RIVERWARE模型在流域水資源規劃應用的研究綜述

麥麥提敏·庫德熱提阿布都·沙拉木穆艾塔爾·賽地

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學研究院，新疆烏魯木齊 830049）

RIVERWARE模型在流域水資源規劃應用的研究綜述

麥麥提敏·庫德熱提1阿布都·沙拉木2穆艾塔爾·賽地2

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學研究院，新疆烏魯木齊 830049）

本文詳細的講述國外一些流域水資源規劃模擬軟件的特征及應用情況，并分析不同模擬軟件在流域水資源規劃與開發工作中所取得的一些成就。再進一步的講述流域水資源規劃決策模擬軟件Riverware的主要功能，模型的結構組成及其有關的模型參數及其所獲得的部分研究成果等。

水資源規劃 模擬模型軟件 RIVERWARE模型 應用現狀

1　引言

水資源是人類生存和經濟社會發展的物質基礎，是不可代替的重要自然資源［1］。目前人口急劇增長，工農業過快發展使得水資源的需求量逐年增加。因此如何可持續地利用一個國家或一個地區有限的水資源，解決經濟社會發展與人口，生態及其他方面的矛盾是當今水文水資源學及水資源研究的熱點［2］。

傳統的水資源規劃是以簡單的數學方程式或者水量平衡原理為基礎，解決了流域水資源短缺問題。但是流域水資源規劃中許多因素都是動態的，不斷變化的，需進行重復的改進與完善。隨著計算機學科與水文水資源規劃學科的迅速發展出現了一種人－機交互的建模方法。也就是說利用先進的計算機軟件和敏銳的邏輯思維方式建立流域水資源規劃模型，考慮全部靜態與動態因素提出流域水資源規劃與開發的最佳方案與優化方案。

2　不同水資源規劃模擬軟件特征分析

國際上的水資源研究起始于20世紀50年代，1953年美國陸軍工程師兵團為解決美國密蘇里河流域多座水庫的運行問題，設計了最早的水資源模擬模型。

1960年Emergy和Meek為解決尼羅河流域水庫規模和運行調度問題也構造了專門的模擬模型。其后，隨著系統分析理論和優化技術的引入以及計算機技術的發展，水資源系統模擬模型和優化模型的建立、求解和運行的研究工作得到了不斷提高。

國內水資源研究起始于20世紀60年代，以水庫優化調度為先導。20世紀80年代，以華士乾為首的研究小組對北京地區的水資源采用系統工程方法進行了研究，并在“七五”攻關項目中加以提高和應用。80年代后期新疆水利廳會同有關部門進行了“新疆水資源及其承載能力和開發戰略對策”的項目研究。隨后水資源規劃的研究在全國各地區各流域廣泛展開［3］。

迄今為止，我國水庫調度的研究經歷了兩個階段，第一階段是以常規調度方法為主的經驗尋優調度階段。該階段調度方法簡單直觀，但沒有充分發揮水庫的調控作用，難以處理多目標，多約束和復雜水利系統的調度問題。針對這一問題，人們在水庫調度實踐中，對一些常規調度方法進行了改進，提出了如利用判別系數和調度圖相結合的方法進行水電站群的徑流補償調節等；第二階段是以運籌學為基礎的水庫群優化調度階段，發展到現在，大致可以劃分為線性規劃（LP），非線性規劃（NLP），動態規劃（DP），模擬技術，控制方法，神經網絡方法（ANN），遺傳算法，多目標決策技術，大系統理論與方法，隨機優化方法，模糊優化方法以及衍生的一些其他方法等［4］。

2.1丹麥水利研究所開發的水資源規劃管理軟件MIKE BASIN

MIKE BASIN是丹麥水利研究所（DHI）研發的流域水資源規劃管理工具，作為對流域的數學描述，目的是找到每個時間步長內的靜止解，反應主要河流水系，水文時空特征，現有及規劃的主要水源工程方案，并以河網模型的形式表現。其優點是適合于不同時間尺度（年，月，日），空間尺度（工程點，河流到流域）上對大量的方案進行研究，計算速度快，具有強大的數據交互，結果分析展示等功能，可移植性和擴展性較強。MIKE BASIN系統的一個重要前提就是“靜止假設”，即所計算的水資源系統中水量和水質是緩慢變化的［5］。

