太湖流域典型区域水生态环境系统模拟平台研究

彭 虹，王永桂，张万顺，赵琰鑫

（1.武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072；2.武汉大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430079）

1 研究背景

随着经济和技术的快速发展，流域管理对数字化与科学化的需求越来越高。流域水生态模型开始逐渐被使用，其涵盖流域社会-经济-环境多方面，可反应出流域内人类活动对环境的胁迫，包括流域内水循环、陆面和水体内污染物的迁移转化过程，但当前模型输入条件多元并复杂，且专业化要求高，结果可视化程度低，不便于推广应用。建立流域水生态环境模拟平台，对流域水生态环境状况进行评价模拟预测与管理，目的是将现状和各种规划条件下流域环境状况直观、方便地表达出来，核心技术是实现流域模型与GIS功能的无缝链接。太湖流域水环境治理是我国环保重点整治区域，在管理防治上缺少专业化的数字平台。针对太湖流域典型区域——滆湖流域的水生态环境特点，研发以水生态环境模拟模型为核心、服务于管理的数字水环境系统，不仅对滆湖流域进行科学有效管理具有重要的意义，而且能为数字化流域环境管理的实施与推广提供可行的技术方法。

GIS具有强大的空间分析与信息管理功能，已经成为流域水文系统模拟研究的关键技术之一。集成GIS技术和流域模型，是研发流域数字环境系统平台的重要手段［1］。目前流域模型与GIS集成有嵌入型、连接型和混合编程3种方式［2］。（1）嵌入型包括流域模型嵌入GIS平台或GIS功能模块嵌入流域模型两种方式。前者如美国ESRI公司把ARCStorm、ARCGrid、地下水Darcy水流模型和污染运移模型等嵌入ArcGIS平台中，使ArcGIS平台具有一定的流域模拟功能［3］。该方法能进行一定的水文模拟分析，但是不具有针对性，功能也不够强大。后者通过嵌入GIS组件，进行可视化数据输入处理和模拟结果表达，有效提高了模型识别、验证与应用的效率。但是其空间分析能力有限，同时需要其它GIS软件的支持，如TOPMODEL［4］，MIKE SHE［5］，Cas-2D［6］等。（2）连接型主要是通过GIS软件本身提供的宏语言，通过二次开发将模型和GIS集成起来。如Bo Huang等［7］运用ARCVIEW宏语言Avenue，采用TOPMODEL开发出集成水文模拟模型和GIS功能的AVTOP模型系统。连接型以GIS软件为支撑，能取得较好的模型初始输入、数据集转换和结果表达的效果，但是需要购买GIS商业软件，开发成本大、专业性要求高、更新速度慢。（3）混合编程是在同一个时空概念下，通过多种编程语言进行底层开发，不依赖任何GIS商业软件，建立以流域模型为核心，具有相应的GIS功能、管理模型输入和输出数据的系统平台。如叶爱中等［8］通过对水文水资源模拟系统集成研究，通过混合开发的模式，建立了应用于黑河流域的DTVGM模型系统，系统应用多种语言混合编程，实现了GIS功能和水文水资源模型的无缝连接。基于此，本文选择混合编程的方式开发滆湖流域水生态环境系统平台。

2 流域水生态环境系统模型

在国家水体污染控制与治理科技重大专项，流域水环境系统分析与模拟技术研究子课题中，基于滆湖流域水生态环境的物质循环、能量循环、污染物运移、生物生长和流域内物质的迁移转化过程，建立了“陆面单元-河网-湖泊嵌套”——水动力生态水质耦合的综合数值模型。该模型能够对滆湖流域水环境系统中主要的演化过程进行模拟分析，反应社会经济压力、水文变异等因素对水生态和水环境的影响，模型基本框架如图1所示。

太湖流域水生态环境系统模型输入包括滆湖流域127个计算单元、519个计算断面和滆湖湖体的地理空间数据，还包括流域水文、水质、水生态等基础数据和重要参数，输入条件涉及8类30多项；模型输出包括流域水文、水质、水生态现状与预测数据以及不同区域之间物质与能量循环交换数据共120余项。

3 流域水生态环境系统设计

3.1 系统目标设计 针对流域数字水环境系统功能需求，以太湖流域水生态环境模拟模型为核心，研究流域水环境系统多维信息描述关键技术，研发太湖流域典型区域虚拟环境构建技术和基于GIS技术、空间仿真技术的流域水环境系统场景操作、浏览飞行、数据信息查询管理和水生态环境信息可视化等功能模块，实现流域水环境系统水动力水质模拟和水环境系统模型模拟结果多功能多目标展示。本系统在混合编程的开发模式下，选择Visual Fortran语言进行数学建模，模拟流域水生态环境，并生成可执行程序供系统平台调用；同时，结合流域空间数据和属性数据的特点，采用数据库技术，在.Net框架下使用C#语言、借助开源GIS代码（SharpMap等），根据模型运行条件和结果展示的需要构建GIS可视化平台界面，主要实现以下目标：（1）系统采用人机交互的方式，界面美观友好、信息查询灵活方便；（2）数据存储安全可靠、数据查询具有结果统计功能、在空间数据浏览飞行的基础上提供自定义浏览和多格式导出；（3）模型输入简单方便，进行数据分类分期管理，采用防错机制防止数据错输、漏输和误删；（4）长序列流域环境仿真模拟可视化，实现动态空间浏览分析和图表统计分析。

