基于GIS的两江新区健康水系统决策支持系统构建研究与实现

邓仕虎，王小勇，朱俊丰1，，冯琳耀

(1.重庆市地理信息中心，重庆 401121； 2.重庆知行地理信息咨询服务有限公司，重庆 401121)

基于GIS的两江新区健康水系统决策支持系统构建研究与实现

邓仕虎1，2*，王小勇2，朱俊丰1，2，冯琳耀2

(1.重庆市地理信息中心，重庆 401121； 2.重庆知行地理信息咨询服务有限公司，重庆 401121)

由于城市规划、建设对城市水环境约束考虑不足，水体污染得不到有效控制。为了能够系统、全面、快速地对城市健康水系统进行模拟及决策，本文以两江新区为研究区域，基于GIS技术建立了两江新区健康水系统构建决策支持系统，对海量水系数据进行集成管理，围绕自然水循环和社会水循环过程，集成了水文响应模型、水体环境模型以及健康度评价模型，研究了不同城市发展情景下水环境演变趋势，为两江新区健康水系统的构建提供决策支持。

两江新区；水环境；健康水系；决策支持系统

1 引 言

目前，全国水资源利用量逐年上升，2011年达到 6 107亿m3，全国污废水排放量逐年上升，2011年达到652亿m3[1]。当前我国水环境问题已日趋凸显，防洪安全、内涝安全缺乏保障，水资源的紧缺与用水的浪费并存，水土资源过度开发造成对生态环境的破坏，水环境恶化和水质污染迅速扩展。重庆两江新区作为全国第四个国家级开发区近年来水环境日趋恶化[2，3]，主要表现在：①重庆主城最近33年建设用地增长了500多平方千米，导致硬化下垫面快速增加，河流湖库面积下降了22.1%，林草地面积下降了18.9%，是产生主城水环境恶化的重要原因之一；②重庆主城河流湖库水面率下降22.17%，其中河流面积减少了12%(26 km2)，湖库面积减少了58%(42 km2)；③多数小流域城市化后，其河流分支比、河网密度、河流发育系数、河流蜿蜒度、水面率受到人为干扰明显，径流调节作用减弱，人为加剧了城市的水环境问题；④在城市功能主导下的用地布局没有重视水环境功能与容量的约束，部分小流域土地利用强度过大，超过水环境承载程度；⑤河源高强度开发与主城不透水面积的增大，进一步导致径流污染效应、径流峰值效应等径流综合效应。

探索快速城市化因素对区域城市水循环的影响机制和两江新区城市水系统健康评价体系，构建基于水循环过程信息化的两江新区城市健康水系统决策支持系统，为实现两江新区城市水体水质改善、城市健康水系统构建提供支持，是提升两江新区水系统规划建设与运行管理技术水平重要手段。

2 国内外研究进展

国外对城市水循环过程信息化研究大致分为三个阶段。①应用起步期(1970s)：主要对水循环过程信息的统计与显示；②初步发展期(1980 s～1990s)：主要研究基于数字高程模型的汇水流域分析，开发不同类型的水文单元，开展不同下垫面的降雨入渗过程研究；③快速发展期(1990 s～)：利用水循环过程信息耦合不同的水文模型，形成各种不同目标的水循环过程地理信息系统。国内在20世纪90年代开始陆续开展有关地理信息系统在水资源领域应用的研究。最初主要是一些有关国外地理信息系统在水资源领域应用情况的介绍，之后开始进行有关专门为水资源管理服务的地理信息系统开发和研制工作，同时地理信息系统在水资源环境领域应用的尝试和范围也不断扩大。国内不少城市基于地理信息系统建立了城市排水管网信息系统或城市洪涝风险评估预警系统，但是缺少社会水系统与自然水系统相互作用关系的水循环过程信息化系统[4～7]。

目前，但是缺少社会水系统与自然水系统相互作用关系的水循环过程信息化系统，虽然分别针对水资源利用与节制用水、污水再生回用及污泥综合利用、雨水水文循环修复等技术开展了大量研究，鲜见城市流域健康水系统跨流域综合技术研究的报道，还没有开展基于水循环过程信息化的城市健康水系统决策支持系统的研究[8～10]。

