时间：2023-01-14 12:17:15
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇流域管理论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
由于我国独特的自然地理条件和复杂的水文水资源特点，决定了我国的水资源问题比较复杂，虽然各流域经过四、五十年大规模的水利工程建设，取得了巨大成就，但水资源短缺和污染问题，不仅没有得到根本性的解决，还有日益严峻的趋势。为了更有效地解决或缓解所面临的“水少、水脏”问题，需要深入地分析现状下垫面条件下的流域水循环规律和地表水与地下水之间的相互转化关系，通过研究流域水资源实时监控管理的基础理论和技术方法，开发和建设流域水资源实时监控管理系统，以充分利用和挖掘现有水利工程的内部潜力与整体综合优势，确保流域水资源的合理开发和高效利用，有力地支持社会经济的可持续发展。
2系统的构成与技术关键
研制流域水资源实时监控管理系统的主要目的是，以水利信息化促进水利现代化，以水利现代化保障水资源的可持续利用，并以水资源的可持续利用来支撑社会经济的可持续发展。该系统是以水资源实时监测系统为基础，以现代通信和计算机网络系统为手段，以水资源优化调度和地表水、地下水、污水处理回用、海水（微咸水）及外调水的联合高效利用为核心，追求节水、防污、提高水资源利用效率和最终实现水资源的可持续利用为目标，通过水资源信息的实时采集、传输、模型分析，及时提供水资源决策方案，并快速给出方案实施情况的后评估结果等，以确保实现水资源的统一、动态和科学管理，做到防洪与兴利、地表水与地下水、当地水与外调水、水质与水量、优质水与劣质水之间联合调度与管理，确保水资源与社会经济、生态环境之间的协调发展，以支撑社会经济的可持续发展。
流域水资源实时监控管理系统是一种动态的交互式计算机辅助决策系统，由水资源实时监测、实时评价、实时预报、实时管理、实时调度、决策会商、控制和后评估子系统所组成，是基于可持续发展的思想，根据现代水文水资源科学的有关理论，利用当代先进的系统分析、人工智能、计算机、多媒体及网络等技术，通过有关专业模型计算、分析和知识推理、判断等，为决策者提供流域水资源实时管理、调度方案，并允许决策者或专家根据自己的智慧、知识、经验、偏好和决策风格等进行定性分析与判断，直接干预方案生成及评价整个决策过程。
根据流域水文水资源特点和供用水特征，基于目前流域所面临的水资源短缺和水环境恶化问题，研究和开发流域水资源实时监控管理系统。该系统的技术关键主要包括：
（1）水资源监测网的调整和完善，河流纳污能力及其环境容量，水库或水库群运行规则、技术参数的校核与调整，洪水资源调控、污水处理回用与地下水人工回灌，污水总量控制与生态环境需水量，防洪与兴利统一调度，地表水与地下水资源联合运用管理等研究，以及水资源实时调度管理方案付诸实施后效益与风险分析、系统的标准化等。
（2）该系统由庞大而复杂的基础数据库、模型数据库、结果数据库、专业模型库和知识库等组成。其特点是系统规模庞大、处理的数据信息量大，模型运算复杂以及数据传输接口多，如何实现信息存储、加工、传输的专业化管理，是一个技术难点。流域的水价政策及水权分配问题，也是影响流域水资源合理开发和高效利用以及实时、统一管理的关键。
（3）如何建立和完善与现代水资源管理要求相适应的组织机构和高效、精干的执法队伍，以及如何制定科学的流域水资源管理规章制度、有关政策和法规条例等，以保障流域水资源实时管理、调度方案的付诸实施，指导流域水资源开发利用和保护。
3系统的主要功能
流域水资源实时监控管理系统的主要功能包括：水资源（及水质）的实时监测、评价、预报和决策支持（实时预报、管理及调度）以及控制、后评估等（如图1）。
图1流域水资源实时监控管理系统的功能框图
3.1水资源实时监测
