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国外水资源配置研究进展及基于GIS的模拟计算应用

【摘要】:国外对水资源配置研究更多是在水资源系统模拟的框架下进行。其最大特点是基于GIS开发和应用,以ArcView为平台引导用户自主建立模型,提供不同时空尺度的水资源系统模拟计算以及结果分析展示、数据交互及等功能。WMS以通用的数据接口提供多达10余种的水文模型和水力学模型,并提供多种相关的扩展功能模块供用户选用,并内嵌了完整的GIS工具,可以实现流域描绘和各种GIS功能分析。目前该软件已被引入国内,并在部分研究中得到了应用。

国外对水资源配置研究更多是在水资源系统模拟的框架下进行。J.M.Shafer等(1978)提出在水资源系统模拟框架下的水资源配置和管理,并建立了流域管理模型。由于水资源短缺的普遍性,世界银行(1995)在总结各种水资源配置方法不同地区应用的基础上,提出了以经济目标为导向,在深入分析用水户和各方利益相关者的边际成本和效益下配置水资源的机制。McKinney等(2002)提出基于GIS的GIS系统(OOGIS)的水资源模拟系统框架,作了流域水资源配置研究的尝试。20世纪90年代以来,水资源系统规划管理软件得到了长足发展,为水资源配置提供了更多的工具。相对而言,国外在水资源模拟的软件产品上处于领先优势,开发的模型具有较高的应用价值,充分利用计算机技术进行系统化集成。

MIKEBASIN是由丹麦水利环境研究所(DHI)开发的集成式流域水资源规划管理决策支持软件。其最大特点是基于GIS开发和应用,以ArcView为平台引导用户自主建立模型,提供不同时空尺度的水资源系统模拟计算以及结果分析展示、数据交互及等功能。MIKEBASIN以河流水系为主干,工程、用户以及分汇水点等为节点和相应水力连线构建流域系统图,以用户建立的系统和各类对象相应的属性实现动态模拟。模型考虑了地表水和地下水的联合供水,对不同方式下的水库运行以及库群联合调度提供了计算方法,并对系统中的农业灌区、水电站污水处理厂设置了相关计算。通过可修改调整的优先序或规则进行水量分配计算,并配有不同的扩展专业模块供用户选择。目前该软件在国内包括长江、珠江、海河等多个流域和省区的水资源规划管理得到了应用。

WMS是美国杨百翰大学陆军工程兵团共同开发的可用于流域模拟的软件,属于EMS软件系统的一个组成部分。该软件重视水文学和水动力学机理,从宏观和微观两个层次同时反映流域水资源运移转换。WMS以通用的数据接口提供多达10余种的水文模型和水力学模型,并提供多种相关的扩展功能模块供用户选用,并内嵌了完整的GIS工具,可以实现流域描绘和各种GIS功能分析。该模型提供融汇地表水和地下水转化影响的二维分布式水文模型,也可以进行水质变化和泥沙传输沉积的模拟,并提供随机模拟以及对各类参数的不确定性分析。目前该软件已被引入国内,并在部分研究中得到了应用。

Waterware是奥地利环境软件与服务公司开发的流域综合管理软件,其功能包括流域的水资源规划管理、水资源配置、污染控制以及水资源开发利用的环境影响评价。软件中集成了GIS分析工具、模拟模型和专家系统,以面向对象数据库为支持,结合GIS直观显示分析结果。Waterware立足于经济社会、环境和技术3个方面分析流域水资源问题,得出合理的水资源以及污染物排放指标的分配。模型以面向对象技术构建,以流域内的水利工程、用水节点、控制站点、河道等基本元素组成的网络为模拟基础,采用水质控制约束下的经济及环境用水分配的效益最大化为目标,实现整个系统的水量计算。

Aquarius是由美国农业部(USDA)为主开发的流域水资源模拟模型,该模型以概化建立的水资源系统网络为基础,采用各类经济用水边际效益大致均衡为经济准则进行水源优化分配,并采用非线性规划技术寻求最优解。该模型以面向对象技术构架系统,系统网络图中的各类概化后的元素均以面向对象编程技术中的类表达,并将其设计为符合软件标准的COM组件。模型以流域系统内相关的客观实体为建模对象,可对水库、水电站、灌区、市政以及工业用水户、各类分汇水节点以及生态景观及娱乐用水要求进行概化反映,并将其有机耦合在一个整体框架之中。

ICMS(Interactive Component Modeling System)是澳大利亚研制的水资源系统管理模型。该模型由一系列功能组件构成,包括模型创建组件(ICMSBuilder)、模型库(Model libraries,MDL)、方案生成(Project)、结果显示(ICMS Views)4部分。其主要特点是强大的交互性和方案生成的灵活性,通过组件式的开发实现由用户选择系统模拟方法。其中ICMSBuilder是系统支撑平台并提供系统网络图创建功能;MDL是各专业模块的组合,可以由用户选择嵌入系统中使用;Project在已建立的系统图和选定的计算模型方法基础上,自动生成计算方案并进行模拟计算。ICMS Views以图表形式直观展示计算结果。