水資源管理系統開發及關鍵技術研究

張翔宇，宋瑞明，李 舒，谷曉偉，劉姝芳，李強坤

(1.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

目前，我國信息化技術發展迅速已滲透各個行業，水利信息化也應運而生，水利資源信息數量龐大、分布廣泛，而水利信息化技術滿足數據管理的先進性、高效性以及運算的科學性，可以滿足水利行業數據管理的需求[1]。水利信息化技術結合現代信息化技術手段，在水利信息的采集、輸送、存儲、處理和服務過程中實現標準化與現代化[2]，直接為水資源的開發利用、水資源的配置與使用、水環境保護與治理等管理決策服務，提高水利行業的科學管理水平[3]。

實行最嚴格水資源管理制度的關鍵是圍繞水資源配置、節約和保護，確立水資源管理3條紅線，要求必須加強水資源監控設施建設，實時掌握來水、取水、用水和排水動態，保證信息獲取的準確性和精細化，為最嚴格水資源管理制度考核提供手段和依據。建設流域水資源調配決策支持系統，提高流域水資源監控能力，為流域水資源調配管理部門及相關用戶提供專業技術服務，實現數據共享、提高工作效率，為流域水資源管理工作提供技術支撐[4]。

1 開發目標與任務

根據黃河流域水資源管理職責和水資源業務管理模式，結合中央、流域、省級三級水資源監控能力建設部署和要求，通過黃河流域水資源監控能力建設，開發黃河流域水資源調配決策支持系統。為黃河流域實施最嚴格的水資源管理，實現水資源優化配置、高效利用和科學保護的目標提供技術支撐，主要目標為：①為最嚴格水資源管理制度“三條紅線”考核，建立技術支撐框架體系；②為最嚴格水資源管理制度“三條紅線”考核，提供初步技術支撐；③為實施最嚴格水資源管理，實現水資源管理主要業務的在線管理。

系統主要致力于完善以流域為單位、以省(自治區、直轄市)為考核對象的水資源管理所需數據的獲取、加強監控的手段、全面提高國家層面的水資源監管能力，形成滿足最嚴格水資源管理制度管理需要的監測、計量、信息管理能力，為強化水資源管理監督考核提供技術支撐，為最嚴格水資源管理制度的實施提供有力的手段和支撐。以水資源管理系統為平臺，構建干支流不同分區、可進行人機交互、無需過多涉及模型細節、生成實用的水資源規劃配置方案。系統根據主要來水區徑流預報模型計算日徑流預報數據、調用運行干流枯水模型、統計分析水庫前期蓄水、省(區)引退水、需水區的旱情、河道水情、和河損數據、提取調度方案運行監視功能對方案跟蹤的信息，編制水量調度方案。

2 系統設計

2.1 系統開發及運行環境

黃河流域信息平臺水資源調配決策支持系統在國家水資源監控能力建設項目統一的應用支撐平臺的基礎上，遵循項目統一的技術標準和規范，采用C/S與B/S相結合的結構模式。系統開發涉及可視化、數據庫、網絡、GIS等多種技術，針對不同模塊的開發特點，C/S結構選擇Java語言進行所有界面以及后臺計算程序的開發，B/S結構開發采用J2EE技術[5]，C/S與B/S結構數據庫分別選擇Oracle與MySQL數據庫管理系統，GIS采用Arc GIS系統，圖表功能的開發采用JFreeChart控件完成，Web應用服務器采用WebService服務。

2.2 技術模型

(1)需水預測。需水預測研究內容包括可持續發展下的社會經濟需水預測和生態需水預測兩個方面。通過接收處理各省(區)用水訂單，獲取各省(區)用水需求數據。不同用水行業(戶)，需水預測方法不同；同一用水行業(戶)，也可用多種方法預測。需水預測以定額法為基本方法，同時也可用趨勢法、對數法、指數法、灰色模型、支持向量機模型等其他方法進行復核，對各種方法的預測成果經綜合分析后得出需水預測的結果。通過多種方法對需水量進行綜合預測，為黃河流域水資源優化配置工作和決策人員提供合理可靠的預測數據。

(2)供需分析。在供需平衡計算時，考慮支流優先，地表水、地下水統一調配，河口鎮、利津、華縣等重要斷面控制下泄水量要求等。供水順序：生活用水優先，農田保灌面積用水、工業、生態環境統籌兼顧。 以水資源二級區套省級行政區形成的分區作為計算分區，采用長系列調節計算，并給出各分區、控制節點、蓄水工程的供需分析計算月系列成果，以及不同來水頻率下規劃水平年各水資源分區內供水量、需水量的平衡分析結果。

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

黃河水量月計劃調度在年計劃調度的基礎上進行滾動修正。即，根據干流和主要來水區最新徑流預報以及各省(區)下月申報用水，根據“豐增枯減”的原則，考慮水流傳播時間、河道損失等，進行水量驗算。由于增加了前期實際來水的信息，以及實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，月計劃調度在水量分配上比年計劃調度更接近實際情況。

月計劃調度之后，系統主要工作是跟蹤監視水情、工情、墑情、引水等情況，預測其發展趨勢，不斷提出供領導決策的參謀意見，以指導水量調度工作。系統判別在出現區域性嚴重干旱、預測或已經發生預警流量時，啟動實時調度，系統根據主要來水區徑流預報模型計算日徑流預報數據、調用運行干流枯水模型、統計分析水庫前期蓄水、省(區)引退水、需水區的旱情、河道水情和河損數據、提取調度方案運行監視功能對方案跟蹤的信息，編制水量調度方案。

