太子河流域環(huán)境流量保障管理系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建及示范應(yīng)用

周宇航

(遼寧省觀音閣水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 110003)

環(huán)境流量是保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境的最小流量。目前國內(nèi)外對環(huán)境流量的研究和實(shí)踐較多[1-2]，但將環(huán)境流量并入水資源管理系統(tǒng)運(yùn)行還屬空白。太子河是渾河的一級支流，全長412.9km，年徑流量33.3億m3，流域面積13883km2。太子河上的水利工程發(fā)揮著蓄豐補(bǔ)枯調(diào)節(jié)徑流的基本功能，保障了流域多年的經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展。但從水生態(tài)系統(tǒng)角度，始終存在著環(huán)境流量保障率偏低的問題，而且由于各河段的資源稟賦、用水、調(diào)控特征的不同，其環(huán)境流量保障的程度也各有差異，進(jìn)一步提高環(huán)境流量保障的難度也各不相同。

結(jié)合實(shí)際構(gòu)建了太子河環(huán)境流量保障管理信息化平臺(tái)，從環(huán)境流量、預(yù)警及管理服務(wù)等方面進(jìn)行了填補(bǔ)。根據(jù)環(huán)境流量監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了區(qū)域供用水環(huán)境流量動(dòng)態(tài)模擬方案，該平臺(tái)的三維顯示，展示了動(dòng)態(tài)演變過程，能夠更好地對水環(huán)境流量進(jìn)行三維可視化模擬。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

結(jié)合對該系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)際需求，采用同類或類似系統(tǒng)的開發(fā)信息化技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建太子河流域環(huán)境流量保障管理信息化平臺(tái)，該平臺(tái)是基于面向服務(wù)的體系架構(gòu)，所有的業(yè)務(wù)應(yīng)用都以組件的方式被實(shí)現(xiàn)，通過Web服務(wù)的方式對外提供服務(wù)，并且可通過服務(wù)組合的方式搭建具體的層次體系，實(shí)現(xiàn)太子河流域環(huán)境流量保障管理信息化集成應(yīng)用。系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架見圖1。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架示意圖

1.2 系統(tǒng)平臺(tái)需求架構(gòu)

環(huán)境流量保障管理信息化平臺(tái)架構(gòu)分為虛擬化層、管理層、接口層。虛擬化層是該系統(tǒng)平臺(tái)的最底層，該層圍繞著太子河環(huán)境流量天然數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的水質(zhì)水量參數(shù)、環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行資源分配、優(yōu)化計(jì)算，確定合理方案，生成圖表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等內(nèi)容操作。通過接口層，實(shí)現(xiàn)管理層與虛擬化層之間的信息傳輸，將系統(tǒng)中流域環(huán)境特征、環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境流量保障方案、環(huán)境流量數(shù)據(jù)等信息自動(dòng)傳遞給管理層，并以系統(tǒng)平臺(tái)界面對內(nèi)容進(jìn)行展示。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)平臺(tái)主要由5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，將歷年長系列數(shù)據(jù)、還原后天然數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別并入相應(yīng)的子系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的入庫與整理，進(jìn)行存儲(chǔ)保存，需要數(shù)據(jù)時(shí)通過內(nèi)容渲染子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，最后通過管理方案輸出子系統(tǒng)，按照管理者需要進(jìn)行獲取，見圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成

1.4 系統(tǒng)技術(shù)與功能要求

系統(tǒng)采用基于3D圖形引擎顯示的渲染技術(shù)[3-4]，該技術(shù)具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)計(jì)了基于GPU(Graphics Processing Unit)的三維圖形圖像實(shí)時(shí)繪制功能，充分利用GPU的運(yùn)算單元實(shí)現(xiàn)了高清晰度輸出的實(shí)時(shí)幀速率。在關(guān)鍵數(shù)據(jù)幀單元的設(shè)計(jì)中，采用了單獨(dú)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，一方面在數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)、圖像處理、顯卡輸出等方面進(jìn)行了特殊的優(yōu)化，另一方面減少了線程和總線之間的數(shù)據(jù)交互，避免了磁盤控制器甚至主板級數(shù)據(jù)擁塞的風(fēng)險(xiǎn)，具有很好的安全性。

