面向瓦尔河流域的水资源规划决策系统应用

顾博维尔•菲利普，马 强，杜明轩，札娃特洛•艾洛迪，盖太诺•马克，李郑淼

（尼斯大学波利斯实验室，法国 尼斯 06903）

1 研究背景

随着城市化的发展，新时期的水资源规划方案应满足越来越复杂及多样化的社会需求。在大型现代化城市中，城市居民期望与市政管理的矛盾愈发凸显。城市居民期望可以享受更加丰富的市政服务资源，但市政管理却要求减少不必要的投资以缓解财政、税收的压力。城市资源的最优化管理表现在多种方面，通常需要大量的监测数据支持决策的制定。在过去 30 a 间，水信息技术尤其是水文学、水力学和模型技术的综合应用逐渐被视为分析，预测地区水资源当前状况及其未来发展变化的主要工具。如今利用水信息模型工具结合实时监测技术建立的综合信息系统（Information System，IS）成为了制定城市环境规划及市政资源整合方案的主要科学依据。高效的决策支持系统（Decision Support System，DSS）应该具备满足社会的多样性需求和支持城市的可持续发展的能力，并对城市中急需解决的问题，例如对能源和水资源分配、垃圾废物收集及交通系统优化等进行综合考虑。为了制定更有效的规划方案，传统的水文学、水力学和模型系统工作框架流程也应被重新定义，以便高效地处理更加庞大的实时监测数据。

2 决策支持系统

决策支持系统通常被定义为一种用于支持商业组织决策制定的计算机化信息系统。在市政规划过程中，决策制定者们在分析现有信息数据过程中通常会面临多种多样的问题，例如：所收集的信息之间关联性较弱无法进行相关性分析，数据格式和来源不统一导致不便于进行高效整合，以及针对于突发性状况，现有的预备方案无法有效实施等[1–2]。因此，针对规划与决策制定过程中的重重阻碍，决策者们急需一个高效的决策支持系统平台对日趋复杂化的信息数据进行综合分析以便制定相关政策。尤其在对于水资源的综合规划方面，日益复杂化的城市水资源环境（居民饮水、商业用水等）和突发状况（洪水、干旱等）的频发使得传统的决策分析方法和工作流程已经无法适应新的需求。因此，笔者提出一种新型的多平台分级式决策支持系统构架，如图 1 所示，以满足现今水资源规划的需求。这种分级式决策支持系统由不同层级的仪表信息平台组成。最外层的平台被设计为数据与结果展示平台开放给不同等级系统用户，其主要职责为收集、展示实时数据（实时水位、流量等）和分析结果。而深一级的平台则面向不同层面的决策制定者和相关专家，其主要功效为应用多种模型模拟结果预测未来发展情况以便决策者和专家进行分析和决策制定。相对于过去的决策方式与流程，应用这种多平台分级式系统可以使更多普通民众和相关工作者通过平台更好地进行信息的实时交互。

图 1 多层分级式决策支持系统

通过这种多平台分级式系统，大量的实时数据将被按照不同的数据特性进行重新分类并分级展示、处理，如图 2 所示。经过分析处理的数据将作为关键绩效指标（Key Performance Indicators，KPIs）及时更新整个预警与监测系统的既定标准。整个系统采用仪表化的界面更方便实际状况的可视化展示。水信息技术的应用也将作为系统的核心部分之一对数据进行综合分析。应用于系统中的水信息模型可以是传统的水文统计学模型也可以是由更复杂确定性分布式模型组成。即使一系列技术上的困难仍然制约着这种规划模式的实施（数据缺失，计算机硬件制约等），这种资源规划系统的概念与工作框架结构已经被管理者普遍接受并被视为一种通用的解决方案应用于城市水问题的管理[2]。本文回顾并分析不同地区的应用案列，总结归纳了一种通用的工作流程为今后类似工作提供有效参考。