水资源实时监测内容主要包括水情、水质、旱情以及其他信息等。在现有监测站网的基础上，建立和完善统一的水资源（包括大气降水、地表水、土壤水与地下水）动态监测（站点）网或监测系统（包括雨量、蒸发、径流、水位、水质、水温、墒情等监测站点），以及各取水口取水量、开采机井抽水量等监测网，各监测网或系统之间互通有无、资料共享，为水资源的合理开发、高效利用和有效保护及时快速、准确地提供完备的实时监测数据资料。
（1）雨量观测。目前采用的雨量观测手段主要是普通自记和人工观测，为了达到实时监测的目的，需要适时更新现有的观测设备，装配翻斗式雨量计并配备固态存储器等，使雨量观测工作方式更新为无人值守，有人看护的观测方式，实现雨量信息的自动采集及传递。
（2）水位观测。水位观测分为地表水和地下水两种，地表水多指河流水位和水库水位等，而地下水就单指地下水位。
①对于基本水尺在桥梁上（或附近有公路桥）的水位观测，特别是含沙量较大的站，建议采用气介质超声波水位计，再采用有线或无线方式将水位信息传输到站房。
②对于山区性河流，或断面稳定，含沙量较小的水位观测，采用测井式水位观测，装配浮子式或压力式水位计，通过有线或无线方式将水位信息传输到站房。
③水库站一般有自记井，只对其重新装配浮子式或压力式水位计，通过有线或无线方式将水位信息传输到站房
④地下水位监测目前主要分为手工测绳和自动监测仪两种。自动监测仪主要通过固态存储、电话网传输、手机网传输和电台传输等方式将实时监测到的数据传输到中心站。
总之，水位监测，建议均装配与雨量结合的水位雨量固态存储器，装配具有记录、传输、存储、分析等功能的自动监测系统，最终实现水位遥测自记，自动测报等功能。
（3）流量测验：在各中心站配备不同形式的桥测车及先进的仪器设备，开展桥测及周围地区的巡测；缆道及船测站，对现有设施设备进行更新改造，实现水文缆道程控自动化，配备机船，配备先进的测验仪器设备，全面提高流量测验的精度，充分满足防汛、抗旱和水资源统一调配的需要。对水库站现有的水文缆道进行维修、改造，实现水文缆道的程控自动化，保证流量测验的精度要求。
（4）取水口及灌区流量观测：对水库各取水口分明渠和管道两种，水位主要采用超声波自记水位计，流量测验分不同情况，选择适用的测流设备。而灌区的水位观测主要采用超声波自记水位计等，流量采取不定期电波流速仪率定方式，用水位～流量关系线推求径流量。
（5）机井开采量实时观测：地下水开采机井抽水量的观测，目前一般只有一些机井安装了水表，大部分机井均未安装水表。为了能准确取得地下水实际开采量的数据，掌握准确的地下水开采量，需要逐步或有重点地在地下水开采机井上安装水表。
（6）水质实时监测：水质污染具有理化成分复杂、多样和点多面广的特点，不仅受污染源的大小和数量影响，而且还受汛期洪水、降雨的影响。由于多种因素导致的综合结果，水质参数在成分和时空上的变化非常复杂。传统的人工现场水样采集、化验方式周期太长，难以及时、准确地反映水质变化的性质和过程，所以水资源的开发利用和保护等工作得不到有效监控与科学的管理。水质实时监测就是采用水质自动监测仪器、远程传输设备、在线监控和数据处理软件，实现对水质参数的连续采集、分析、存储，并在监测指标超过污染标准时，发出警报，做出污染类型分析等。
（7）墒情实时监测：主要针对大中型灌区的土壤墒情进行实时监测，为适时、适量的节水高效灌溉提供信息支持。并在条件许可的情况下，探讨利用遥感技术实时预报土壤墒情（中小尺度上）的可能性，即利用实时遥感信息，根据大中型灌区土壤墒情的实时监测数据，通过与遥感解译模型进行联接和耦合计算，实时提供整个流域不同灌区的土壤墒情，为流域节水高效农业的健康发展提供可靠的依据。
3.2水资源实时评价
水资源实时评价主要是指在时段初对上一时段的水资源数量、质量及其时空分布特征，以及水资源开发利用状况等进行实时分析和评价，确定水资源及其开发利用形势和存在的问题等。
（1）水资源数量实时评价：根据雨量、河川径流、地下水位等实时监测资料等，通过与历史同期的对比分析，确定和评价水资源数量及丰枯形势等。
