太子河流域环境流量保障管理系统平台构建及示范应用

周宇航

(辽宁省观音阁水库管理局有限责任公司，辽宁 本溪 110003)

环境流量是保护河流生态环境的最小流量。目前国内外对环境流量的研究和实践较多[1-2]，但将环境流量并入水资源管理系统运行还属空白。太子河是浑河的一级支流，全长412.9km，年径流量33.3亿m3，流域面积13883km2。太子河上的水利工程发挥着蓄丰补枯调节径流的基本功能，保障了流域多年的经济良性发展。但从水生态系统角度，始终存在着环境流量保障率偏低的问题，而且由于各河段的资源禀赋、用水、调控特征的不同，其环境流量保障的程度也各有差异，进一步提高环境流量保障的难度也各不相同。

结合实际构建了太子河环境流量保障管理信息化平台，从环境流量、预警及管理服务等方面进行了填补。根据环境流量监测数据和评价标准，提出了区域供用水环境流量动态模拟方案，该平台的三维显示，展示了动态演变过程，能够更好地对水环境流量进行三维可视化模拟。

1 系统总体架构

1.1 系统技术架构

结合对该系统平台的实际需求，采用同类或类似系统的开发信息化技术与经验，构建太子河流域环境流量保障管理信息化平台，该平台是基于面向服务的体系架构，所有的业务应用都以组件的方式被实现，通过Web服务的方式对外提供服务，并且可通过服务组合的方式搭建具体的层次体系，实现太子河流域环境流量保障管理信息化集成应用。系统技术构架见图1。

图1 系统技术构架示意图

1.2 系统平台需求架构

环境流量保障管理信息化平台架构分为虚拟化层、管理层、接口层。虚拟化层是该系统平台的最底层，该层围绕着太子河环境流量天然数据、历史数据及实时数据，根据设定的水质水量参数、环境流量标准等，对数据进行资源分配、优化计算，确定合理方案，生成图表、数据存储等内容操作。通过接口层，实现管理层与虚拟化层之间的信息传输，将系统中流域环境特征、环境流量标准、环境流量保障方案、环境流量数据等信息自动传递给管理层，并以系统平台界面对内容进行展示。

1.3 系统设计

该系统平台主要由5个子系统构成，将历年长系列数据、还原后天然数据及实时监测数据分别并入相应的子系统，经过数据库的入库与整理，进行存储保存，需要数据时通过内容渲染子系统对数据进行分类，最后通过管理方案输出子系统，按照管理者需要进行获取，见图2。

图2 系统设计构成

1.4 系统技术与功能要求

系统采用基于3D图形引擎显示的渲染技术[3-4]，该技术具有很好的稳定性和可靠性。设计了基于GPU(Graphics Processing Unit)的三维图形图像实时绘制功能，充分利用GPU的运算单元实现了高清晰度输出的实时帧速率。在关键数据帧单元的设计中，采用了单独的存储结构，一方面在数据组织存储、图像处理、显卡输出等方面进行了特殊的优化，另一方面减少了线程和总线之间的数据交互，避免了磁盘控制器甚至主板级数据拥塞的风险，具有很好的安全性。

交互平台涉及的各种场景对显示信息和定位都有特定的要求。通过基于Directx的3D场景实时显示，可以实现场景所需的各种3D模型的制作、导入和显示，并支持第三方的模型和动画，对于场景的创建非常便利，能够快速精准定位各类信息和场景，保障各类信息需求的获取。

该系统平台在调度方案选择中涉及的参数、权重及方法是调度方案的关键。针对太子河流域环境流量管理的特点，在调度方案合理化的过程中，提出了一套较为合理的环境流量管理方案评价方法体系，包括参数体系的构建、参数的选取、环境流量管理方案的参数选择、协商权、组合评价权和方案决策权等。在参数筛选技术中，采用以主成分分析法为主的现代多元统计方法，在保持原有空间参数特征的基础上，对指标进行定量筛选，实现参数空间从高维到低维的映射，筛选参数所表达的信息更清晰，有利于后续计算；在权重技术上，采用了主客观权重优势相结合的组合赋权方法、物元概念和半结构化多目标模糊优化理论将其引入环境流量管理方案的优化过程中，提出了一种基于物元概念的多维递阶评价方法，采用多维物元层次评价的多层次、多目标、多群体决策方法进行评价水质水量联合运行方案。