3.2 系统结构设计 滆湖流域水环境系统平台包括水环境系统模型库、水环境系统数据库、水环境系统可视化平台3个部分；按层次划分，主要分为4层，包括数据层、模型层，应用层和系统接口层，系统结构层次见图2。

系统通过相关的标准体系以及最新的技术，能保证整个系统安全、稳定、有效的运行。在应用层上，通过调用数据层内的文件作为模型输入条件以支持模型运行，并输出模拟结果到数据层中，然后在应用层进行仿真表达；系统接口层包括面对公众的接口、部门间的接口及预留其它待开发子系统数据接口。由于数据资料共享受限，本系统现阶段仅设置系统的数据接口，通过数据库进行数据交换，实现空间数据和属性数据的调用、更新和保存。

3.3 系统数据库设计

3.3.1 数据库分析 系统主体模型以链接可执行程序的方式在后台运行，读取文本文件中的数据作为输入，因此采用空间关系数据库的方式进行数据管理。考虑到数据之间的复杂度高但同类型数据关系结构简单的特点，系统采用Microsoft Access2007作为后台数据库，把数据分为生物、气象、水文、地理、水质5类进行管理。运行时，平台通过一转换机制把Access中的数据读入系统，并存储为临时的文本文件输入模型，最后运行结果存入Access结果数据表中，并在平台进行可视化输出。

3.3.2 数据库概念设计 本系统对数据安全具有较强的要求，每个用户只有在系统登录模块验证后才能根据用户权限对数据库中的数据进行相应的操作。系统按类别的不同对所有模型条件输入数据进行分类管理，其中同样类别的数据又根据它们所属区域或者格式的不同进行二次分类，对每一个不可再分的分类属性建立关系图表，图表实体单元ID号为主键，分类属性数据按时间作为字段存储。模型结果数据按箱体、河网和湖泊分成3类，分时段输出，每个时段的结果均建立一个关系图表，图表中实体单元ID号为主键，各指标为属性字段。如河网信息实体E_R图如图3所示。

3.3.3 系统数据库构成 数据库是实现多要素耦合水生态环境模拟模型的控制、管理、模拟、仿真、利用、评估、可视化检测的基础。本系统数据库构成包括各项水资源环境基础数据和模型输出结果的成果数据，建立包括空间数据库、水资源及社会经济发展等基础数据库、模型参数数据库以及模拟结果数据库。

3.4 系统功能设计 根据滆湖流域水生态环境系统平台的应用领域、工程需求以及结构特点，设计系统功能模块包括登陆模块、主体功能模块和退出模块3部分。其中主体功能分为GIS基础数据的管理与浏览、水生态环境模型调用和模型输出结果的分析演示。具体功能围绕水生态环境模拟模型，从面向用户和数据的角度，简化模型前期处理、浏览与管理模型数据以及模型输出结果可视化上进行设计，功能设计如图4所示。

3.4.1 登陆模块设计 系统登录主要用于对进入系统的用户进行安全性检查，以防止非法用户进入系统或权限限制用户更改模型参数和数据。对不同的权限用户，在登入系统后，会相应地显示不同的界面和提供不同的功能。

3.4.2 主体功能模块设计 系统主体功能面向数据和用户进行可视化处理，以模型为核心、以数据为支撑，在平台界面上，提供了丰富的接口供用户进行有针对性的数据浏览、分析、管理、更新、输出和查询。

（1）数据管理和浏览。系统建立关系型数据库管理系统对以文本形式存在的原始数据进行管理，具有数据批量装载，数据查询、输出、计算、上报，空间浏览、分析及汇总和数据库系统维护等主要功能。系统在提供基本的GIS数据展示功能（地图浏览、缩放、漫游和量算等）的基础上设置了由表到图、由图到表和由图到图的空间查询功能以及空间数据输出。用户在地图上点击空间单元即可查询到该单元的属性数据并进行地图显示样式设置，同时可以的把数据输出为常见的word或excel文件或者直接打印数据文件。

（2）面向模型的数据转换与条件输入。

（a）数据转换。由于各个地方监测手段不一样，产生的监测数据也不同，存在数据格式的互异性，因此系统设计了数据格式转换功能。在平台界面上，通过交互性操作选择导入原始数据即可把数据转化成模型需要的格式文件。针对监测仪器生产数据格式的不同，设计了多种可供选择的转换机制把数据转换成模型输入需要的格式。