（2）水资源质量实时评价：根据实测的河流、水库、引水渠的水质实时观测和地下水质实时监测资料等，通过与历史同期的对比分析，确定地表水和地下水的水质状况及污染态势。其主要评价内容包括：污染程度、范围及主要污染物，水资源质量，重要河流污染负荷及削减量等。
（3）水资源开发利用实时评价：通过对各取水口取水量、开采机井抽水量和地下水位等实时监测资料，对供用水量进行实时评价，通过与历史同期的对比分析，实时分析和评价各种水利工程的供水量、不同行业的实际用水量，供用水结构、节水水平，水资源开发利用程度以及当地水资源进一步开发潜力，并实时圈定地下水的开采潜力区、采补平衡区和超采区等。
3.3水资源实时预报
水资源实时预报主要包括来水预报和需水预报两部分，来水预报又分为水量预报和水质预报。水量预报包括地表水资源量预报和地下水资源量预报，地表水资源量预报既可细分为当地水和外来水（包括引调水）预报，又可分为汛期径流预报和枯季（非汛期）径流预报。需水预报分为工业、农业、生活和生态环境需水量预报。
（1）河川径流量实时预报。根据河川径流的形成机理和产流规律，将河川径流量实时预报分为汛期径流实时预报和枯季径流实时预报两种。汛期产汇流机制主要是超渗产流和蓄满产流、超渗与蓄满综合产流模式：而枯季径流主要是遵循流域的退水规律。因此，汛期径流实时预报模型与枯季径流实时预报模型是不同的，需要分别建立预报模型对汛期径流量和枯季径流量进行实时预报。
（2）地下水资源量实时预报。首先分析地下水的形成规律和补给、径流、排泄条件，以及地下水的赋存规律；然后根据抽水试验等确定含水层的参数分区，并利用试验资料和长观资料确定有关水文地质参数；最后利用均衡法或数学模拟模型法，分析和预报地下水资源量、可开采量及地下水动态分布。
（3）水质实时预报。利用获得的实时水质监测和污染物排放量等信息，通过所建立的水质实时预报模型，实时预报地下水与地表水水质状况、污染物类型、污染范围及污染程度，及时提供水资源污染态势等信息。
（4）需水量实时预报。根据需水量预报要求，本次将需水门类分为生活、工业、农业、生态环境等四个一级类，每个一级类可以再分成若干个二级类和三级类。根据具体情况和需要，还可以再细分为四级类。根据上述分类方法，可比较容易地合并有关各需水项，获得需水量过程。
3.4水资源实时决策支持
水资源实时决策包括水资源实时预报、水资源实时管理和调度，以及决策会商等。
（1）水资源实时预报。对于水资源实时预报，尤其是汛期径流预报和需水预报，由于受到诸多非确定性因素的影响比较大，很难准确预报，因此需要专家的会商支持、吸收和借鉴领域专家的知识和经验，以便较准确地预报和确定未来的来水与需水过程等。
（2）水资源实时管理。利用水资源实时评价和实时预报结果等，通过水资源实时管理模型计算，结合领域专家或决策者等积累的知识、经验和偏好，分水协议、水价政策的经济调节作用等进行综合分析，最后提出水资源的实时管理方案，为水资源的合理开发利用和保护等提供决策依据，为水行政主管部门科学地行使其监督和管理职能提供支持，以确保水资源的可持续利用。
（3）水资源实时优化调度。通过前面制定的年度内水资源管理方案，确定水资源优化调度的规则和依据；根据各时段水资源的丰枯情况和污染态势，通过建立水资源优化调度模型，确定水资源实时调度方案。
（4）水资源决策会商。决策会商是指通过对实时、历史和预报、管理与调度的各类信息进行重组和加工处理，为讨论和分析水资源的丰枯形势和污染态势，以及最终确定水资源实时管理和调度方案提供全面的支持。根据利用水资源实时管理模型和调度模型确定的若干管理、调度方案，以及提供的每一种方案的综合效益分析结果，领导决策层和领域专家，通过全面分析对比和协商、讨论，如认为其中一个方案合适则选择之，并付诸实施。如认为必须进一步做新的方案，则通过水资源实时管理、调度系统，计算和提出新的管理、调度预案，供决策者对新老方案进行对比和选择。