3 健康水系统决策支持系统框架研究

3.1 决策支持系统逻辑框架

本系统建立一个以重庆两江新区自然循环和社会水循环为基础，以水系统信息的采集和输入、编辑与更新、存储与管理、查询与分析为基本功能，实现不同流域的动态用地类型、水环境功能设置、水环境容量计算以及水量平衡核算，在现有水环境健康综合评估方法体系的基础上，构建两江新区水系统的健康评价子系统，利用GIS技术进行分布式水质水量模型对两江新区自然河流湖库水系、城市社会水系统进行联合分析的基础上，确定不同城市发展情景、不同流域水系调水方案条件下水环境演变趋势，以期构建两江新区健康水系统决策支持系统，为两江新区健康水系统技术方案提供基础数据、模型运算及决策支持。根据系统所要具备的项目技术内容，将系统分成5大子系统，如图1所示。

图1 决策支持平台的模块及其关系

(1)两江新区水系空间信息管理子系统

本子系统提供了对两江新区自然水系统、社会水系统的空间属性数据库进行添加、查询、编辑输出的功能，能够实施灵活高效的图库管理和方便的数据转换，是一个功能较强的水系统地理空间信息管理系统。

(2)两江新区水环境健康评价子系统

本子系统基于水环境健康评价指标、技术、方法体系，健康度评价模型构建的基础上，提供了对两江新区水系统健康评价运算、显示、输出的功能。

(3)两江新区分布式水质水量联合分析子系统

本子系统基于两江新区水循环过程信息管理系统的空间属性数据库，构建水力、水质、水量等不同类型的分布式联合分析模型，实现不同流域的用地类型、水环境状况、水环境容量计算以及水量平衡核算，为水环境健康评价子系统、水环境演变趋势模拟子系统提供计算模型支持。

(4)两江新区不同城市发展情景下水环境演变趋势模拟子系统

本子系统基于两江新区不同城市发展阶段的空间数据，通过分布式水质水量联合分析子系统对时空尺度的水环境系统状况进行模拟计算，实现两江新区水环境演变历史回溯及不同发展情景的趋势预测。

(5)两江新区健康水系统决策方案构建支持系统

根据两江新区水系统自然循环、社会循环的调研结果，基于水环境健康评价模型、分布式水质水量联合模型，结合两江新区的城市发展情景模式，提供两江新区健康水系统的决策支持，为两江新区健康水系统技术方案提供基础数据、模型运算，为提升和保障两江新区环境功能提供系统支撑。

3.2 决策支持系统软件总体架构

为了保障系统的各个子系统相互可独立运行，减少水环境模型之间的依赖，本系统总体上采用分层的架构模式，每层之间采用组件模式。系统总体架构模式如图2所示，有设施层的服务器、网络、计算机等设备设施；数据层的基础数据库、专题数据库和模型结果数据库；数据中间件是为模型运行提供数据转换功能，既提供模型运行所需的数据，也保存模型结果到数据库中；模型层有流域水文模型、水体环境模型和水体健康度评价模型；表现层有信息管理系统、水质水量联合分析子系统、健康度评价系统、水环境演变趋势模拟子系统和健康水系统决策方案构建子系统。

(1)设施层

水环境模型的运行时间长、计算量大、需求的数据量大，因此提供的基础层须提供是普通PC机100倍以上的运行效率的高性能服务器，提供24×7小时的不间断运行，保障模型运行的稳定性，提供强大的数据库。

(2)数据层

两江新区水系数据库：存储两江新区的水系及其相关数据，针对流域水文模型、水体环境模型和健康度评价模型的输入输出数据，主要包括基础数据、矢量数据、专题数据、模型标准数据库、输出结果等数据。通过数据中间件与模型进行交互，提供模型的输入数据，存储模型的结果数据。