（b）模型条件输入。系统以读取文件的形式把文件内的各项条件和参数读入模型，要求数据具有特定的格式和存储路径，这些格式和路径是绝对的。系统将已转换成预定格式的数据分成气象、水文、水质、灌溉施肥制度、作物生长、土壤性质和常量共7类。用户选择模型条件输入后，系统在各个选择项上自动填充可以支撑模型运行的数据，然后引导用户进行有针对性的更改；在更改时，采用防错机制，用户必须按所需格式输入数据完成更改。为了防止用户因误操作而破坏甚至删除数据，采用数据安全机制，所有的分析更新操作都在原始数据的复制版上进行。

（3）模拟成果分析演示。滆湖流域水生态环境模型成果演示包括湖泊的地形、流场、水位、水质等8个指标和河网不同河段水位、流量及污染物浓度等14个指标以及箱体单元不同利用类型土地的降雨、蒸发、生物量和主要污染物的交换值以及分层土壤中温度、含水量、水化等共计110项指标的演示。系统在处理模型成果方面实现了属性数据与GIS空间图形的链接、具有时序动态效果，做到了多角度多功能的对流域环境过程进行长期连续模拟预测的仿真演示。

（a）GIS仿真动态演示和空间查询。GIS仿真动态演示克服了以往GIS系统在图形演示分析上缺少时序性的缺点，以时间为轴，从模型计算起点开始，以颜色渲染的变化显示箱体、河网和湖泊各属性的长期连续变化过程。对于具有方向性的结果，除用颜色进行渲染之外，还以矢量的长度和方向表示其大小和方向，如湖泊流场、河网水量、河网和湖泊的物质能量交换等，如图5所示。

在动态模拟中，通过属性查询工具在图上点选该位置可得到值表；也可以通过统计查询工具，得到该时刻上下3个时间点内所选属性项变化统计图。图5（a）是河网在运算结果第6天的流量情况，颜色表示其流量大小，而箭头则表示该断面处水流的方向，图中可以看出该模拟时刻，箭头所指区域，水流流向是自东向西，由北向南的。图5（b）为湖泊在第2天流场的状况，湖泊的湖底高程以颜色示出，从图中可以看出，水流在滆湖中心形成一个环流。GIS动态仿真功能，实现了对同一区域内结果数据的纵向比较，方便用户对不同时期的结果值进行对比分析。

针对流域内特定属性不同区域横向比较的需要设计了GIS空间查询，用户选择兴趣点的结果，进行GIS地图渲染，通过不同区域颜色的不同进行比较。为帮助用户在地图上通过颜色渲染进行更精细的横向对比，提供用户自定义分级功能。

（b）图表演示。统计图表演示包括有动态统计图表和简单的统计图表生成功能。动态图表指特定区域模拟成果以时间为X轴进行动态生成。即演示一定区域某单项或者多项指标在时间上的变化情况，该统计图是随时间的变化而渐进地以脉动形式生成的，用户可以控制统计图演进的速度和起止时间点。对生成的统计图，可以对其样式进行多方面的更改，包括图表标题、X轴、坐标值、图例的位置和网格线等。简单的统计图则是在确定时间点的数据表上，用户选择感兴趣的范围，自定义生成饼状、柱状、线状和散点形式的统计图表。在自定义生成图表的过程中，用户可以根据所掌握的数据值范围先对要生成图标的数据进行查找，然后依据查询到的数据生成自己想要的图表类型，或者直接在数据表中选择要生成图表的项，生成对应的图表。

3.4.3 退出模块设计 退出模式为了避免不必要的退出错误而设计，在退出系统前要求用户进一步确认是否退出系统，如果用户确定退出系统，则直接退出，否则系统最小化到托盘。如果选择了不再提醒，则以后点击退出按钮后，不再弹出退出模式对话框，直接完成上一次选择的操作。

4 结论

滆湖流域水生态环境系统平台以水生态环境模拟模型为核心，构建相应的空间属性数据库和可视化平台界面，采用混合编程的方式进行开发，取得了以下成果。（1）系统建立了数据格式转换机制，为不同格式的原始数据提供了适用于模型输入所需格式的转换工具，降低了因模型特定的格式需求所带来的数据处理难度；（2）系统面向数据和用户，对模型输入数据进行了分类管理和界面化输入处理，能有效地简化模型条件输入、防止错误输入，保证了模型的正常稳定运行；（3）系统在处理模型成果方面实现了属性数据与GIS空间图形的链接、具有时序动态效果，直观地展现了流域水环境演变的长期连续变化过程，为流域生态管理、环境监测以及污染防治提供服务；（4）自主设计的GIS功能节省了数字平台开发成本，实现了GIS功能和流域模型的无缝链接；界面化的模型输入与输出对于流域模型的推广应用和流域水环境管理数字化和业务化具有重要的意义。

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