总之，在面临重大的水资源决策时，决策会商机制显得非常重要，有关利益冲突的各方，可以根据所提供的各种预案，包括水资源实时预报方案、实时管理预案和实时调度预案，分析其优劣，进行协商，确定能为有关各方所接受的方案。
3.5远程自动控制
控制可分为手工控制和自动控制、半自动控制等，主要是对重要的取水口和开采机井、引水闸门等的控制。根据需要和可能，有重点和有选择地建立一些远程自动控制系统是必要的，也是将来的一种发展方向。
3.6监控管理后评估
为了不断改进和完善系统的各项功能，需要对系统的重点功能进行后评估。主要内容包括：针对水资源实时调度、管理方案的合理性、实施效果以及预报方案的准确性、控制情况等进行评估，重点分析导致调度、管理方案不合理和效益不好、预报不准确的原因等。
最后，将研制的有关部分内容和功能模块进行集成，最终建立一套较完整的基于GIS的水资源实时监控管理系统，并进行试运行；通过系统的试运行不断进行修改和完善，最后正式交付使用，并保证系统能够稳定运行。
国内外组件化流域集成技术的发展及存在问题
流域模型的组件根据模型的求解方式分为3类,分别是前处理组件、计算引擎组件、后处理组件。其中,前处理组件为模型的计算准备提供功能支持,后处理组件为模型的计算结果分析提供功能支持,计算引擎组件是集成模型系统的核心。目前,国内外很多流域集成模型或者模型集成系统均采用了组件化方法,下面对国内外的典型流域集成模型/系统加以评述。
1国外组件化流域集成技术的发展
国际上较为知名的流域集成模型包括:丹麦水文研究所开发的MIKESHE和MIKEBASIN等系列软件、美国农业部开发的SWAT模型以及在此基础上发展出的多种集成模型、美国环保署开发的平台式系统BASINS、美国地质调查局在MODFLOW基础上发展的地表水与地下水耦合模型GSFLOW、美国水文工程中心的HEC-HMS模型、美国BrighamYoung大学环境模型研究实验室开发的专业水文模拟处理软件WMS模型系统、英国Wallingford公司所研发的InfoWorksRS以及近年来发展起来的ParFlow等。下面主要介绍其中6种模型。
MIKEBASIN模型。MIKEBASIN是一个基于ArcGIS®的流域水资源规划管理工具,在流域(区域)尺度基础上,解决水量的优化配置、用水户连接、水库调度规则及水质模拟等问题的综合性水资源数学模型软件,分NAM(降雨径流)和MIKEBA2SIN(水资源配置)两个模块[11212]。MIKEBASIN采用COM/.NET编程功能,提供二次开发及扩展空间,具有综合性与可移植性的特点,通用性强,适于大、小流域和行政区域各种复杂条件水资源问题研究。该软件基于GIS平台,建模快速,数据前处理灵活,后处理以多种形式直观表达,易于分析、统计等。
MIKESHE模型。作为一个综合性的水文模拟系统和进行大范围陆地水循环研究的有力工具,MIKESHE侧重地下水资源和地下水环境问题分析、规划和管理。该模型软件包含了模拟坡面漫流、非饱和流、溶质输移、农业设施、总蒸发等数值模块。MIKESHE将水文循环的各物理过程分别独立模型模拟,通过多模型之间的数据交换来模拟各水文循环过程。模型软件采用组件式结构,将每一个子过程分别设计成一个软件模块,每一模块仅执行一个子过程的计算。子模块可单独使用,也可以根据需要进行耦合或者叠加。同时,MIKESHE模型软件具有标准的OpenMI(OpenModelInterface,开放式模型接口)接口,为该模型软件与其他模型集成提供了标准接口[13]。MIKESHE模型软件具有高度灵活性、通用性以及简单操作性。但是,该软件过于庞大和复杂,不易掌握和运用,尤其是整个安装过程较为复杂,良好使用对计算机性能的要求较高[14215]。
SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型。SWAT模型是一个具有物理机制的分布式流域水文模型。该模型在Windows操作系统上利用VisualBasic并结合GRASS和ArcView进行开发,整合了ARS(AgriculturalResearchService)和SWRRB模型(SimulatorforWaterRe2sourcesinRuralBasins)的特征,采用了先进的模块化设计思路[16217]。该模型模拟的各环节都有对应的子功能模块,模型运行采用命令行代码结构来控制相关模块的调用,命令行的控制由一个包含命令和代码的特定格式配置文件完成。SWAT模型自问世以来得到了广泛的认可,但是在集成调用的过程中存在如下问题[18219]。(1)SWAT模型采用与GIS软件紧密集成的方式,模拟过程中的前处理(空间离散化、空间参数化)、运行及调试均以扩展模块方式在GIS环境下实现,因此如果需要将其作为定量评价工具集成到特定的流域管理系统中,那么就意味着同时需要集成整个GIS软件系统,所以集成效率低且浪费资源。(2)由于SWAT模型的空间运行单元采用多层次组织,模型运行需要的基础数据结构复杂,类型多样,所以要想单独开发模型运行的前处理模块,实现的难度较大。
InfoWorksRS模型。InfoWorksRS(河流系统软件)主要用于河网及明渠等的水动力学模型计算。它前处理集成了两种GIS组件,即MapInfo公司的MapX和Esri公司的Mapobject,为用户提供了直观的图形用户界面。InfoWorksRS采用分布式体系结构,既支持单用户应用,也可支持工作组多用户应用[20221]。该软件在应用中对数据的数量和质量要求较高,相对于国内现在较为滞后和不太规范的水文基础数据库而言,软件在应用和推广方面会受到一定的影响。
WMS(WatershedModelingSystem)模型。WMS(专业水文模拟处理软件系统),以通用的数据接口集成了HEC、NFF、TR220、TR255、RationalMethod和HSPF大量的传统集总式水文模型和基于物理基础的分布式水文模型Gssha,能够提供流域内水文所有过程的模拟。WMS并内嵌了完整的GIS工具,可以实现流域描绘和各种GIS功能分析[22]。目前该软件已被引入国内,并在部分研究中得到了应用。
HEC2HMS模型。HEC2HMS(水文模型系统是美国水文工程中心降雨径流模型),模型主要由C,C++和Fortran语言混编而成[23225]。该HEC-HMS模型具有模块化的结构,研究者可以依据所研究流域的情况,采用不同的产流和汇流方案进行分布式、半分布式或集总式模拟。组件化技术在国外研究的流域集成模型中已经得到了广泛的应用,促进了国外的流域集成模型的发展。我国也引进了其中一些模型并在流域管理方面应用。但是,如上所述,这些集成模型也存在一些问题,并不是完全适应我国的流域管理,在应用时,也需要对其进行改进以适应应用的环境。
2国内组件化流域集成技术的发展
在我国,一些集成模型/集成系统也应用了组件技术进行模型集成。雷晓辉等[26]开发了基于开源GIS软件MapWindow的模型软件系统MWEasyDHM。该系统集成前处理、模型计算、参数识别、统计分析、结果展示等功能,是一个低成本的分布式水文模型软件系统,整个平台的开发语言包括:C++,C#,和Fortran等。该模拟模型采用模块化编程思想,集成多种产汇流计算方式,具有较强的可扩展性。陈秀万等[27]采用面向对象的方法,基于UML、ATLCOM、ArcEngine、OpenGL等技术实现了一个基于动态响应单元的组件化分布式水文模型系统)DRUMS(ADynamicalResponseUnitsbasedDistributedHydrologicalModelSys2tem)。DRUMS为多尺度下水文模型库系统的实现提供了一个开放的、可扩展的实现框架。该系统具有开放的接口,灵活的扩展性,在此基础上可以构建不同的专业领域应用。禹雪中等[28]根据淮河流域洪水特征和水系构成,分析了水文学与水力学模型在洪水过程、洪水要素和空间范围方面的集成方式,采用了数据-模型-应用3层结构的总体集成框架,通过模型应用过程的模块化处理和数据有效交换,建立了集模拟、率定和预报功能于一体的综合计算平台。