交互平臺(tái)涉及的各種場景對顯示信息和定位都有特定的要求。通過基于Directx的3D場景實(shí)時(shí)顯示，可以實(shí)現(xiàn)場景所需的各種3D模型的制作、導(dǎo)入和顯示，并支持第三方的模型和動(dòng)畫，對于場景的創(chuàng)建非常便利，能夠快速精準(zhǔn)定位各類信息和場景，保障各類信息需求的獲取。

該系統(tǒng)平臺(tái)在調(diào)度方案選擇中涉及的參數(shù)、權(quán)重及方法是調(diào)度方案的關(guān)鍵。針對太子河流域環(huán)境流量管理的特點(diǎn)，在調(diào)度方案合理化的過程中，提出了一套較為合理的環(huán)境流量管理方案評價(jià)方法體系，包括參數(shù)體系的構(gòu)建、參數(shù)的選取、環(huán)境流量管理方案的參數(shù)選擇、協(xié)商權(quán)、組合評價(jià)權(quán)和方案決策權(quán)等。在參數(shù)篩選技術(shù)中，采用以主成分分析法為主的現(xiàn)代多元統(tǒng)計(jì)方法，在保持原有空間參數(shù)特征的基礎(chǔ)上，對指標(biāo)進(jìn)行定量篩選，實(shí)現(xiàn)參數(shù)空間從高維到低維的映射，篩選參數(shù)所表達(dá)的信息更清晰，有利于后續(xù)計(jì)算；在權(quán)重技術(shù)上，采用了主客觀權(quán)重優(yōu)勢相結(jié)合的組合賦權(quán)方法、物元概念和半結(jié)構(gòu)化多目標(biāo)模糊優(yōu)化理論將其引入環(huán)境流量管理方案的優(yōu)化過程中，提出了一種基于物元概念的多維遞階評價(jià)方法，采用多維物元層次評價(jià)的多層次、多目標(biāo)、多群體決策方法進(jìn)行評價(jià)水質(zhì)水量聯(lián)合運(yùn)行方案。

2 系統(tǒng)功能與模塊

2.1 系統(tǒng)功能分析

功能分析是在當(dāng)前的業(yè)務(wù)分析上開展的，基于太子河流域管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求方向進(jìn)行不同模塊的內(nèi)容劃分，功能需求主要包括6個(gè)方面，它們之間相互獨(dú)立，同時(shí)又相互聯(lián)系。功能子需求主要包括環(huán)境流量基礎(chǔ)信息管理、環(huán)境流量的計(jì)算、環(huán)境流量方案的生成、實(shí)時(shí)流量信息的獲取、預(yù)警及保障方案的生成和成果三維化的展示。這些功能子需求構(gòu)建在一個(gè)統(tǒng)一的軟件平臺(tái)上，每一功能子需求都需要在上一個(gè)基礎(chǔ)上依次進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，見圖3。

圖3 功能子需求示意圖

2.2 系統(tǒng)模塊分析

系統(tǒng)模塊分析是在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上開展的，基于太子河流域管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求方向進(jìn)行不同系統(tǒng)模塊劃分。系統(tǒng)功能子模塊也包括6個(gè)方面，他們之間相互獨(dú)立，同時(shí)又相互聯(lián)系。系統(tǒng)子模塊主要包括環(huán)境流量方案生成模塊、環(huán)境流量計(jì)算模塊、基礎(chǔ)信息處理模塊、監(jiān)控?cái)嗝鎸?shí)時(shí)流量獲取模塊、預(yù)警及保障方案生成模塊、三維可視化引擎模塊，每一系統(tǒng)子模塊都需要在上一個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，見圖4。

圖4 系統(tǒng)模塊示意圖

3 系統(tǒng)平臺(tái)展示與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)整體功能界面

系統(tǒng)界面在Windows 7上運(yùn)行，由多個(gè)下拉菜單、工具欄、信息提示區(qū)、系統(tǒng)顯示區(qū)、系統(tǒng)配置列表、參數(shù)列表、數(shù)據(jù)顯示標(biāo)簽、主顯示操作渲染窗口和多功能界面組成，見圖5。該系統(tǒng)平臺(tái)包括了數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)信息、大量Mike數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)信息及歷史數(shù)據(jù)信息，這些信息將被系統(tǒng)間接使用，作為數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，如重點(diǎn)河道徑流系列數(shù)據(jù)、水庫進(jìn)出水量系列數(shù)據(jù)、供需調(diào)節(jié)范圍信息、區(qū)域地理位置信息等。用戶可以通過配置項(xiàng)查看和修改配置數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)主界面示意圖