(3)数据中间件

提供模型层之间连接，建立便捷的通信机制，为各个模型提供输入输出功能，并控制模型的运行。中间件有不更改现有模型而扩展模型的功能特点，可简化模型的集成开发，降低开发难度和费用，增加模型应用的生命力。

(4)模型层

模型层提供模型的运行环境，保障模型按照预定的顺序执行，调用数据中间件，为模型提供输入数据，转换输出数据，为下一个模型提供输入数据，并把各个模型运行结果解析给数据中间件。

(5)表现层

表现层分别对应的水循环过程空间信息管理子系统、城市水系统健康评价子系统、分布式水质水量联合分析子系统、水环境演变趋势模拟子系统、决策方案构建支持系统。

图2 决策支持平台总体架构

3.3 系统构建关键技术

2018年，将要过去。对于2019年，我们可以肯定地说一句预测，那就是2019年肯定会比2018年好过，这一点，大家不要用惯性思维或者大众思维去思考股市，就像很多人在2017年底以为2018年会好过一样，大家也不要觉得2019年会像2018年一样继续难过。

(1)二三维一体化水环境管理技术

利用地理信息大数据技术，整合了地形、遥感影像、土壤、三维地形、气象、现状土地利用，7种城市发展情景土地利用等基础数据，流域、河流、降水数据、水质监测、社会经济指标、给水厂、污水处理厂、示范工程等自然与社会水数据，海量高精度的网格数据，形成了三大类，22项的大数据水系统信息，网格数量达到450万，且考虑网格水流拓扑关系，其网络化径流计算呈指数化增长，总数据量达到 40 GB，最后构建了城市水系统复杂、多样、海量的城市水系统管理系统。

(2)构建高精度地、覆盖全域系统性地水质水量联合分析模型

水质水量联合分析模型是分布式模型，要对研究区域进行网格剖分，利用地形水流方向，形成网络化的径流路径，实现径流流量和污染物浓度汇流演算，采用隐式差分格式离散对一维水力水质模型控制方程进行离散，模拟河流水量流动，污染物流动、扩散与衰减。在进行区域网格剖分时，可以选择 5 m、10 m、20 m网格单位，形成高精度的网格，网格数量可达到千万级别，在考虑径流关系计算过程，其计算空间复杂性非常高，通过耦合水文响应模型和水体环境模型，全域覆盖研究区域的“陆地、水体”，在演算过程同时进行径流流量和污染物汇流演算，一次运行，得到水量水质结果。

4 系统实现与成果应用

基于健康水系统决策支持系统建设框架，本文采用C#语言和Oracle数据库，利用ArcGIS Engine10.0二次开发进行了系统建设，实现了对两江新区健康水系统的数据进行可视化管理，构建了集水文响应模型、水体环境模型、水体健康度评价模型为一体的综合水质水量分析体系，根据两江新区现势数据及发展状况，本文建立了现状情景、底限情景、理想情景、规划情景共四种发展模式，对不同发展情景下自然水与社会水循环过程进行模拟、趋势分析与对比，为两江新区健康水构建提供了决策支持。

4.1 系统实现

建立涉及两江新区水循环过程信息的综合数据库，搭建海量数据可视化管理平台，数据包括地形、遥感影像、气象土壤、土地利用等基础数据(如图3(a)所示)，流域、河流湖库基础资料、水质监测、社会水系统等水系统空间及属性数据，为健康水系统构建提供数据基础。实现了对海量数据的便捷管理，提供了查询、编辑等丰富的管理工具。利用地理信息二三维一体化技术，进行水系统格局的多层次、多角度、高精度的全面展示呈现(如图3(b)所示)。

图3 数据可视化管理

(2)基于软件中间件的模型实现与集成

基于地形水流方向[11]和空间拓扑关系，形成了支持大数据算法的城市下垫面高精度网络化网格径流路径，通过分析挖掘不同土地利用、不同土壤质地、不同坡度类型的水文响应径流参数，构建了支持大数据算法的城市下垫面水文响应模型，实现了水文响应模型沿高精度网格径流路径进行径流流量和污染物浓度汇流演算(如图4所示)，通过水文响应模型，可以快速得到地表的污染物负荷分布，定位污染源头，便于进行针对性治理，同时，也为水体环境模型提供模型输入。