2 系统功能与模块

2.1 系统功能分析

功能分析是在当前的业务分析上开展的，基于太子河流域管理系统的业务需求方向进行不同模块的内容划分，功能需求主要包括6个方面，它们之间相互独立，同时又相互联系。功能子需求主要包括环境流量基础信息管理、环境流量的计算、环境流量方案的生成、实时流量信息的获取、预警及保障方案的生成和成果三维化的展示。这些功能子需求构建在一个统一的软件平台上，每一功能子需求都需要在上一个基础上依次进行实现，见图3。

图3 功能子需求示意图

2.2 系统模块分析

系统模块分析是在系统功能分析的基础上开展的，基于太子河流域管理系统的业务需求方向进行不同系统模块划分。系统功能子模块也包括6个方面，他们之间相互独立，同时又相互联系。系统子模块主要包括环境流量方案生成模块、环境流量计算模块、基础信息处理模块、监控断面实时流量获取模块、预警及保障方案生成模块、三维可视化引擎模块，每一系统子模块都需要在上一个基础上进行实现，见图4。

图4 系统模块示意图

3 系统平台展示与应用

3.1 系统整体功能界面

系统界面在Windows 7上运行，由多个下拉菜单、工具栏、信息提示区、系统显示区、系统配置列表、参数列表、数据显示标签、主显示操作渲染窗口和多功能界面组成，见图5。该系统平台包括了数据库存储的所有数据信息、大量Mike数据以外的数据信息及历史数据信息，这些信息将被系统间接使用，作为数值计算的基础，如重点河道径流系列数据、水库进出水量系列数据、供需调节范围信息、区域地理位置信息等。用户可以通过配置项查看和修改配置数据。

图5 系统主界面示意图

3.2 环境流量保障方案功能

环境流量保障方案主要分为总体模型配置、参数配置、方案计算和方案展示4个部分。总体模型配置主要包括方案计算模型的框架。在总体模型配置中，主要针对输入配置和输出配置，用于修改系统中与Mike项目相关的节点。输入关联后，针对关联参数的数值，可以在可调整的范围内进行界定，以供在实时流量不满足时，进行迭代计算。确定关联参数和方案逼近方式后，进行方案计算，最终获得最优的环境流量值。结果展示见图6。

图6 计算结果方案展示

3.3 环境流量监测与预警功能

通过环境流量的监测，主要获得当前各环境流量分区的实时流量数据，见图7。在3D渲染窗口中显示实时数据，如果与阈值不匹配，则进行报警处理。同时，在弹出的对话框中，还会显示当前子流域划分的实时数据和历史数据，用户可以根据需求对不同的时间段进行信息查询。

图7 控制断面环境流量监测与分析界面

3.4 示范及效果评价

3.4.1 示范应用分析

2016年7月1日—12月31日开展了太子河观音阁水库以下至唐马寨区段的平台业务化运行示范，系统以旬为单位自动生成了18份业务化运行报告。示范河段内包括本溪断面和唐马寨断面两个水文站断面，示范期内断面流量基本满足环境流量管理方案要求。水文站实测流量与环境流量管理方案对比情况见表1。

表1 实测流量与环境流量管理方案月均流量满足情况 单位：m3/s

由表1可知，2016年示范期内本溪断面在7—8月无法满足流量要求。通过对本溪站1961—2016年56年水文系列进行分析，2016年为偏枯年，在执行环境流量保障管理方案的情况下，对观音阁和葠窝水库下泄流量进行优化。反映观音阁下泄流量的本溪断面，由于观音阁水库优先保障生活供水的原因，在7月、8月不满足环境流量要求，不满足程度分别为16%、33%；反映葠窝水库下泄流量的唐马寨断面，由于葠窝水库主要供水任务为农业灌溉，在统筹农业用水与生态水量的情况下，基本满足环境流量方案要求。

3.4.2 系统应用效果

该平台实际运行效果显示，各项目功能稳定，能够提供不同断面流量预定的环境流量，结合实时获得的不同断面流量数据信息，除个别月份无法满足环境流量要求外，其他月份均满足，从而证实了该系统能够根据实测流量较好地优化制定出水库调蓄及下泄方案，获得本溪、唐马寨两个断面最优流量，使其基本满足断面环境流量要求，基本实现了地表水资源规划、分配和管理以及环境流量管理的日常化运行。

4 结 语

本研究构建的太子河流域环境流量保障管理信息化平台，主要实现了环境流量标准制定、环境流量保障方案生成、环境流量监测、预警查询等功能。通过实证应用，能够制定出最优的环境流量保障方案，应用效果显著。为了使该平台发挥最大功能，需要掌握更多重要水利工程、主要控制断面的环境流量下泄方案，才能有效保障河道环境流量的满足。