图 2 多平台的概念的实施

对于水资源进行实时的监控管理，国际大型水利机构和公司例如法国苏伊士和威立雅水务公司已经展开了定制类似服务的业务。在城市水务管理上与 IBM，CISCO，施耐德电气等 IT 供应商合作的基础上建立综合监测系统将实时的用水量、管道渗漏和水质监测数据等及时反馈给相关技术人员和决策者，在欧洲、亚洲和美洲都取得了巨大成功。尤其令人印象深刻的是在马耳他全国范围内覆盖由苏伊士和 IBM 推出的自动仪表读取器（Automated Meters Reader，AMR），对水资源利用进行实时监控[3]。

不单是在城市水资源规划中，决策支持系统在其他领域（包括水文、大气科学等）也有着广泛的应用[4–7]。例如在洪水风险管理中对数据的分析，传输及可视化管理[8–9]。

在全球范围内，如何有效地在各种情况下减少居民的生命与财产损失是决策制定者制定相关规划方案时的主要考虑方面[10]。在洪水灾害中，减少灾害造成损失的关键在于在灾害发生前和发生中获得充足的准备时间，建立有效的预警、信息交互系统和及时实施[11]。经研究表明，现今广泛应用的规划、应急系统在对于突发性灾害的处理上存在不足之处[12–13]。而且 2011 年 Frick 和 Hegg 在对于如何更加有效地向公众展示模型预测结果进行了研究，其结果表明当前的决策规划者们需要研发一种更加综合直观的方式满足公众对于其决策信息的获取[14]。

2.1 数据仪表化

随着传感技术的快速发展及其在通信网络中的集成应用（例如：6LowPAN，IPv4/IPv6，RPL），统一标准的共享方式例如 IoT 之类的通用标准协议，使更多的数据可以更加简便地应用于数据管理系统（例如：MQTT，CoAP，AMQP，Websocket，Node）。当然，这些数据也可用于基于不同目的的城市资源实时监控管理。

仪表板作为一种被广泛应用的数据展示工具，可以帮助用户在大量、复杂和快速变化的数据流中更好地解读数据的特征，结构及变化趋势。在城市规划中应用仪表板作为主要的数据展示工具，可以使公共用户及时高效地了解任何时间、地点发生的实际情况并依据该数据采取相关行动。

实时检测技术的发展使得可收集的数据大量增加。目前，政府机构部门和企业公司对数据的采集、传输、分析、储存和展示越来越重视[15]。在此基础上，基于网络的仪表化展示方式使得决策制定者和一般民众都可以更好地进行信息交互[16]。当城市仪表化不再局限于物理学概念，而被广泛应用于计算机及移动设备中，无论是专业技术人员还是一般居民都可以更加方便快捷地获取信息。因此虚拟化的仪表盘可以使得复杂的城市状况简单可视化[17]。当然，与此同时，数据仪表化也不可避免地存在着对于重要信息的省略与混淆等潜在问题。

2.2 模型与预报

除了对监测数据进行直接处理外，水信息技术尤其是模型模拟技术已经被广泛应用于对当前境况的分析和未来发展的预测。为了对决策制定提供更好地数据理论支持，水信息模型应当在决策支持系统中扮演重要的角色，如图 3[18]所示 。

图 3 城市监测与规划平台设计（IBM）

3 瓦尔河流域应用实例——AQUAVAR 项目

尼斯作为法国第五大城市坐落于地中海沿岸的瓦尔河下游流域出口处。因城市发展的需要，瓦尔河下游河谷地区近 20 km 的自然河流泄洪区被规划作为了预备城市用地。但是由于地区具有复杂的水文地质特性，当地部门决定建立一个可以综合分析各种水文地质状况的决策支持系统来处理城市化带来的相关问题，例如：地下水供水、洪水风险，以及水资源的综合管理等问题。因此，在过去的 15 a间，当地政府开始有目的的收集瓦尔河地区的气候、水文和地质数据。直至 2014 年，AquaVar 项目的立项致力于开发本流域第 1 个面向解决多种问题的决策支持系统以应对当地水资源综合管理和紧急情况预警响应等一系列问题。

