng)Q策支持系統(tǒng)設(shè)計方案可以作為今后其他地區(qū)開發(fā)輔助制定規(guī)劃方案的通用系統(tǒng)設(shè)計模板以應(yīng)對復(fù)雜城市環(huán)境中的水資源綜合管理需求。對確定性模型的有效利用可以對流域內(nèi)多種水文、水力學(xué)過程進行詳細(xì)分析模擬，進而輔助制定高效的規(guī)劃措施。整個決策支持系統(tǒng)呈分級式多平臺儀表化，便于決策制定者與當(dāng)?shù)鼐用窦跋嚓P(guān)專家進行信息交互。

目前，AquaVar 決策支持系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)用于對瓦爾河流域的日常水資源管理規(guī)劃。當(dāng)然，決策支持系統(tǒng)的概念不應(yīng)被限定于只針對某一方面，也可以被廣泛應(yīng)用于其他相關(guān)領(lǐng)域。

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