水資源調(diào)度通用軟件在石羊河流域的應(yīng)用

何玉江 ，王 超 ，丁公博 ，宋培兵 ，徐 意，胡 鑫

（1.甘肅省石羊河流域水資源局，733000，武威；2.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，100083，北京；4.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，310058，杭州；5.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，430074，武漢）

流域水資源調(diào)度是落實水量分配方案、實現(xiàn)用水總量控制目標的重要抓手?，F(xiàn)有的水資源調(diào)度手段多依賴于工程人員的經(jīng)驗，缺乏科學(xué)指導(dǎo)和統(tǒng)籌全局的考慮，水資源調(diào)度水平較低，亟須建設(shè)流域、區(qū)域水資源調(diào)度系統(tǒng)，提升水資源調(diào)度水平，真正把水量分配方案落到實處。

水資源調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用一直是水資源優(yōu)化管理領(lǐng)域的熱點問題和難點問題，國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域開展了大量研究工作，針對流域?qū)嶋H工程應(yīng)用需求，構(gòu)建了大量水資源優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)，如通用型流域系統(tǒng)模擬軟件Riverware、水資源規(guī)劃管理軟件MIKE Basin、流域綜合管理軟件Waterware、水資源評價以及規(guī)劃管理的模擬軟件IQQM、喬治亞理工水資源管理決策支持系統(tǒng)GTDSS、梯級電站水電沙一體化調(diào)度系統(tǒng)、紅水河梯級水庫群調(diào)度決策支持系統(tǒng)、金沙江下游梯級水電站精細化調(diào)度與決策支持系統(tǒng)等。目前，已有的水資源調(diào)度系統(tǒng)中的通用軟件缺乏必要的二次開發(fā)功能，雖然可以滿足流域水資源規(guī)劃配置的需求，但難以滿足實際生產(chǎn)調(diào)度需求；而針對實際生產(chǎn)調(diào)度需求的水資源調(diào)度軟件，其可移植性較差，在另一流域應(yīng)用時需對軟件進行較大改動。

為支撐江河流域水量調(diào)度決策支持系統(tǒng)開發(fā)，國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目辦公室組織開發(fā)了水資源調(diào)度通用軟件，在分析全國水資源調(diào)度業(yè)務(wù)、應(yīng)急管理業(yè)務(wù)通用共性需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進水資源調(diào)度技術(shù)、水資源應(yīng)急管理技術(shù)、信息化技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套全國通用的水資源調(diào)度軟件。其提供的模型管理系統(tǒng)可滿足不同區(qū)域差異化建模需求，其提供的應(yīng)用系統(tǒng)二次開發(fā)接口可滿足不同區(qū)域業(yè)務(wù)流程差異化組裝需求。因此，考慮在水資源調(diào)度通用軟件的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合石羊河流域的需求，建設(shè)開發(fā)一套石羊河流域的水資源調(diào)度系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)設(shè)計

1.水資源調(diào)度通用軟件簡介

水資源調(diào)度通用軟件是中國水利水電科學(xué)研究院自主研發(fā)的支撐水資源常規(guī)、應(yīng)急調(diào)度業(yè)務(wù)的軟件。2018年1月10日，水資源調(diào)度通用軟件V1.0版本由國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目辦公室以《關(guān)于下發(fā)國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目（2016—2018年）三級通用等相關(guān)軟件的通知》（水資源辦〔2018〕1號）正式發(fā)布，提供給七大流域管理機構(gòu)以及32個省級水行政單位，用于建設(shè)流域水資源調(diào)度系統(tǒng)。水資源調(diào)度通用軟件的系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

水資源調(diào)度通用軟件的核心包含：應(yīng)用系統(tǒng)、模型管理系統(tǒng)、模型計算服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)庫。

