水資源管理系統(tǒng)開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)研究

張翔宇，宋瑞明，李 舒，谷曉偉，劉姝芳，李強(qiáng)坤

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

目前，我國信息化技術(shù)發(fā)展迅速已滲透各個(gè)行業(yè)，水利信息化也應(yīng)運(yùn)而生，水利資源信息數(shù)量龐大、分布廣泛，而水利信息化技術(shù)滿足數(shù)據(jù)管理的先進(jìn)性、高效性以及運(yùn)算的科學(xué)性，可以滿足水利行業(yè)數(shù)據(jù)管理的需求[1]。水利信息化技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代信息化技術(shù)手段，在水利信息的采集、輸送、存儲、處理和服務(wù)過程中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化與現(xiàn)代化[2]，直接為水資源的開發(fā)利用、水資源的配置與使用、水環(huán)境保護(hù)與治理等管理決策服務(wù)，提高水利行業(yè)的科學(xué)管理水平[3]。

實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的關(guān)鍵是圍繞水資源配置、節(jié)約和保護(hù)，確立水資源管理3條紅線，要求必須加強(qiáng)水資源監(jiān)控設(shè)施建設(shè)，實(shí)時(shí)掌握來水、取水、用水和排水動態(tài)，保證信息獲取的準(zhǔn)確性和精細(xì)化，為最嚴(yán)格水資源管理制度考核提供手段和依據(jù)。建設(shè)流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)，提高流域水資源監(jiān)控能力，為流域水資源調(diào)配管理部門及相關(guān)用戶提供專業(yè)技術(shù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、提高工作效率，為流域水資源管理工作提供技術(shù)支撐[4]。

1 開發(fā)目標(biāo)與任務(wù)

根據(jù)黃河流域水資源管理職責(zé)和水資源業(yè)務(wù)管理模式，結(jié)合中央、流域、省級三級水資源監(jiān)控能力建設(shè)部署和要求，通過黃河流域水資源監(jiān)控能力建設(shè)，開發(fā)黃河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)。為黃河流域?qū)嵤┳顕?yán)格的水資源管理，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、高效利用和科學(xué)保護(hù)的目標(biāo)提供技術(shù)支撐，主要目標(biāo)為：①為最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”考核，建立技術(shù)支撐框架體系；②為最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”考核，提供初步技術(shù)支撐；③為實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理，實(shí)現(xiàn)水資源管理主要業(yè)務(wù)的在線管理。

系統(tǒng)主要致力于完善以流域?yàn)閱挝?、以?自治區(qū)、直轄市)為考核對象的水資源管理所需數(shù)據(jù)的獲取、加強(qiáng)監(jiān)控的手段、全面提高國家層面的水資源監(jiān)管能力，形成滿足最嚴(yán)格水資源管理制度管理需要的監(jiān)測、計(jì)量、信息管理能力，為強(qiáng)化水資源管理監(jiān)督考核提供技術(shù)支撐，為最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施提供有力的手段和支撐。以水資源管理系統(tǒng)為平臺，構(gòu)建干支流不同分區(qū)、可進(jìn)行人機(jī)交互、無需過多涉及模型細(xì)節(jié)、生成實(shí)用的水資源規(guī)劃配置方案。系統(tǒng)根據(jù)主要來水區(qū)徑流預(yù)報(bào)模型計(jì)算日徑流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、調(diào)用運(yùn)行干流枯水模型、統(tǒng)計(jì)分析水庫前期蓄水、省(區(qū))引退水、需水區(qū)的旱情、河道水情、和河損數(shù)據(jù)、提取調(diào)度方案運(yùn)行監(jiān)視功能對方案跟蹤的信息，編制水量調(diào)度方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

