水资源调度通用软件在石羊河流域的应用

何玉江 ，王 超 ，丁公博 ，宋培兵 ，徐 意，胡 鑫

（1.甘肃省石羊河流域水资源局，733000，武威；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京；3.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，100083，北京；4.浙江大学建筑工程学院，310058，杭州；5.华中科技大学水电与数字化工程学院，430074，武汉）

流域水资源调度是落实水量分配方案、实现用水总量控制目标的重要抓手。现有的水资源调度手段多依赖于工程人员的经验，缺乏科学指导和统筹全局的考虑，水资源调度水平较低，亟须建设流域、区域水资源调度系统，提升水资源调度水平，真正把水量分配方案落到实处。

水资源调度系统的建设与应用一直是水资源优化管理领域的热点问题和难点问题，国内外学者在该领域开展了大量研究工作，针对流域实际工程应用需求，构建了大量水资源优化调度决策支持系统，如通用型流域系统模拟软件Riverware、水资源规划管理软件MIKE Basin、流域综合管理软件Waterware、水资源评价以及规划管理的模拟软件IQQM、乔治亚理工水资源管理决策支持系统GTDSS、梯级电站水电沙一体化调度系统、红水河梯级水库群调度决策支持系统、金沙江下游梯级水电站精细化调度与决策支持系统等。目前，已有的水资源调度系统中的通用软件缺乏必要的二次开发功能，虽然可以满足流域水资源规划配置的需求，但难以满足实际生产调度需求；而针对实际生产调度需求的水资源调度软件，其可移植性较差，在另一流域应用时需对软件进行较大改动。

为支撑江河流域水量调度决策支持系统开发，国家水资源监控能力建设项目办公室组织开发了水资源调度通用软件，在分析全国水资源调度业务、应急管理业务通用共性需求的基础上，应用先进水资源调度技术、水资源应急管理技术、信息化技术，设计开发了一套全国通用的水资源调度软件。其提供的模型管理系统可满足不同区域差异化建模需求，其提供的应用系统二次开发接口可满足不同区域业务流程差异化组装需求。因此，考虑在水资源调度通用软件的基础上，充分结合石羊河流域的需求，建设开发一套石羊河流域的水资源调度系统。

一、系统设计

1.水资源调度通用软件简介

水资源调度通用软件是中国水利水电科学研究院自主研发的支撑水资源常规、应急调度业务的软件。2018年1月10日，水资源调度通用软件V1.0版本由国家水资源监控能力建设项目办公室以《关于下发国家水资源监控能力建设项目（2016—2018年）三级通用等相关软件的通知》（水资源办〔2018〕1号）正式发布，提供给七大流域管理机构以及32个省级水行政单位，用于建设流域水资源调度系统。水资源调度通用软件的系统总体架构见图1。

水资源调度通用软件的核心包含：应用系统、模型管理系统、模型计算服务软件、数据库。

2.石羊河流域水资源调度系统设计

充分考虑石羊河流域水资源调度的实际需求，结合水资源调度通用软件所提供的默认功能，考虑应用水资源调度通用软件的模型管理系统、模型计算服务软件和数据库来构建满足石羊河流域水资源调度的数据库和模型。石羊河流域水资源调度的业务功能不仅包括水资源常规调度内容，还包括基础信息的管理和实时水雨情查询的功能；此外，还需考虑扩充地下水模拟功能。因此，考虑在应用系统提供组件的基础上，进行应用系统的二次开发。石羊河流域水资源调度系统设计思路如下：

图1 水资源调度通用软件系统总体架构

图2 石羊河流域水资源调度软件业务应用层和应用支撑层架构

整体采用水资源调度通用软件的系统架构，在此基础上，在应用支撑层面，为满足石羊河流域地下水模拟的需求，将地下水模拟模型Mode-Flow集成到水资源调度模型云平台；在业务应用层面，采用符合SOA体系架构的设计思想及当前业界主流的J2EE技术路线，开发满足石羊河流域水资源调度需求的业务应用层，如图2所示。

（1）石羊河流域水资源调度系统定制

根据水资源调度通用软件的定制流程，石羊河流域水资源调度通用软件的定制过程如图3所示。

定制流程中，最重要的一个环节就是根据石羊河流域水资源调度的实际需求，运用模型管理系统构建满足石羊河流域水资源调度需求的模型。

在水资源通用调度软件模型管理系统中，采用点—线—面结合的方式，对石羊河流域水资源调度进行概化。其中，石羊河流域“点”要素包括9座水库、1个重要断面（蔡旗断面）、16个地下水水源（模型中概化为边界条件）、2个外调水源 （模型中概化为边界条件）；“线”要素包括17条天然渠道、10条供水管道、16条退水渠道；“面”要素包括16个灌区 （用水单元）、7个行政分区（用水单元），构建水库—河道—用水单元的石羊河流域水资源概化图，模型管理系统的模型组成及其构成要素如表1所示。

