流域管理論文:流域模擬模型的發(fā)展思考

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本文作者：劉海燕、劉曉民、魏加華、田坤、陳文磊 單位：清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室、內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院、北京中水新華國際咨詢工程有限公司

國內外組件化流域集成技術的發(fā)展及存在問題

流域模型的組件根據(jù)模型的求解方式分為3類,分別是前處理組件、計算引擎組件、后處理組件。其中,前處理組件為模型的計算準備提供功能支持,后處理組件為模型的計算結果分析提供功能支持,計算引擎組件是集成模型系統(tǒng)的核心。目前,國內外很多流域集成模型或者模型集成系統(tǒng)均采用了組件化方法,下面對國內外的典型流域集成模型/系統(tǒng)加以評述。

1國外組件化流域集成技術的發(fā)展

國際上較為知名的流域集成模型包括:丹麥水文研究所開發(fā)的MIKESHE和MIKEBASIN等系列軟件、美國農業(yè)部開發(fā)的SWAT模型以及在此基礎上發(fā)展出的多種集成模型、美國環(huán)保署開發(fā)的平臺式系統(tǒng)BASINS、美國地質調查局在MODFLOW基礎上發(fā)展的地表水與地下水耦合模型GSFLOW、美國水文工程中心的HEC-HMS模型、美國BrighamYoung大學環(huán)境模型研究實驗室開發(fā)的專業(yè)水文模擬處理軟件WMS模型系統(tǒng)、英國Wallingford公司所研發(fā)的InfoWorksRS以及近年來發(fā)展起來的ParFlow等。下面主要介紹其中6種模型。

MIKEBASIN模型。MIKEBASIN是一個基于ArcGIS&reg的流域水資源規(guī)劃管理工具,在流域(區(qū)域)尺度基礎上,解決水量的優(yōu)化配置、用水戶連接、水庫調度規(guī)則及水質模擬等問題的綜合性水資源數(shù)學模型軟件,分NAM(降雨徑流)和MIKEBA2SIN(水資源配置)兩個模塊[11212]。MIKEBASIN采用COM/.NET編程功能,提供二次開發(fā)及擴展空間,具有綜合性與可移植性的特點,通用性強,適于大、小流域和行政區(qū)域各種復雜條件水資源問題研究。該軟件基于GIS平臺,建?？焖?數(shù)據(jù)前處理靈活,后處理以多種形式直觀表達,易于分析、統(tǒng)計等。

MIKESHE模型。作為一個綜合性的水文模擬系統(tǒng)和進行大范圍陸地水循環(huán)研究的有力工具,MIKESHE側重地下水資源和地下水環(huán)境問題分析、規(guī)劃和管理。該模型軟件包含了模擬坡面漫流、非飽和流、溶質輸移、農業(yè)設施、總蒸發(fā)等數(shù)值模塊。MIKESHE將水文循環(huán)的各物理過程分別獨立模型模擬,通過多模型之間的數(shù)據(jù)交換來模擬各水文循環(huán)過程。模型軟件采用組件式結構,將每一個子過程分別設計成一個軟件模塊,每一模塊僅執(zhí)行一個子過程的計算。子模塊可單獨使用,也可以根據(jù)需要進行耦合或者疊加。同時,MIKESHE模型軟件具有標準的OpenMI(OpenModelInterface,開放式模型接口)接口,為該模型軟件與其他模型集成提供了標準接口[13]。MIKESHE模型軟件具有高度靈活性、通用性以及簡單操作性。但是,該軟件過于龐大和復雜,不易掌握和運用,尤其是整個安裝過程較為復雜,良好使用對計算機性能的要求較高[14215]。

SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型。SWAT模型是一個具有物理機制的分布式流域水文模型。該模型在Windows操作系統(tǒng)上利用VisualBasic并結合GRASS和ArcView進行開發(fā),整合了ARS(AgriculturalResearchService)和SWRRB模型(SimulatorforWaterRe2sourcesinRuralBasins)的特征,采用了先進的模塊化設計思路[16217]。該模型模擬的各環(huán)節(jié)都有對應的子功能模塊,模型運行采用命令行代碼結構來控制相關模塊的調用,命令行的控制由一個包含命令和代碼的特定格式配置文件完成。SWAT模型自問世以來得到了廣泛的認可,但是在集成調用的過程中存在如下問題[18219]。(1)SWAT模型采用與GIS軟件緊密集成的方式,模擬過程中的前處理(空間離散化、空間參數(shù)化)、運行及調試均以擴展模塊方式在GIS環(huán)境下實現(xiàn),因此如果需要將其作為定量評價工具集成到特定的流域管理系統(tǒng)中,那么就意味著同時需要集成整個GIS軟件系統(tǒng),所以集成效率低且浪費資源。(2)由于SWAT模型的空間運行單元采用多層次組織,模型運行需要的基礎數(shù)據(jù)結構復雜,類型多樣,所以要想單獨開發(fā)模型運行的前處理模塊,實現(xiàn)的難度較大。

InfoWorksRS模型。InfoWorksRS(河流系統(tǒng)軟件)主要用于河網(wǎng)及明渠等的水動力學模型計算。它前處理集成了兩種GIS組件,即MapInfo公司的MapX和Esri公司的Mapobject,為用戶提供了直觀的圖形用戶界面。InfoWorksRS采用分布式體系結構,既支持單用戶應用,也可支持工作組多用戶應用[20221]。該軟件在應用中對數(shù)據(jù)的數(shù)量和質量要求較高,相對于國內現(xiàn)在較為滯后和不太規(guī)范的水文基礎數(shù)據(jù)庫而言,軟件在應用和推廣方面會受到一定的影響。

WMS(WatershedModelingSystem)模型。WMS(專業(yè)水文模擬處理軟件系統(tǒng)),以通用的數(shù)據(jù)接口集成了HEC、NFF、TR220、TR255、RationalMethod和HSPF大量的傳統(tǒng)集總式水文模型和基于物理基礎的分布式水文模型Gssha,能夠提供流域內水文所有過程的模擬。WMS并內嵌了完整的GIS工具,可以實現(xiàn)流域描繪和各種GIS功能分析[22]。目前該軟件已被引入國內,并在部分研究中得到了應用。

HEC2HMS模型。HEC2HMS(水文模型系統(tǒng)是美國水文工程中心降雨徑流模型),模型主要由C,C++和Fortran語言混編而成[23225]。該HEC-HMS模型具有模塊化的結構,研究者可以依據(jù)所研究流域的情況,采用不同的產流和匯流方案進行分布式、半分布式或集總式模擬。組件化技術在國外研究的流域集成模型中已經得到了廣泛的應用,促進了國外的流域集成模型的發(fā)展。我國也引進了其中一些模型并在流域管理方面應用。但是,如上所述,這些集成模型也存在一些問題,并不是完全適應我國的流域管理,在應用時,也需要對其進行改進以適應應用的環(huán)境。

2國內組件化流域集成技術的發(fā)展

在我國,一些集成模型/集成系統(tǒng)也應用了組件技術進行模型集成。雷曉輝等[26]開發(fā)了基于開源GIS軟件MapWindow的模型軟件系統(tǒng)MWEasyDHM。該系統(tǒng)集成前處理、模型計算、參數(shù)識別、統(tǒng)計分析、結果展示等功能,是一個低成本的分布式水文模型軟件系統(tǒng),整個平臺的開發(fā)語言包括:C++,C#,VB.Net和Fortran等。該模擬模型采用模塊化編程思想,集成多種產匯流計算方式,具有較強的可擴展性。陳秀萬等[27]采用面向對象的方法,基于UML、ATLCOM、ArcEngine、OpenGL等技術實現(xiàn)了一個基于動態(tài)響應單元的組件化分布式水文模型系統(tǒng))DRUMS(ADynamicalResponseUnitsbasedDistributedHydrologicalModelSys2tem)。DRUMS為多尺度下水文模型庫系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一個開放的、可擴展的實現(xiàn)框架。該系統(tǒng)具有開放的接口,靈活的擴展性,在此基礎上可以構建不同的專業(yè)領域應用。禹雪中等[28]根據(jù)淮河流域洪水特征和水系構成,分析了水文學與水力學模型在洪水過程、洪水要素和空間范圍方面的集成方式,采用了數(shù)據(jù)-模型-應用3層結構的總體集成框架,通過模型應用過程的模塊化處理和數(shù)據(jù)有效交換,建立了集模擬、率定和預報功能于一體的綜合計算平臺。

黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)V1.0采用基于.NET的3層架構進行組織,同時考慮通過企業(yè)服務總線(ESB)等產品實現(xiàn)與J2EE等架構的有效集成,同時利用COM組件和設置公共接口,有效地耦合各類數(shù)學模型,實現(xiàn)數(shù)學模型與GIS的集成,基本解決了各類模型前后處理和可視化的問題。但是,目前的系統(tǒng)屬于單機軟件,對使用人員的專業(yè)技術水平要求較高[29]。夏潤亮[30]等在黃河數(shù)學模擬系統(tǒng)V1.0基礎上,基于ArcGISServer開發(fā)了分布式數(shù)學模型公共后處理平臺,以Web服務方式耦合各類圖層數(shù)據(jù),可便捷地在線展示數(shù)學模型計算成果。同時利用VTK組件實現(xiàn)了數(shù)學模型計算結果的動態(tài)渲染,把復雜的數(shù)字表現(xiàn)形式轉化成為便于領導決策的可視化動態(tài)表現(xiàn)形式,將傳統(tǒng)面向科研人員的單機數(shù)學模型后處理系統(tǒng),轉向為領導決策服務的網(wǎng)絡平臺。周振紅等[31]將Fortran計算程序做成動態(tài)鏈接庫,采用組件化編程的方式解決數(shù)據(jù)傳輸與控制的問題,建立了基于組件的水力數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)。水利部珠江水利科學研究院[32]研制了水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)基礎平臺(WaterWM),該平臺對水文產匯流模型、水量水質模擬模型等采用COM組件技術進行了模塊封裝,可快速完成各種一維水量水質模擬分析計算。魏鋒等[33]采用C/S結構開發(fā)黃河小花間分布式模型洪水預報系統(tǒng),并使用COM組件技術進行模塊化設計以及用戶界面和業(yè)務邏輯分離的開發(fā)策略,有效解決了不同語言混合編程的問題。文獻[34237]應用組件和WebService技術及面向服務的體系結構(SOA)對模塊進行封裝并服務,形成洪水預報模型組件庫,其組件化過程見圖1。

首先,根據(jù)洪水預報模型的計算過程進行組件化拆分;然后,運用組件技術、WebService技術、面向服務的體系結構等組件封裝技術將劃分好的模塊封裝洪水預報模型組件;第三,對封裝后的組件存入組件庫,用戶定制組件庫中的組件并將其在可視化界面中搭建洪水預報模型;最后對系統(tǒng)進行構建。

從上述文獻中可以看出,模型組件化后需將這些組件集成在一起,為將這些模型更好地集成,2005年歐洲的Open2MI系統(tǒng)提出了開放式模型接口(OpenModelInterface)和模型組件(ModelComponent)的概念。在這個標準框架下的各種軟件之間有共同的接口協(xié)議。因此在這個標準的平臺上,各種模型可以以組件形式相互耦合組成一個模型系統(tǒng),可以多方位考察整個流域的模擬問題[38]。目前,全球數(shù)十家水環(huán)境系統(tǒng)模型軟件供應商都把自己軟件計算引擎不同程度地接入了OpenMI標準接口,成為OpenMI兼容軟件[39242]。但是,OpenMI標準需要徹底改變數(shù)學模型的計算和邏輯過程,對原模型改動很大,而且需要模型開發(fā)者熟悉C#編程語言,使用起來很不方便。另外,OpenMI的各模型組件間通過請求數(shù)據(jù)形成一種/鏈式0計算過程,在某一時刻只有一個模型組件在計算,不符合計算機發(fā)展要求模型計算并行化的趨勢。郭延祥[43244]等針對OpenMI存在的問題,設計了一套將普通模型變?yōu)槟Ｐ徒M件方法,該方法不受模型的網(wǎng)格劃分方法、模擬對象、模型開發(fā)語言和操作系統(tǒng)的限制;僅在原模型的時間循環(huán)中插入過程函數(shù)即可,對原模型改動很小;便于實現(xiàn)分布式計算和并行計算。該模型方法為通過組合簡單模型來模擬復雜問題提供了一條有效途徑。