图4 水文响应模型

根据一维水力水质模型[12]，构建了适用于大数据分析的水体环境模型，采用隐式差分格式离散对水力水质模型控制方程进行离散，通过水质监测资料[13]对水环境模型进行参数率定，实现城市流域的水环境模拟。水体环境模型将城市河流进行断面划分，计算每个断面的污染物浓度，得出全河平均水质及河口水质情况(如图5所示)。

图5 水体环境模型

利用水文响应模型、水体环境模型，综合考虑流域的生态、物理生境、管理水平、社会经济水文等信息，构建了流域健康度评价模型，实现了对河流水质指标划分，建立完整的水质评价体系，通过权重运算得到水环境的健康状态，如图6所示。

图6 流域健康度评价模型

4.2 系统特色

传统的水环境分析与健康水构建，主观性较强，模型支撑不足，无法综合考虑地形、下垫面、水文、土壤等条件，水质水量指标难以量化，两江新区健康水系统决策支持平台以城市自然水循环和社会水循环为基础，建立了流域“水文响应模型—水体环境模型—流域健康度评价模型”自动化运行模型链，采用综合空间分析的方法，可以模拟地表径流、点源排放、河流污染衰减整个过程，形成完整的“设定方案—平台决策支持—方案构建”的健康水系统构建方法体系，实现“陆地”与“水域”的空间全覆盖，也实现了从降雨、到地表径流、到河流、到流域生态环境评价的全过程。

4.3 成果应用

重庆两江新区是一个国家级开发开放新区，管辖渝北区、江北区、北碚区3个行政区域，面积 1 200 km2，人口221万人。两江新区分为20河流流域和20个滨江流域。

通过对水环境与土地使用相互关系的可知，基于水环境目标的土地使用规划受多个层面影响：现状发展、底限发展、理想发展、规划发展四个模式，四个模式对应了城市不同的生态目标，也对相关设计策略及管制要求提出了不同标准与参考方向。现状发展情景主要根据近年来两江新区快速城市化的开发过程，推演2020年左右两江新区土地利用情景；规划发展则立足于两江新区总体规划，展望2020年左右土地利用开发状况；底限发展情景着重关注社会经济建设，在满足法律法规、防护安全的前提下不限制建设用地侵占城市河流湖库等；理想发展情景侧重于生态环境保护，牺牲经济发展速度换取城市水系统健康，如图7所示。

图7 基于不同城市发展构建的发展情景方案

根据不同城市发展情景，通过健康水系统构建决策支持系统，对情景进行模拟分析，其模拟结果如图8和表1所示。

根据不同模拟结果，可以得出：现状发展情景，重要河水水系、山体，潜在的径流通道消失严重，河道呈现干涸和洪涝的二元现象；河流水源涵养区等重要生态敏感区面临严重挑战。底限发展情景具有保护中等风险及生态功能的水文径流通道；融入具有调洪、游憩等功能的雨洪公园等，有较为充足的湿地系统，河道水量充足，抗洪涝能力较强。理想发展下重要的潜在泄洪通道需要恢复，能容纳一定程度的洪涝，城市游憩与景观功能难以适应城市发展需求；地灾等重要生态敏感区及重要生态廊道得以有机保护。规划发展情景，潜在的径流通道消失较严重，地表径流较大改变，生态服务能力较低，河道水量较少和易洪涝的影响，水土流失等重要生态敏感区得到初步缓解与控制。通过将不同情景方案的水环境演变趋势进行对比与分析，需要将理想情景和规划发展情景进行整合，形成综合发展方案，既满足城市功能需要，又最大限度保障水环境的健康循环，为城市规划提供辅助决策。