2.3 總體結構

黃河流域水資源調配決策支持系統由人機交互層、模型應用管理層和數據庫管理系統三部分組成(見圖1)。

圖1 系統總體結構

人機交互界面是用戶與系統對話的工具，是決策者參與決策過程的媒介；模型應用是水資源調配的核心，包括各類技術模型、數據顯示模塊以及系統的總體集成等幾個層面[6]，模型計算結果是決策者制訂調配方案的主要依據；數據庫管理系統，是水資源調配決策支持系統的各模塊間信息傳遞的中轉站。系統遵循國家水資源監控能力建設項目的整體框架，以黃河流域水資源調配管理的業務需求為基礎，構建黃河流域水資源調配模型；并將模型嵌套到系統中，實現水資源調配決策會商，為黃河流域水資源調配提供全面的輔助決策支持[7]。

3 系統開發關鍵技術

3.1 gis模塊的聯動

黃河流域水資源調配決策支持系統中嵌入了gis模塊，系統中放置流域概況圖，圖中顯示河流水系、主要水庫，水文站點以及各省區劃分概況，用戶可根據需求對流域圖進行放大縮小以及拖動等功能。對于該功能，開發過程中面臨的問題是如何實現gis模塊與Java程序的聯動：首先，在gis地圖文件屬性中加載mdb數據時要保存為相對路徑；然后，需要對開發工具eclipse進行配置，無論操作系統的類型都需要將eclipse重新配置為32位jdk，并在項目的jre系統庫中加載gis應用程序中的插件ntvinv.dll。在對mxd文件與eclipse開發工具均重新進行配置后，即可在系統中開發流域概況圖，實現程序與gis模塊的聯動。

3.2 數據庫的鏈接

(1)本地數據庫。流域水利信息數據數量龐大、種類繁多[8]，C/S結構中選用Oracle10g開發本地數據庫。本地數據庫實現聯動的困難在于，黃河流域信息平臺應用系統中各個子系統的數據庫采用不同的數據庫軟件開發，本系統的數據庫需要與其他數據庫之間存在聯動性。在進行聯動管理時，決策支持系統必須采用不同的連接方式與其他子系統數據庫連接。通過在本系統中開發一個接口，將各種數據庫連接方式集成在該接口中，系統可以與框架中的其他數據庫連接[9]，達到數據的跨庫聯動更新，從而實現數據資源的充分共享。

(2)遠程數據庫。系統中的B/S結構通過訪問遠程服務器端的plsql developer實現數據的交互，黃河流域信息平臺應用系統中各個B/S子系統無自備庫，都鏈接至該遠程數據庫。連接遠程總臺數據庫的主要代碼為：

username="******";

password="******";

schema="******";

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

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

連接遠程數據庫后，在系統開發中可以對需要更改的數據進行讀取、修改、更新、存儲等操作。

3.3 MATLAB的交互

系統的界面設計以及基礎功能的實現采用Java技術，但涉及到的一些模型算法如水資源優化配置模型的建立與求解，采用MATLAB語言編寫的遺傳算法，過程的實現需要各語言之間進行參數的傳遞與結果的反饋。即，Java與MATLAB語言的交互。對于Java中參數傳遞到MATLAB算法，首先系統庫需設置為Javase-1.6，并將程序導出為jar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.參數名”可獲取Java方法的返回值或變量。對于MATLAB算法結果的反饋，本項目采取的方法為將配置結果存放至Excel文件，Java程序再從中讀取，該方法操作簡便較容易實現。

4 系統應用

黃河流域水資源調配決策支持系統包括流域信息管理、水資源規劃配置和水資源調度三部分。有效整合和調用現有資源，作為系統開發的基礎和水資源調配的邊界條件，提高水資源調配精度。在對流域水資源、需水定量分析的基礎上，以水資源管理系統為平臺，構建干支流不同時間尺度、可進行人機交互、無需過多涉及模型細節、實用易用的編制調配方案功能，實現方案的編制、存儲、再現、多方案對比，以及結果模擬的會商決策要求。系統為流域水量配置、調度方案編制、實現最嚴格水資源管理提供了決策支持。其中，系統中的網絡概化圖界面如圖2所示。

圖2 系統網絡概化圖界面

流域信息管理主要展示流域概況、計算分區及水資源系統概化等信息；水資源配置主要包括水資源現狀評估模塊、需水量預測模塊、可供水量預測模塊和水資源規劃配置模塊；水資源調度管理包括水資源年計劃調度、水資源月計劃調度和水資源實時調度三個模塊。同時，系統還具有決策會商和遠程調度功能。

5 結 語

本文以黃河流域水資源管理工作為基礎，應用Java技術、數據庫服務平臺、Arc GIS系統和WebService服務器，建立黃河流域水資源調配決策支持系統。系統的開發與應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劃管理工作[10]，為水資源調配工作提供決策信息服務和調配方案管理等功能，從而為業務管理提供邊界條件和審批依據。水利信息化技術的逐步推廣與進步，將為“智慧水利”的建設提供有力支持。