3.2 環(huán)境流量保障方案功能

環(huán)境流量保障方案主要分為總體模型配置、參數(shù)配置、方案計(jì)算和方案展示4個(gè)部分。總體模型配置主要包括方案計(jì)算模型的框架。在總體模型配置中，主要針對輸入配置和輸出配置，用于修改系統(tǒng)中與Mike項(xiàng)目相關(guān)的節(jié)點(diǎn)。輸入關(guān)聯(lián)后，針對關(guān)聯(lián)參數(shù)的數(shù)值，可以在可調(diào)整的范圍內(nèi)進(jìn)行界定，以供在實(shí)時(shí)流量不滿足時(shí)，進(jìn)行迭代計(jì)算。確定關(guān)聯(lián)參數(shù)和方案逼近方式后，進(jìn)行方案計(jì)算，最終獲得最優(yōu)的環(huán)境流量值。結(jié)果展示見圖6。

圖6 計(jì)算結(jié)果方案展示

3.3 環(huán)境流量監(jiān)測與預(yù)警功能

通過環(huán)境流量的監(jiān)測，主要獲得當(dāng)前各環(huán)境流量分區(qū)的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，見圖7。在3D渲染窗口中顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如果與閾值不匹配，則進(jìn)行報(bào)警處理。同時(shí)，在彈出的對話框中，還會(huì)顯示當(dāng)前子流域劃分的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)需求對不同的時(shí)間段進(jìn)行信息查詢。

圖7 控制斷面環(huán)境流量監(jiān)測與分析界面

3.4 示范及效果評價(jià)

3.4.1 示范應(yīng)用分析

2016年7月1日—12月31日開展了太子河觀音閣水庫以下至唐馬寨區(qū)段的平臺(tái)業(yè)務(wù)化運(yùn)行示范，系統(tǒng)以旬為單位自動(dòng)生成了18份業(yè)務(wù)化運(yùn)行報(bào)告。示范河段內(nèi)包括本溪斷面和唐馬寨斷面兩個(gè)水文站斷面，示范期內(nèi)斷面流量基本滿足環(huán)境流量管理方案要求。水文站實(shí)測流量與環(huán)境流量管理方案對比情況見表1。

表1 實(shí)測流量與環(huán)境流量管理方案月均流量滿足情況 單位：m3/s

由表1可知，2016年示范期內(nèi)本溪斷面在7—8月無法滿足流量要求。通過對本溪站1961—2016年56年水文系列進(jìn)行分析，2016年為偏枯年，在執(zhí)行環(huán)境流量保障管理方案的情況下，對觀音閣和葠窩水庫下泄流量進(jìn)行優(yōu)化。反映觀音閣下泄流量的本溪斷面，由于觀音閣水庫優(yōu)先保障生活供水的原因，在7月、8月不滿足環(huán)境流量要求，不滿足程度分別為16%、33%；反映葠窩水庫下泄流量的唐馬寨斷面，由于葠窩水庫主要供水任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉，在統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)用水與生態(tài)水量的情況下，基本滿足環(huán)境流量方案要求。

3.4.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

該平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行效果顯示，各項(xiàng)目功能穩(wěn)定，能夠提供不同斷面流量預(yù)定的環(huán)境流量，結(jié)合實(shí)時(shí)獲得的不同斷面流量數(shù)據(jù)信息，除個(gè)別月份無法滿足環(huán)境流量要求外，其他月份均滿足，從而證實(shí)了該系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)測流量較好地優(yōu)化制定出水庫調(diào)蓄及下泄方案，獲得本溪、唐馬寨兩個(gè)斷面最優(yōu)流量，使其基本滿足斷面環(huán)境流量要求，基本實(shí)現(xiàn)了地表水資源規(guī)劃、分配和管理以及環(huán)境流量管理的日?；\(yùn)行。

4 結(jié) 語

本研究構(gòu)建的太子河流域環(huán)境流量保障管理信息化平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)了環(huán)境流量標(biāo)準(zhǔn)制定、環(huán)境流量保障方案生成、環(huán)境流量監(jiān)測、預(yù)警查詢等功能。通過實(shí)證應(yīng)用，能夠制定出最優(yōu)的環(huán)境流量保障方案，應(yīng)用效果顯著。為了使該平臺(tái)發(fā)揮最大功能，需要掌握更多重要水利工程、主要控制斷面的環(huán)境流量下泄方案，才能有效保障河道環(huán)境流量的滿足。