黃河流域信息平臺水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)在國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目統(tǒng)一的應(yīng)用支撐平臺的基礎(chǔ)上，遵循項(xiàng)目統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，采用C/S與B/S相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式。系統(tǒng)開發(fā)涉及可視化、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、GIS等多種技術(shù)，針對不同模塊的開發(fā)特點(diǎn)，C/S結(jié)構(gòu)選擇Java語言進(jìn)行所有界面以及后臺計(jì)算程序的開發(fā)，B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)采用J2EE技術(shù)[5]，C/S與B/S結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫分別選擇Oracle與MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，GIS采用Arc GIS系統(tǒng)，圖表功能的開發(fā)采用JFreeChart控件完成，Web應(yīng)用服務(wù)器采用WebService服務(wù)。

2.2 技術(shù)模型

(1)需水預(yù)測。需水預(yù)測研究內(nèi)容包括可持續(xù)發(fā)展下的社會經(jīng)濟(jì)需水預(yù)測和生態(tài)需水預(yù)測兩個(gè)方面。通過接收處理各省(區(qū))用水訂單，獲取各省(區(qū))用水需求數(shù)據(jù)。不同用水行業(yè)(戶)，需水預(yù)測方法不同；同一用水行業(yè)(戶)，也可用多種方法預(yù)測。需水預(yù)測以定額法為基本方法，同時(shí)也可用趨勢法、對數(shù)法、指數(shù)法、灰色模型、支持向量機(jī)模型等其他方法進(jìn)行復(fù)核，對各種方法的預(yù)測成果經(jīng)綜合分析后得出需水預(yù)測的結(jié)果。通過多種方法對需水量進(jìn)行綜合預(yù)測，為黃河流域水資源優(yōu)化配置工作和決策人員提供合理可靠的預(yù)測數(shù)據(jù)。

(2)供需分析。在供需平衡計(jì)算時(shí)，考慮支流優(yōu)先，地表水、地下水統(tǒng)一調(diào)配，河口鎮(zhèn)、利津、華縣等重要斷面控制下泄水量要求等。供水順序：生活用水優(yōu)先，農(nóng)田保灌面積用水、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌兼顧。 以水資源二級區(qū)套省級行政區(qū)形成的分區(qū)作為計(jì)算分區(qū)，采用長系列調(diào)節(jié)計(jì)算，并給出各分區(qū)、控制節(jié)點(diǎn)、蓄水工程的供需分析計(jì)算月系列成果，以及不同來水頻率下規(guī)劃水平年各水資源分區(qū)內(nèi)供水量、需水量的平衡分析結(jié)果。

(3)調(diào)度模型。水資源調(diào)度模型即根據(jù)黃河流域長期徑流預(yù)報(bào)和水庫蓄水情況，按照一定算法確定年度黃河可供水量，再分配到省(區(qū))，作為省(區(qū))年度可供耗水量，并進(jìn)行黃河干流水量調(diào)度預(yù)案的編制。根據(jù)干流和主要來水區(qū)來水量預(yù)估，水庫調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃以及省(區(qū))面臨年份的用水過程，并考慮水流傳播時(shí)間、河道損失等因素，從唐乃亥至利津，逐段進(jìn)行水量平衡演算，確定各河段即各省(區(qū))引退水流量、耗水量及省際斷面下泄流量。

黃河水量月計(jì)劃調(diào)度在年計(jì)劃調(diào)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行滾動修正。即，根據(jù)干流和主要來水區(qū)最新徑流預(yù)報(bào)以及各省(區(qū))下月申報(bào)用水，根據(jù)“豐增枯減”的原則，考慮水流傳播時(shí)間、河道損失等，進(jìn)行水量驗(yàn)算。由于增加了前期實(shí)際來水的信息，以及實(shí)際用水與前期方案中分給各用戶的水量之間也必然存在偏差。因此，月計(jì)劃調(diào)度在水量分配上比年計(jì)劃調(diào)度更接近實(shí)際情況。