黄河数学模拟系统V1.0采用基于.NET的3层架构进行组织,同时考虑通过企业服务总线(ESB)等产品实现与J2EE等架构的有效集成,同时利用COM组件和设置公共接口,有效地耦合各类数学模型,实现数学模型与GIS的集成,基本解决了各类模型前后处理和可视化的问题。但是,目前的系统属于单机软件,对使用人员的专业技术水平要求较高[29]。夏润亮[30]等在黄河数学模拟系统V1.0基础上,基于ArcGISServer开发了分布式数学模型公共后处理平台,以Web服务方式耦合各类图层数据,可便捷地在线展示数学模型计算成果。同时利用VTK组件实现了数学模型计算结果的动态渲染,把复杂的数字表现形式转化成为便于领导决策的可视化动态表现形式,将传统面向科研人员的单机数学模型后处理系统,转向为领导决策服务的网络平台。周振红等[31]将Fortran计算程序做成动态链接库,采用组件化编程的方式解决数据传输与控制的问题,建立了基于组件的水力数值模拟可视化系统。水利部珠江水利科学研究院[32]研制了水资源实时监控管理系统基础平台(WaterWM),该平台对水文产汇流模型、水量水质模拟模型等采用COM组件技术进行了模块封装,可快速完成各种一维水量水质模拟分析计算。魏锋等[33]采用C/S结构开发黄河小花间分布式模型洪水预报系统,并使用COM组件技术进行模块化设计以及用户界面和业务逻辑分离的开发策略,有效解决了不同语言混合编程的问题。文献[34237]应用组件和WebService技术及面向服务的体系结构(SOA)对模块进行封装并服务,形成洪水预报模型组件库,其组件化过程见图1。
首先,根据洪水预报模型的计算过程进行组件化拆分;然后,运用组件技术、WebService技术、面向服务的体系结构等组件封装技术将划分好的模块封装洪水预报模型组件;第三,对封装后的组件存入组件库,用户定制组件库中的组件并将其在可视化界面中搭建洪水预报模型;最后对系统进行构建。
从上述文献中可以看出,模型组件化后需将这些组件集成在一起,为将这些模型更好地集成,2005年欧洲的Open2MI系统提出了开放式模型接口(OpenModelInterface)和模型组件(ModelComponent)的概念。在这个标准框架下的各种软件之间有共同的接口协议。因此在这个标准的平台上,各种模型可以以组件形式相互耦合组成一个模型系统,可以多方位考察整个流域的模拟问题[38]。目前,全球数十家水环境系统模型软件供应商都把自己软件计算引擎不同程度地接入了OpenMI标准接口,成为OpenMI兼容软件[39242]。但是,OpenMI标准需要彻底改变数学模型的计算和逻辑过程,对原模型改动很大,而且需要模型开发者熟悉C#编程语言,使用起来很不方便。另外,OpenMI的各模型组件间通过请求数据形成一种/链式0计算过程,在某一时刻只有一个模型组件在计算,不符合计算机发展要求模型计算并行化的趋势。郭延祥[43244]等针对OpenMI存在的问题,设计了一套将普通模型变为模型组件方法,该方法不受模型的网格划分方法、模拟对象、模型开发语言和操作系统的限制;仅在原模型的时间循环中插入过程函数即可,对原模型改动很小;便于实现分布式计算和并行计算。该模型方法为通过组合简单模型来模拟复杂问题提供了一条有效途径。
3国内流域模拟模型集成研究存在的主要问题
(1)通用性与灵活性较差,普适性有待提高。由于缺乏从软件工程的角度进行系统架构设计致使模型集成系统的可扩展性与开发效率都较低,同时,我国早期的涉水模型大部分是针对一个功能模块对应一个或者有限个用户,也使得在全国范围内对同一问题进行着低水平的重复开发,模型有很多,但是普适性有待提高。
(2)不同来源的兼容数学模型兼容性较差,组件化程度不够,模型接口不开放,模型平台标准化不足。