2.石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

充分考慮石羊河流域水資源調(diào)度的實際需求，結(jié)合水資源調(diào)度通用軟件所提供的默認功能，考慮應(yīng)用水資源調(diào)度通用軟件的模型管理系統(tǒng)、模型計算服務(wù)軟件和數(shù)據(jù)庫來構(gòu)建滿足石羊河流域水資源調(diào)度的數(shù)據(jù)庫和模型。石羊河流域水資源調(diào)度的業(yè)務(wù)功能不僅包括水資源常規(guī)調(diào)度內(nèi)容，還包括基礎(chǔ)信息的管理和實時水雨情查詢的功能；此外，還需考慮擴充地下水模擬功能。因此，考慮在應(yīng)用系統(tǒng)提供組件的基礎(chǔ)上，進行應(yīng)用系統(tǒng)的二次開發(fā)。石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計思路如下：

圖1 水資源調(diào)度通用軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 石羊河流域水資源調(diào)度軟件業(yè)務(wù)應(yīng)用層和應(yīng)用支撐層架構(gòu)

整體采用水資源調(diào)度通用軟件的系統(tǒng)架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，在應(yīng)用支撐層面，為滿足石羊河流域地下水模擬的需求，將地下水模擬模型Mode-Flow集成到水資源調(diào)度模型云平臺；在業(yè)務(wù)應(yīng)用層面，采用符合SOA體系架構(gòu)的設(shè)計思想及當前業(yè)界主流的J2EE技術(shù)路線，開發(fā)滿足石羊河流域水資源調(diào)度需求的業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖2所示。

（1）石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)定制

根據(jù)水資源調(diào)度通用軟件的定制流程，石羊河流域水資源調(diào)度通用軟件的定制過程如圖3所示。

定制流程中，最重要的一個環(huán)節(jié)就是根據(jù)石羊河流域水資源調(diào)度的實際需求，運用模型管理系統(tǒng)構(gòu)建滿足石羊河流域水資源調(diào)度需求的模型。

在水資源通用調(diào)度軟件模型管理系統(tǒng)中，采用點—線—面結(jié)合的方式，對石羊河流域水資源調(diào)度進行概化。其中，石羊河流域“點”要素包括9座水庫、1個重要斷面（蔡旗斷面）、16個地下水水源（模型中概化為邊界條件）、2個外調(diào)水源 （模型中概化為邊界條件）；“線”要素包括17條天然渠道、10條供水管道、16條退水渠道；“面”要素包括16個灌區(qū) （用水單元）、7個行政分區(qū)（用水單元），構(gòu)建水庫—河道—用水單元的石羊河流域水資源概化圖，模型管理系統(tǒng)的模型組成及其構(gòu)成要素如表1所示。

（2）石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用層設(shè)計

按照石羊河流域水資源調(diào)度決策支持系統(tǒng)的總體建設(shè)要求，在遵循“統(tǒng)一技術(shù)標準、統(tǒng)一運行環(huán)境、統(tǒng)一安全保障、統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心和統(tǒng)一門戶”原則的基礎(chǔ)上，采用符合SOA體系架構(gòu)的設(shè)計思想及當前業(yè)界主流的J2EE技術(shù)路線，可以滿足跨硬件平臺、跨操作系統(tǒng)的要求。

圖3 水資源調(diào)度通用軟件的一般定制流程

表1 石羊河流域模型管理系統(tǒng)模型組成

在技術(shù)體系中采用Web Service、AJAX、EXTJS、FLEX 及持久層框架等核心技術(shù)，保證技術(shù)先進性的同時兼顧了技術(shù)的實用性。同時，采用組件式開發(fā)技術(shù)，使彼此獨立的業(yè)務(wù)組件通過 Web Service、XML、JSON 等耦合的通信方式組織在一起形成完整的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。采用數(shù)據(jù)訪問對象（Data Access Object）來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的存取，采用異步任務(wù)來處理長時間請求，采用O.R MAPPING技術(shù)保證公共數(shù)據(jù)庫的可擴展性，采用JSON、XML、Web Service作為數(shù)據(jù)發(fā)布標準，采用元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)映射、XML數(shù)據(jù)庫等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