月計(jì)劃調(diào)度之后，系統(tǒng)主要工作是跟蹤監(jiān)視水情、工情、墑情、引水等情況，預(yù)測其發(fā)展趨勢，不斷提出供領(lǐng)導(dǎo)決策的參謀意見，以指導(dǎo)水量調(diào)度工作。系統(tǒng)判別在出現(xiàn)區(qū)域性嚴(yán)重干旱、預(yù)測或已經(jīng)發(fā)生預(yù)警流量時(shí)，啟動實(shí)時(shí)調(diào)度，系統(tǒng)根據(jù)主要來水區(qū)徑流預(yù)報(bào)模型計(jì)算日徑流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、調(diào)用運(yùn)行干流枯水模型、統(tǒng)計(jì)分析水庫前期蓄水、省(區(qū))引退水、需水區(qū)的旱情、河道水情和河損數(shù)據(jù)、提取調(diào)度方案運(yùn)行監(jiān)視功能對方案跟蹤的信息，編制水量調(diào)度方案。

2.3 總體結(jié)構(gòu)

黃河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)由人機(jī)交互層、模型應(yīng)用管理層和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)三部分組成(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

人機(jī)交互界面是用戶與系統(tǒng)對話的工具，是決策者參與決策過程的媒介；模型應(yīng)用是水資源調(diào)配的核心，包括各類技術(shù)模型、數(shù)據(jù)顯示模塊以及系統(tǒng)的總體集成等幾個(gè)層面[6]，模型計(jì)算結(jié)果是決策者制訂調(diào)配方案的主要依據(jù)；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，是水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)的各模塊間信息傳遞的中轉(zhuǎn)站。系統(tǒng)遵循國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目的整體框架，以黃河流域水資源調(diào)配管理的業(yè)務(wù)需求為基礎(chǔ)，構(gòu)建黃河流域水資源調(diào)配模型；并將模型嵌套到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)配決策會商，為黃河流域水資源調(diào)配提供全面的輔助決策支持[7]。

3 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 gis模塊的聯(lián)動

黃河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)中嵌入了gis模塊，系統(tǒng)中放置流域概況圖，圖中顯示河流水系、主要水庫，水文站點(diǎn)以及各省區(qū)劃分概況，用戶可根據(jù)需求對流域圖進(jìn)行放大縮小以及拖動等功能。對于該功能，開發(fā)過程中面臨的問題是如何實(shí)現(xiàn)gis模塊與Java程序的聯(lián)動：首先，在gis地圖文件屬性中加載mdb數(shù)據(jù)時(shí)要保存為相對路徑；然后，需要對開發(fā)工具eclipse進(jìn)行配置，無論操作系統(tǒng)的類型都需要將eclipse重新配置為32位jdk，并在項(xiàng)目的jre系統(tǒng)庫中加載gis應(yīng)用程序中的插件ntvinv.dll。在對mxd文件與eclipse開發(fā)工具均重新進(jìn)行配置后，即可在系統(tǒng)中開發(fā)流域概況圖，實(shí)現(xiàn)程序與gis模塊的聯(lián)動。

3.2 數(shù)據(jù)庫的鏈接

(1)本地?cái)?shù)據(jù)庫。流域水利信息數(shù)據(jù)數(shù)量龐大、種類繁多[8]，C/S結(jié)構(gòu)中選用Oracle10g開發(fā)本地?cái)?shù)據(jù)庫。本地?cái)?shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)聯(lián)動的困難在于，黃河流域信息平臺應(yīng)用系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用不同的數(shù)據(jù)庫軟件開發(fā)，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫需要與其他數(shù)據(jù)庫之間存在聯(lián)動性。在進(jìn)行聯(lián)動管理時(shí)，決策支持系統(tǒng)必須采用不同的連接方式與其他子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接。通過在本系統(tǒng)中開發(fā)一個(gè)接口，將各種數(shù)據(jù)庫連接方式集成在該接口中，系統(tǒng)可以與框架中的其他數(shù)據(jù)庫連接[9]，達(dá)到數(shù)據(jù)的跨庫聯(lián)動更新，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的充分共享。