3.1 流域特征

瓦尔河流域作为法国地中海沿岸最大的自然流域拥有约 2 800 km2的流域面积。其地表高程变化明显，河流出口直接连接地中海，而最高处海拔高出海平面近 3 000 m。由于如此明显的高程变化使得上中游地表坡度十分陡峭，流域对高强度降水的响应十分迅速。流域的主要气候特征是典型的地中海气候即夏季炎热干旱冬季湿润多雨，年平均降水约 815 mm。地表径流由多种水文过程（降雨、融雪、地表地下水交换）共同作用影响产生。本地区汛期主要出现在春、冬两季。春汛主要由山区融雪形成，而冬汛主要来源于极端事件的高强度降水。瓦尔河河流年平均流量约 50 m3/s，但在极端洪水灾害中其河流流量可在短时间内增至 3 750 m3/s（1994 年洪水观测数据）。

在流域下游近 20 km 长的河谷冲积含水层中有丰富地下水资源，是当地地区居民生产、生活主要的用水来源。此地区的公共泵站所观测的数据显示，每年近 50 万m3的地下水被抽取用于工业生产[19]、农业灌溉及居民饮用水。但更应该强调的是由于很多私人泵站取水数据的缺失，其总取水量将远远高于现有观测数据。之前研究表明，由于本地区特殊的地质条件，地下水与地表水的交换十分频繁[20]，因此出台一种可持续的综合规划方案用于保护地下水资源及应对突然事件（洪水、污染等）刻不容缓。

3.2 挑战与期望

自 19 世纪初，人类活动已经开始影响瓦尔河河谷的地形地貌。由于城市化的发展，越来越多的自然河道被人为侵占。经过人造堤坝对河流形态的重塑，河床的宽度已从之前的 600～1 500 m 缩小为150～280 m 左右。从而导致了水流流速的增加进而加剧河流对两岸及河床的侵蚀。

1967 年，当地监测发现由于人为活动和自热侵蚀的影响，地下水水位比之前同期下降近 8 m 左右。因此自 1971—1986 年之间，有 11 个人工围堰被建造于瓦尔河下游地区以便减少河床侵蚀进而保护地下水水位，如图 4 所示。

图 4 瓦尔河河谷地理示意图

另外，由于河谷地下水资源为城市居民饮用水提供主要供给，工业渗漏和农业污染对当饮用水资源形成了巨大的安全隐患。当地水文地质工作者针对瓦尔河流域内的地下水流向及与地表水交换量进行了一系列研究。Gugliemi 对本地区不同时期的岩层水力学传导系数进行详细测量分析，利用地下水位等高线法绘制了山谷不同部分地下、地表水交换方向[21]。利用同样的方法，Gugliemi 与 Mudry[19]，Emily[20]等对不同水文时期的地下水流量进行了简单估算。而 Potot 等利用微量元素水文追踪法证明了冲积层与岩层之间存在频繁的水量交换[22]。以上研究开阔了人们对当地水文地质特征的认知，但是由于缺乏系统性和连续性分析，其研究结果很难直接应用于制定当地水资源规划方案。市政规划的决策者们希望建立一个包含基于物理确定性水文模型的决策支持系统用于对区域水文复杂的过程进行综合分析以便制定相应的决策对区域水资源进行综合管理。

由于尼斯拥有全法国第二大的国际机场，因此发生在瓦尔河下游地区的洪水灾害对交通枢纽的影响易导致巨大的经济损失。虽然流域下游河道堤防的防洪标准已经达至可抵御 75 年一遇洪灾，由于人为活动的影响，河流自然形态发生了巨大的变化，在一些特殊区域，人工岸堤无法按预期对洪涝灾害进行有效抵御。针对以上问题，需要更加详细的规划方案来提高对灾害的应对等级。目前下游地区仅有的 3 个测量站点无法提供有效的数据支持，因此需要建立更加详细具体的水力学模型对现有情况和未来发展进行模拟分析预测。