2.2加拿大奧博特環境公司研制的WRMM模型

WRMM（water resource management model）模型是70年代加拿大大奧博特環境公司（ALBERTA ENVIRONMENT）研制的一個包括來水，耗水，輸水，蓄水工程在內，流域為基本研究單元，節點圖為基礎，供需平衡為原則的一個大型的地表水分配模型。其計算方法以線性規劃理論為基礎，水分配的優先權由罰點系統和線性規劃技術以整個系統罰值最小來確定，為水資源規劃和利用而開發的規劃工具。

模型應用結果表明模型有足夠精度除了能描述農業用水，城市生活與工業用水過程以外，還能模擬各工程的調度情況與河道的損失過程［6］。

2.3水資源規劃與管理決策支持系統DSS

對于DSS尚無統一的定義。1982年，Sprague和Carlson定義DSS為“一個基于計算機的人-機交互系統，它幫助決策者應用數據和模型解決非結構化或半結構化的問題”。Johnson則定義“DSS是一個由計算機硬件和軟件包結合的整體，可使管理運行人員容易地用來幫助他們實行決策及熟悉系統的性能。此外，DSS允許將運行人員的判斷加入分析過程，從而提供人-機協作的機會”［7］。

不管如何定義，一般認為DSS至少應有3個主要組成部分：（1）數據子系統，數據的獲取和處理及相關數據庫的管理；（2）模型子系統，對所研究的系統進行分析，預測和決策指導的模型；（3）對話管理界面，用于交互式的人-機協作。

2.4英國WATERWARE系統

英國WaterWare系統是一個用于流域管理的面向對象的信息和決策支持系統，最初是在EURERA項目資助下開發的，曾用于英國泰晤士河，墨西哥Lerma流域，巴勒斯坦西岸與加沙地區的研究。該系統是基于GIS和數據庫的模塊化框架，允許連接各種模擬和優化模型進入該框架，同時提供通用用戶界面和一致的共享數據源以及系統模塊間通信機制。從用戶的觀點，WaterWare是由具有GIS的中央信息系統部件，數據庫和多媒體超文本系統組成，能提供背景信息，描述特定的流域［8］。

2.5流域水資源規劃和管理決策支持系統RIVERWARE

RIVERWARE決策支持系統是一種用于河流、水庫及水電站運行管理的通用建模軟件，對河道的水流過程、水庫操作、消耗性用水、引水渠、淺層地下水與地表水的交互過程、水電站及其各種水工建筑物的運行操作進行建模。其最大特點是用戶可以利用基于規則的語言將任何操作或調度方案靈活地表達成各種邏輯規則，解決了針對不同水資源相關問題。該軟件采用了面向對象（Ob je ct-Oriented）和數據中心（Data-Centered）風格的軟件設計方法，提供包括供水、航運、發電、防洪等水庫多目標分析計算方法，同時也包含隨機水文分析、河道水力學計算、水質分析、地表水及地下水轉化分析等功能。由于采用了先進和系統的軟件設計思路和技術，RIWERWARE具有良好的可控性和適應性，用戶可以根據需求和經驗定制模型，實現從模型構建到計算方法選擇的完整控制。該軟件在美國墾務局（USBR）和田納西流域管理局（TVA）得到了應用。

3　Riverware模型國內外研究應用分析

Riverware 是美國墾務部開發局（US Bureau of Reclamation or USBR，Department of Interior）、田納西流域管理局 （Tennessee Valley Authority）和科羅拉多大學先端水資源水環境決策支持系統研究中心（Center for Advanced Decision Support for Water and Environmental Systems or CADSWES，University of Colorado at Boulder）開發出來的通用于流域水資源規劃和管理，水資源優化配置的一種綜合性的決策支持系統。其功能包括擬建水庫群的位置及規模的決定、水庫群聯調和優化調度、洪水預報、洪水模擬、水質模擬、環境及生態影響評價等。決策者通過利用Riverware提供的數據和模型結果能解決隨機性的一系列流域環境和水資源問題。

3.1國外研究應用分析

①由美國田納西流域管理局與科羅拉多大學水與環境決策系統中心所組成的研究員們對Riverware模塊進行最優化之后，1998年6月田納西流域管理局通過應用Riverware模型，在水電站釋放時間上得到了引路和指導。通過對該模型進行最優化與改進后田納西流域管理局正式開始應用并且執行了許多任務［9］。