(3)大多数模型采用Fortran语言编写,采取面向过程的结构化编程,将一个大的计算任务分解成一系列子任务,每个子任务又由很多的子程序和函数组成,这种模型的模型程序缺点较多,如代码管理不方便、复用性差、系统图形化用户界面(GUI)程度低等。
(4)模型主要面向科学研究,并非针对具体的流域管理进行设计,很难直接应用于流域管理业务中。
(5)开发出的模拟模型的表达与求解复杂性以及模型参数的设置和率定的困难性,对于非专业人员是难以逾越的障碍,这在一定程度上制约了数学模型的发展与应用不适合非专业人员使用。
(6)流域模拟模型集成系统日益注重与GIS进行集成,各类遥感观测为模型系统提供了高分辨率输入,但是现有模型大多数没有使用遥感数据以及进一步同化遥感数据,降低了模型数据分析与决策的能力。这些均使得我国流域模拟模型集成系统的研制比较落后。因此,针对上述问题,研究使用方便,具有通用性、可扩展性、实用性强的流域模拟模型集成系统是很有必要的。
流域模拟模型集成技术研究展望
流域模拟模型集成系统是一项高难度的复杂系统工程,研究内容涉及面广,总体上还不成熟。以云计算、Web210为标志的第三次信息技术浪潮的到来为研究具有实用性和通用性的水利数学模型平台带了良好的契机[45246]。根据目前流域模拟模型集成技术研究现状和存在的主要问题,需要深入研究的重点包括以下几个方面。
(1)将各种数学模型开发成易于集成的标准组件既是发展的趋势,也是当今数学模型应用开发的一个重要任务。研究各类模型的信息交互、传输方式、集成结构、参数管理、协同调用、输出结果等内容,将模型组件化并建立流域模型组件库,集成化软件组件的公共开放环境。通过标准数据接口整合各类异构模型组件,以开放式建模接口标准和通用组件架构模式,搭建开放、开源的模拟平台,使预报结果更加丰富。
[关键词]水库 汛限水位 优化
汛限水位是为预防可能出现的洪水、确保大坝及下游安全、水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位。我国传统的汛限水位是以概率和统计学为基础，采用不考虑预报信息的情况下设定的。调整汛限水位作为实现洪水资源化的重要手段，与水库防洪风险紧密相连，将对经济、政治、社会、环境产生利害双重性的影响。借鉴国外经验，结合我国国情对影响汛限水位调整的因素进行综合分析，有利于在水资源规划方面兼顾当前和长远利益，使有限的水资源更好地为可持续发展服务。
1、水资源开发利用现状
人类水资源开发共经历了传统水利、工程水利和资源水利三个阶段。我国自建国后进入进入工程水利阶段以来采用外延性扩建水利工程的方式增加供水，尽管经济得到发展，却遇到水资源开发利用方式粗放、水资源条件难堪重负的问题。以现行用水方式推算，我国到2030年用水最高峰期将达8，800亿立方米，将超过水资源、水环境承载力极限。强化节水措施、推进资源水利发展在我国势在必行。
我国正处在加速实现现代化的特殊时期，快速的经济发展不仅给资源水利的发展带来了机遇，也带来了挑战。一方面，根据发达国家经验，在2030年完成工业化之前，年需水总量还将逐年递增；另一方面，节水技术的推广是以资金和技术为支撑的循序渐进发展的过程，在经济、技术相对薄弱的情况下式的推行节水，将增加发展成本、动摇经济快速发展的基础。
通过适当的工程、非工程措施，挖掘现有水库的蓄洪潜力体现了资源水利的特点，有利于经济、快捷地缓解当前水资源紧缺状况，有利于为节水技术的发展争取更多的时间和经济支持。
2 、汛限水位挖掘的潜力点
2.1防洪标准
水库防洪标准是通过设计洪水数值的大小体现的。我国目前采用的是以高纬度国家苏联为代表的万年一遇洪水和与中低纬度国家美国为代表的可能最大洪水（PMF）两种标准中的最大者，实际上以苏联标准为主，山区和平原大型水库分别采用万年一遇洪水、两千年一遇洪水标准设防。苏联是高纬度国家，年最大洪水多以融雪为主形成，变差系数Cv较小，万年洪水仅为多年平均值的2～5倍。中国纬度较苏联的偏低，暴雨是形成洪水的主因，变差系数Cv较大，万年洪水为多年平均值的6～10倍，北方则高达14～30倍。对中国河流近600年来历次洪水的考证也证实，其中最大值接近于PMF，而PMF一般比万年洪水小10%～30%。一些学者已经对我国在缺水的情况下仍套用苏联经验提出了质疑。