(2)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)中的B/S結(jié)構(gòu)通過訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器端的plsql developer實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，黃河流域信息平臺應(yīng)用系統(tǒng)中各個(gè)B/S子系統(tǒng)無自備庫，都鏈接至該遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。連接遠(yuǎn)程總臺數(shù)據(jù)庫的主要代碼為：

username="******";

password="******";

schema="******";

driver="oracle.jdbc.driver.OracleDriver";

url="jdbc:oracle:thin:@(DESCRIPTION=(ADDRESS=(PROTOCOL=TCP)(HOST=……)(PORT=……))(CONNECT_DATA=(SERVER=DEDICATED)(SERVICE_NAME=……)))";

連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫后，在系統(tǒng)開發(fā)中可以對需要更改的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、修改、更新、存儲等操作。

3.3 MATLAB的交互

系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)采用Java技術(shù)，但涉及到的一些模型算法如水資源優(yōu)化配置模型的建立與求解，采用MATLAB語言編寫的遺傳算法，過程的實(shí)現(xiàn)需要各語言之間進(jìn)行參數(shù)的傳遞與結(jié)果的反饋。即，Java與MATLAB語言的交互。對于Java中參數(shù)傳遞到MATLAB算法，首先系統(tǒng)庫需設(shè)置為Javase-1.6，并將程序?qū)С鰹閖ar文件；然后在MATLAB的classpath.txt文件中添加jar包的存放路徑，通過“obj=包名.類名.方法名”或者“obj=包名.類名.參數(shù)名”可獲取Java方法的返回值或變量。對于MATLAB算法結(jié)果的反饋，本項(xiàng)目采取的方法為將配置結(jié)果存放至Excel文件，Java程序再從中讀取，該方法操作簡便較容易實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

黃河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)包括流域信息管理、水資源規(guī)劃配置和水資源調(diào)度三部分。有效整合和調(diào)用現(xiàn)有資源，作為系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)和水資源調(diào)配的邊界條件，提高水資源調(diào)配精度。在對流域水資源、需水定量分析的基礎(chǔ)上，以水資源管理系統(tǒng)為平臺，構(gòu)建干支流不同時(shí)間尺度、可進(jìn)行人機(jī)交互、無需過多涉及模型細(xì)節(jié)、實(shí)用易用的編制調(diào)配方案功能，實(shí)現(xiàn)方案的編制、存儲、再現(xiàn)、多方案對比，以及結(jié)果模擬的會商決策要求。系統(tǒng)為流域水量配置、調(diào)度方案編制、實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)格水資源管理提供了決策支持。其中，系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)概化圖界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化圖界面

流域信息管理主要展示流域概況、計(jì)算分區(qū)及水資源系統(tǒng)概化等信息；水資源配置主要包括水資源現(xiàn)狀評估模塊、需水量預(yù)測模塊、可供水量預(yù)測模塊和水資源規(guī)劃配置模塊；水資源調(diào)度管理包括水資源年計(jì)劃調(diào)度、水資源月計(jì)劃調(diào)度和水資源實(shí)時(shí)調(diào)度三個(gè)模塊。同時(shí)，系統(tǒng)還具有決策會商和遠(yuǎn)程調(diào)度功能。

5 結(jié) 語

本文以黃河流域水資源管理工作為基礎(chǔ)，應(yīng)用Java技術(shù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)平臺、Arc GIS系統(tǒng)和WebService服務(wù)器，建立黃河流域水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)。系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用可以提高流域水資源管理水平，并可以輔助流域水資源管理部門更好地開展水資源規(guī)劃管理工作[10]，為水資源調(diào)配工作提供決策信息服務(wù)和調(diào)配方案管理等功能，從而為業(yè)務(wù)管理提供邊界條件和審批依據(jù)。水利信息化技術(shù)的逐步推廣與進(jìn)步，將為“智慧水利”的建設(shè)提供有力支持。