（3）地下水模擬模型集成

考慮到ModeFlow可提供EXE版本的執(zhí)行程序，且可以文件形式交互，水資源調(diào)度模型平臺與ModeFlow以文件為接口進行集成，具體集成方式如圖4所示。

二、石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)實例

1.石羊河流域簡介

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，流域全長250 km，覆蓋范圍涉及3個市（金昌市、武威市、張掖市）7個縣區(qū)（金川區(qū)、永昌縣；涼州區(qū)、民勤縣、古浪縣、天祝藏族自治縣；肅南裕固族自治縣），總面積4.16萬km2，占甘肅省內(nèi)陸河流域總面積的15.4%。全流域建成100萬m3以上水庫15座，其中以大景峽、黃羊河、南營、西馬湖、紅崖山及金川峽等水庫較大。從水源角度來講，石羊河流域水資源調(diào)度涉及地表水、地下水、外調(diào)水和回用水等多種水源；從用水角度來講，石羊河流域水資源調(diào)度涉及生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水等；從供水規(guī)則上講，石羊河流域水資源調(diào)度優(yōu)先使用回用水、地表水和外調(diào)水，最后使用地下水。

2.石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)功能實現(xiàn)

采用上述系統(tǒng)框架思路，開發(fā)了石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)。結(jié)合石羊河流域管理局工作人員基礎(chǔ)信息管理、水資源調(diào)度、地下水模擬和實時水雨情等方面的功能需求，系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能模塊如下：

①基礎(chǔ)信息管理?；A(chǔ)信息管理模塊主要用于維護水資源調(diào)度提供所涉及用水單元、水利工程、社會經(jīng)濟、用水定額、地下水信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 地下水模擬模型與水資源調(diào)度模型云平臺集成方式

②水資源調(diào)度。水資源調(diào)度模塊主要用于制作石羊河流域水資源調(diào)度計劃，具體包括：調(diào)度方案管理，即實現(xiàn)水資源調(diào)度方案的管理，包括調(diào)度方案相關(guān)信息列表展示、方案添加、方案修改與刪除；來水預(yù)報，即運用模型管理系統(tǒng)提供的中長期徑流預(yù)報方法，對匯水區(qū)未來的徑流進行預(yù)測；需水預(yù)測，即運用模型管理系統(tǒng)提供的需水預(yù)測定額法預(yù)測流域各用水單元的需水量；水資源調(diào)度，即運用模型管理系統(tǒng)所提供的供需平衡模擬模型，實現(xiàn)流域水資源的供需平衡，并以圖表的形式展現(xiàn)水量平衡結(jié)果。

③地下水模擬。通過配置地下水初始水位、分區(qū)灌溉補給、分區(qū)降水過程、河道補給、地下水開采、蒸發(fā)過程、泉水過程、水量平衡過程、邊界補給等模型參數(shù)，實現(xiàn)石羊河流域地下水模擬，并以GIS的方式呈現(xiàn)地下水模擬結(jié)果。

④實時水雨情?；赪EBGIS地圖展示顯示流域內(nèi)降雨分布信息及流域內(nèi)河道站、水庫站水情信息。

三、結(jié) 論

為實現(xiàn)石羊河流域水資源的科學(xué)調(diào)度與決策，在水資源調(diào)度通用軟件的基礎(chǔ)上，建設(shè)了滿足石羊河流域需求的石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)運行效果表明，所構(gòu)建的水資源調(diào)度系統(tǒng)能夠滿足石羊河流域水資源調(diào)度的日常業(yè)務(wù)需求；另一方面，石羊河流域水資源調(diào)度系統(tǒng)的成功建設(shè)也表明水資源調(diào)度通用軟件通過定制和二次開發(fā)，能夠快速、高效構(gòu)建出滿足不同流域水資源調(diào)度需求的水資源調(diào)度系統(tǒng)。目前，石羊河流域地下水模擬模型和水資源調(diào)度模型在本系統(tǒng)中為分開計算，尚未緊密耦合，一定程度上影響了流域水資源調(diào)度方案編制準確度，在今后系統(tǒng)建設(shè)中，需要考慮二者的耦合模擬。 ■