3國內流域模擬模型集成研究存在的主要問題

(1)通用性與靈活性較差,普適性有待提高。由于缺乏從軟件工程的角度進行系統(tǒng)架構設計致使模型集成系統(tǒng)的可擴展性與開發(fā)效率都較低,同時,我國早期的涉水模型大部分是針對一個功能模塊對應一個或者有限個用戶,也使得在全國范圍內對同一問題進行著低水平的重復開發(fā),模型有很多,但是普適性有待提高。

(2)不同來源的兼容數(shù)學模型兼容性較差,組件化程度不夠,模型接口不開放,模型平臺標準化不足。

(3)大多數(shù)模型采用Fortran語言編寫,采取面向過程的結構化編程,將一個大的計算任務分解成一系列子任務,每個子任務又由很多的子程序和函數(shù)組成,這種模型的模型程序缺點較多,如代碼管理不方便、復用性差、系統(tǒng)圖形化用戶界面(GUI)程度低等。

(4)模型主要面向科學研究,并非針對具體的流域管理進行設計,很難直接應用于流域管理業(yè)務中。

(5)開發(fā)出的模擬模型的表達與求解復雜性以及模型參數(shù)的設置和率定的困難性,對于非專業(yè)人員是難以逾越的障礙,這在一定程度上制約了數(shù)學模型的發(fā)展與應用不適合非專業(yè)人員使用。

(6)流域模擬模型集成系統(tǒng)日益注重與GIS進行集成,各類遙感觀測為模型系統(tǒng)提供了高分辨率輸入,但是現(xiàn)有模型大多數(shù)沒有使用遙感數(shù)據(jù)以及進一步同化遙感數(shù)據(jù),降低了模型數(shù)據(jù)分析與決策的能力。這些均使得我國流域模擬模型集成系統(tǒng)的研制比較落后。因此,針對上述問題,研究使用方便,具有通用性、可擴展性、實用性強的流域模擬模型集成系統(tǒng)是很有必要的。

流域模擬模型集成技術研究展望

流域模擬模型集成系統(tǒng)是一項高難度的復雜系統(tǒng)工程,研究內容涉及面廣,總體上還不成熟。以云計算、Web210為標志的第三次信息技術浪潮的到來為研究具有實用性和通用性的水利數(shù)學模型平臺帶了良好的契機[45246]。根據(jù)目前流域模擬模型集成技術研究現(xiàn)狀和存在的主要問題,需要深入研究的重點包括以下幾個方面。

(1)將各種數(shù)學模型開發(fā)成易于集成的標準組件既是發(fā)展的趨勢,也是當今數(shù)學模型應用開發(fā)的一個重要任務。研究各類模型的信息交互、傳輸方式、集成結構、參數(shù)管理、協(xié)同調用、輸出結果等內容,將模型組件化并建立流域模型組件庫,集成化軟件組件的公共開放環(huán)境。通過標準數(shù)據(jù)接口整合各類異構模型組件,以開放式建模接口標準和通用組件架構模式,搭建開放、開源的模擬平臺,使預報結果更加豐富。

(2)隨著云計算、Web2.0的發(fā)展,研究不同要素、不同過程模型在云中集成所涉及的技術難點和模型結構、數(shù)據(jù)接口等具體問題,構建基于云計算模式的流域模擬模型平臺成為水利數(shù)學模型平臺開發(fā)的最新趨勢。

(3)流域模擬模型平臺化是流域模型與信息技術相結合的產物。設計程序結構靈活,利于擴充和兼容性模型應用平臺化已成為趨勢。目前,國外的流域模擬模型平臺居于領先地位。為解決我國模型平臺低水平重復開發(fā)問題,應該認真研究國外優(yōu)秀平臺,注重頂層設計,分析系統(tǒng)結構、核心算法、數(shù)據(jù)流程、數(shù)據(jù)存儲結構、前后處理方法,并抽象出模型系統(tǒng)的共性點形成技術開發(fā)規(guī)范,在技術傳承積累的基礎上漸次推進我國流域模擬模型的發(fā)展[47]。