（2）石羊河流域水资源调度系统的业务应用层设计

按照石羊河流域水资源调度决策支持系统的总体建设要求，在遵循“统一技术标准、统一运行环境、统一安全保障、统一数据中心和统一门户”原则的基础上，采用符合SOA体系架构的设计思想及当前业界主流的J2EE技术路线，可以满足跨硬件平台、跨操作系统的要求。

图3 水资源调度通用软件的一般定制流程

表1 石羊河流域模型管理系统模型组成

在技术体系中采用Web Service、AJAX、EXTJS、FLEX 及持久层框架等核心技术，保证技术先进性的同时兼顾了技术的实用性。同时，采用组件式开发技术，使彼此独立的业务组件通过 Web Service、XML、JSON 等耦合的通信方式组织在一起形成完整的业务系统。采用数据访问对象（Data Access Object）来实现对数据库的存取，采用异步任务来处理长时间请求，采用O.R MAPPING技术保证公共数据库的可扩展性，采用JSON、XML、Web Service作为数据发布标准，采用元数据、数据映射、XML数据库等技术实现数据处理。

（3）地下水模拟模型集成

考虑到ModeFlow可提供EXE版本的执行程序，且可以文件形式交互，水资源调度模型平台与ModeFlow以文件为接口进行集成，具体集成方式如图4所示。

二、石羊河流域水资源调度系统实例

1.石羊河流域简介

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，流域全长250 km，覆盖范围涉及3个市（金昌市、武威市、张掖市）7个县区（金川区、永昌县；凉州区、民勤县、古浪县、天祝藏族自治县；肃南裕固族自治县），总面积4.16万km2，占甘肃省内陆河流域总面积的15.4%。全流域建成100万m3以上水库15座，其中以大景峡、黄羊河、南营、西马湖、红崖山及金川峡等水库较大。从水源角度来讲，石羊河流域水资源调度涉及地表水、地下水、外调水和回用水等多种水源；从用水角度来讲，石羊河流域水资源调度涉及生活用水、工业用水、农业用水和生态用水等；从供水规则上讲，石羊河流域水资源调度优先使用回用水、地表水和外调水，最后使用地下水。

2.石羊河流域水资源调度系统功能实现

采用上述系统框架思路，开发了石羊河流域水资源调度系统。结合石羊河流域管理局工作人员基础信息管理、水资源调度、地下水模拟和实时水雨情等方面的功能需求，系统主要实现的功能模块如下：

①基础信息管理。基础信息管理模块主要用于维护水资源调度提供所涉及用水单元、水利工程、社会经济、用水定额、地下水信息的基础数据。

图4 地下水模拟模型与水资源调度模型云平台集成方式

②水资源调度。水资源调度模块主要用于制作石羊河流域水资源调度计划，具体包括：调度方案管理，即实现水资源调度方案的管理，包括调度方案相关信息列表展示、方案添加、方案修改与删除；来水预报，即运用模型管理系统提供的中长期径流预报方法，对汇水区未来的径流进行预测；需水预测，即运用模型管理系统提供的需水预测定额法预测流域各用水单元的需水量；水资源调度，即运用模型管理系统所提供的供需平衡模拟模型，实现流域水资源的供需平衡，并以图表的形式展现水量平衡结果。

③地下水模拟。通过配置地下水初始水位、分区灌溉补给、分区降水过程、河道补给、地下水开采、蒸发过程、泉水过程、水量平衡过程、边界补给等模型参数，实现石羊河流域地下水模拟，并以GIS的方式呈现地下水模拟结果。

④实时水雨情。基于WEBGIS地图展示显示流域内降雨分布信息及流域内河道站、水库站水情信息。

三、结 论

为实现石羊河流域水资源的科学调度与决策，在水资源调度通用软件的基础上，建设了满足石羊河流域需求的石羊河流域水资源调度系统。系统运行效果表明，所构建的水资源调度系统能够满足石羊河流域水资源调度的日常业务需求；另一方面，石羊河流域水资源调度系统的成功建设也表明水资源调度通用软件通过定制和二次开发，能够快速、高效构建出满足不同流域水资源调度需求的水资源调度系统。目前，石羊河流域地下水模拟模型和水资源调度模型在本系统中为分开计算，尚未紧密耦合，一定程度上影响了流域水资源调度方案编制准确度，在今后系统建设中，需要考虑二者的耦合模拟。 ■