3.3 模型实施构架

针对瓦尔河河谷地区，当地政府期望建立一个利用水信息技术对地下水资源和洪水灾害进行实时管理预测的综合规划方案。相应的模型将被整合于信息系统框架内并与各种市政服务系统相连接，对各种状况进行迅速响应。所有的数据、模拟分析结果和相关参数将被分级展示，以便决策者与当地居民更好地进行信息交互。

如何选择和构建适合的模型系统是整个项目中的关键。经过综合对比各种模型系统的优劣，在AquaVar 项目中以下 3 种基于物理学的确定性模型将分别针对水文、地表水和地下水进行模拟分析（如图 5 所示）：

1）DHI 开发的 FEFLOW 模型用于针对地下水，以及地下水与地表水的交换进行模拟。

2）DHI 开发的 MIKE 21FM 模型和由法国 EDF开发的 Telemac 2D 模型将与 FEFLOW 模型进行耦合以便得到更加详尽的地下地表水交换模拟过程，此外，该模型也用于针对洪水灾害的模拟。

3）DHI 开发的 MIKE SHE 模型将用于对整个流域的水文过程进行分析并为下游流域的 MIKE 21FM和 FEFLOW 模型提供边界条件。

图 5 AquaVar 水信息模型模型建模设计

针对瓦尔河下游建立的 FEFLOW 模型对区域地下水进行为期 1 266 d（2009-09—2013-02）的三维模拟。在模拟期内包含 2 个重要水文事件：2011 年11 月发生的洪水事件和 2012 年 7 月发生的干旱事件。其洪水和干旱的重现期约为 10 年一遇（Gumbel法分析）和 20 年一遇（Galton 法分析）。根据实测结果进行模型率定，其模拟结果与已知实测数据基本吻合，如图 6 所示。因此该模型具备综合分析瓦尔河下游地下地表水交换的能力，可以被内嵌至相应管理平台系统以用作地下水分析管理的主要工具。

类似的模型战略也被应用于 MIKE 21FM 模型对地表水动力的模拟中。为了获得更加高效且详尽的模拟结果，模型针对不同的地形分辨率（5，10，15，20 和 25 m）分别进行离散化三角形和矩形网格建模并选择 2015 年 10 月洪水事件进行率定。经分析表明 10 m 分辨率的三角形网格模拟结果可以提供较为准确的模拟结果，如图 7 所示。

而对于整个流域水文过程进行模拟的 MIKE SHE 模型，经过对 4 a（2011—2014 年）水文状况的连续模拟率定，其模型结果已被验证可用作 MIKE 21FM 和 FEFLOW 模型的边界条件。因此 3 个独立模型将被整合成为一个统一的模型模拟运行平台，进而对整个流域的水文状况进行综合分析，并对相关决策制定提供数据支持 ，如图 8 所示。

图 6 FEFLOW 模型模拟结果与实测对比

图 7 MIKE 21FM 模拟结果

图 8 AquaVar 模型与决策支持系统构架图

为了更好地确保平台的有效使用，其模拟结果将进行分级分平台展示。不同平台按等级开放给不同用户，如图 9 所示。例如，在针对专家开放的信息平台上，详尽地模拟、分析数据的可视化展示使得相关专家可以对整个分析过程有更加深入的了解以便进行决策制定和定期系统优化更新。而在面对民众开放的平台中，更加简单的仪表化展示系统可以使普通用户也能实时地了解当地水资源状态。

图 9 AquaVar 模型与决策支持系统构架图

4 结语

AquaVar 项目中所提出的基于水信息应用技术的分级式决策支持系统设计方案可以作为今后其他地区开发辅助制定规划方案的通用系统设计模板以应对复杂城市环境中的水资源综合管理需求。对确定性模型的有效利用可以对流域内多种水文、水力学过程进行详细分析模拟，进而辅助制定高效的规划措施。整个决策支持系统呈分级式多平台仪表化，便于决策制定者与当地居民及相关专家进行信息交互。

目前，AquaVar 决策支持系统已经实际应用于对瓦尔河流域的日常水资源管理规划。当然，决策支持系统的概念不应被限定于只针对某一方面，也可以被广泛应用于其他相关领域。

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