②2006年John C，Carron，Edith A.Zagona，Terrance J.Fulp等在科羅拉多河下游與莫哈維水庫調度管理分析研究工作中利用Riverware模型與矩陣法對流域水系統進行了評價。并通過有關參數調到最佳狀態后對科羅拉多河下游流域管理工作進行了應用性方案分析。在模擬過程中他們利用Riverware模型跟莫哈維水庫隨機性的參數和操作環境進行了10天多的運行并得到了滿意的研究成果［10］。

③2006年Donald Frevert，Terrance Fulp，Edith Zagona，George Leavesley，Harry lins等組成的研究組結合Riverware模型，水文數據庫（HDB）及模擬模型系統（MMS）對科羅拉多河流域（Colorado River basin），格蘭德河上游段流域（UPPER Rio Grande basin），佩科斯河流域（Pecos River basin），尤馬蒂拉河流域（Umatilla River basin）與特拉斯河流域（Truckee River basin）進行調度分析。目前此技術已經應用于科羅拉多河小范圍的水庫調度到大范圍的流域規劃上。美國聯邦及州級機關積極參與Riverware模型的運行與決策過程的順利進行。圣胡安河流域（San Juan River Basin）是水質污染比較嚴重的河流，對科羅拉多（Colorado），新墨西哥（New Moxico）及阿尼馬斯拉普拉大市水資源規劃上帶來了挑戰。Riverware模型，水文數據庫（HDB）及模擬模型系統（MMS）在這些流域得到了廣泛的應用［11］。

3.2國內研究應用分析

2003年11月份中國水利水電科學研究院遙感技術開發研究中心（即水利部遙感應用中心）常務副主任，教授級高級工程師，美國注冊高級工程師王義成老師在中國水利水電科學研究院年度學術會議中做過 “Riverware 流域決策支持系統及其應用”的學術匯報。

2012年新疆維吾爾自治區水利水電科學研究院順利申請科技支持計劃國際合作項目引進了Riverware流域通用性模型軟件，并在烏魯木齊河上游段進行研究工作。此項目正在順利的進行中。

［1］吳澤寧，索麗生，等.水資源優化配置研究進展［J］.灌溉排水學報，2004，23：（2）：1～5.

［2］張占明，張鵬程，張維江，李娟，等.基于CROPWAT模型的流域水量平衡研究［J］.人民黃河，2013，35：（1）：60～62.

［3］王士武，陳雪，胡玲，耿兆銓，等.數學模型在濱海城市水資源綜合規劃中的應用［J］.中國農村水利水電，2005，30：（11）：30～32.

［4］尤祥瑜，謝新民，孫仕軍，王浩，等.我國水資源配置模型研究現狀與展望［J］中國水利水電科學研究院學報，2004，2：（2）：131～140.

［5］顧世祥，李遠華，何大明，崔遠來，等.以MIKE BASIN實現流域水資源三次供需平衡［J］.水資源與水工程學報，2007，18：（1）：5～11.

［6］布海力且木，姜卉芳，董新光，等.WRMM模型在烏魯木齊河流域的應用［D］.新疆農業大學學報，2005，28：（1）：77～80.

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［9］Elizabeth A.Eschenbach，Member，ASCE，Timothy Magee，Edith Zagona，Morgan Goranflo，Richard Shane. Goal Programming Decision Support System For Multiobjective Operation Of Reservoir Systems［J］.Journal Of Water Resources Planning And Managment ，America，2001：108～120.

［10］John C，Carron，Edith A.Zagona，Terrance J.Fulp.Modeling Uncertainty in an Object-Oriented Reservoir Operations Model［J］. Journal Of Irrigation And Drainage Engineering，America，2006：104～111.

［11］Donal Frevert，Terrance Flup，Edith Zagona，George Leavesley，and Harry Lins.Watershed and River Systems Management Program：Overview of Capabilities［j］.JOURNAL OF IRRIGATION AND DRAINAGE ENGINEERING ，America，2006：92～97.

新疆維吾爾自治區科技計劃項目（20126013），國家自然科學基金項目（51069017），新疆維吾爾自治區公益性科研院所基本科研業務經費自助項目（KY2014044），新疆大學綠洲生態重點實驗室項目（XJDX0201-2013-04），水利部公益性行業科研專項經費項目（201001065）。

麥麥提敏·庫德熱提（1986-），男，新疆烏魯木齊人，在讀碩士研究生，主要研究農田水利與水資源規劃。