图8 不同城市发展情景下水质TN指标的对比

5 结 语

我国目前处于快速城市化阶段，城市的规划建设对水环境约束考虑不足，导致城市生态环境恶化，防洪安全、内涝安全问题日趋突出。长期以来，缺乏有效的技术手段对城市规划方案、项目工程选址方案水环境影响进行科学的评估。城市水环境的演变是一个复杂的系统过程，本文基于GIS技术研究了面向两江新区的健康水系统构建的决策支持系统框架，对两江新区自然水循环过程和社会水循环过程各类要素信息进行集成管理，实现了对流域水文模型、水环境健康度评价模型的集成，具备了对两江新区不同发展情景模式下水环境绩效模拟预测的能力，为两江新区环境改善与水系统规划建设提供技术与规划实施方案提供了技术支撑，可为其他流域水环境决策支持系统构建提供参考。研究中发现流域水环境模型的运行模拟时间一般都很长，并且对运算设备环境要求高，为了提升水环境决策支持系统在实际管理中的应用效果，需进一步研究利用并行计算技术提升模型运算效率。

[1] 中华人民共和国水利部，2014年中国水资源公报[R]. 北京：2015.

[2] Ministry of Environmental Protection. China Environmental Statistics 2011：Department of Environmental Monitoring，MEP，PRC，2012.

[3] 中国工程院“21世纪中国可持续发展水资源战略研究”项目组. 中国可持续发展水资源战略研究综合报告[J]. 中国工程科学，2000(8)：1～17.

[4] 张犁. 城市洪水分析与模拟的GIS方法研究[J]. 地理学报，1995(S1)：76～84.

[5] 马蔚纯，张超. 基于GIS的水质数值模拟——以上海市苏州河为例[J]. 地理学报，1998(S1)：67～75.

[6] 程晓光，张静，宫辉力. 半干旱半湿润地区HSPF模型水文模拟及参数不确定性研究[J]. 环境科学学报，2014，34(12).

[7] 张金存，芮孝芳. 分布式水文模型构建理论与方法述评[J]. 水科学进展，2007(2).

[8] 张杰，李冬. 流域和城市水健康循环战略规划实例[J]. 给水排水，2008，34(5).

[9] 殷会娟，冯耀龙. 河流生态环境健康评价方法研究[J]. 中国农村水利水电，2006(4).

[10] 耿雷华，刘恒，钟华平等. 健康河流的评价指标和评价标准[J]. 水利学报，2006(3).

[11] 张维，杨昕，汤国安等. 基于 DEM 的平缓地区水系提取和流域分割的流向算法分析[J]. 测绘科学，2012，37(2).

[12] 李锦秀，廖文根，黄真理. 三峡水库整体一维水质数学模拟研究[J]. 水利学报，2002，12(12)：7～10.

[13] 李立青，单保庆，赵建伟等. 山地城市地表径流源区水质特征监测研究[J]. 环境科学，2012，33(10).

Research and Implementation of Health Water System Decision Support System Construction in Liang Jiang New Area Based on GIS

Deng Shihu1，2，Wang Xiaoyong2，Zhu Junfeng1，2，Feng Linyao2

(1.Chongqing Geomatics Center，Chongqing 401121，China； 2.Chongqing Zhixing Geographic Information Consulting Services Ltd，Chongqing 401121，China)

Water pollution cannot be effectively controlled because urban planning and construction have insufficient consideration of constraints on urban water environment. In order to simulate and make policy for Healthy Aqua-ecosystem comprehensively and quickly，this paper take Liangjiang area as its research region，a decision support system is developed for the Healthy Aqua-ecosystem of Liangjiang on Geographic Information System，to integrate and manage massive date of water system. Rounding the process of natural circulation and social cycle，it integrates hydrological response model and water environment model and assessment model for health degree. This paper research water environment evolution tendency under different background of cities，and it can provide decision support for the construction of Healthy Aqua-ecosystem of Liangjiang.

Liang Jiang New Area；water environment；healthy river；decision support system

1672-8262(2017)01-16-07

P208.2

A

2016—10—28 作者简介：邓仕虎(1981—)，男，博士研究生，高级工程师，主要从事地理信息服务与应用研究。 基金项目：国家自然科学基金项目(41401436)；对地观测技术国家测绘地理信息局重点实验室开放基金(K201510)