2.2流域下垫面
由于人类活动的影响，流域的下垫面较以前发生了很大改变。
1）直接影响
建国初期所建的大型水库是在全流域范围根据气候和特定的下垫面条件完成水文演算的。此后几十年，水库上游相继建起的一系列蓄水建筑物使流域下垫面条件发生了改变，汇流成洪条件也相应发生了改变。在上游工程防洪标准高于下游水库防洪标准的情况下，洪峰及时段洪量减少，峰现时间延后，水库的防洪风险相应降低。
2）间接影响
人类的生产活动也间接对径流产生影响。一方面，农作物增加了水分蒸腾，降低产流能力；另一方面，人们开采地下水和矿藏为接纳降水腾空了地下库容。山西一些地区由于采煤，地面河流已经连年干涸。海河中西部平原近年该区发生量级200mm的暴雨未发生大的涝灾，而相同量级降雨在20世纪60～70年代将造成相当严重的灾情出现。目前国内有关地下水库的研究较少。
2.3分期汛限水位控制
水库汛限水位的确定与P频率设计洪水及最大出库流量有关。在最大出库流量不变的情况下，在年际尺度上，根据P频率设计洪水可确定出一个固定汛限水位值；在年内尺度上，由于设计洪水只发生于汛期，可认为汛前P频率设计洪水发生率为1，汛末为0，其间逐渐递减，相应的汛限水位可形成由低到高的曲线而水文风险不变。汛限水位动态调控方法不但增加了水库的兴利库容，在汛前将库水位用至汛限水位以下的情况下，还可减小汛期的防汛风险。此外，国家在水库加固中重视扩大泄流能力也是汛限水位调整的有利因素。
2.4天气预报
水文专家庞炳东指出，汛限水位是水库迎接设计洪水，而设计洪水并非每年都出现。过去由于天气预报技术落后，无法对下一步可能发生的洪水进行相对准确的预估，水库运行控制时较为保守，往往为等待设计洪水，失去了蓄水机会。随着天气预报精度的提高，人们可以从物理成因角度去探求洪水成因，而不必把注意力偏重于以概率和统计学为基础的小概率事件上。
3、汛限水位优化的限制因素
对失事水库的调查数据表明，漫坝多发生于没经严格水文规划的小型水库，大型水库发生率极小，渗流、管涌和地震毁坝是造成我国大型水库失事的主因。
我国的水库大多建于20世纪50～70年代，由于施工质量差，工程隐患多，多年来蓄水不足。后来国家对一些水库进行了除险加固，但工情变得更为复杂，工程能否应对汛限水位优化后造成的水位超常规运行还存在不确定因素。汛限水位优化后的主要风险将在于工程隐患及工程管理方面。
4、结论
我国大型水库在汛限水位优化方面存在蓄洪潜力挖掘空间，对汛限水位进行优化能增加洪水利用率、缓解当前及今后一段时间的水资源紧张状况，为经济的持续快速发展与节水技术的全面推广争取时间。
水库在创造效益的同时也兼具风险性，在洪水资源化方面的任何努力都必须在保证工程足够安全的前提下进行。在没经安全论证的情况下，现行水库运行模式不能抛弃。
鉴于影响汛限水位优化的因素复杂，建议从多方面开展工作：
（1）科学规划。根据对水文、水资源供需情况的重新调查，特别是根据工程的安全状况的评估进行统筹规划，利用水文遥测系统、天气预报系统和现有成熟水位优化理论，制定出兼顾工程安全和地区用水需求的理论汛限优化水位。
（2）主动管理。除了要对工程安全进行常规监测外，还要在非汛期尝试逐步抬高运行水位，以发现并消除隐患，进一步从物理角度对工程蓄水潜力进行摸底；对水库工程进行抗震模拟实验；建立涵盖降水、需水、工程安全等因子的计算机辅助决策系统，防止出现人为决策失误。
（3）展开工作。联合国土部门利用国家推进城市化的政策构建蓄滞洪区并以此形成土地储备银行。
参考文献：
[1] 叶秉如，水利计算及水资源规划[M].中国水利水电出版社，2003.
[2]张秀玲，文明宣.我国水库失事的统计分析及安全对策探讨.水利管理论文集，水利部水管司，1992.
