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1、黄河下游水资源管理空间决策支持系统研究 王道席王a 王军良 雷 鸣 ( 黄委会设计院规划处) 摘要以实用为导向， 基于地理信息系统 ( G I s )建立黄河下游水资源管理决策支持系统 ( W R D S D S S ) , 将G I s 纳人传统的D S S 中， 大大增强了 教据管理和可视化水平、系统空间分析 能力和友善性， 从而提高决策者的决策水平。采用全新的方案管理思路， 能够进行多方案的 制作和比选。 一、问题的提出 利用黄河水利委员会有关部门开发的径流预报、用水需求分析、水库调度、河段配水和 风险分析等功能模型，已 经能够制定黄河下游水资源年度分配计划和进行水资源实时调度。 然而，
2、黄河下游水资源调度系统是一个结构复杂、组成多元化、牵涉利益和部门众多的大系 统， 在实际调度时还具有以下的特点: 防凌、 供水、 灌溉和发电等目 标之间的矛盾时刻处于 变化之中;由于泥沙淤积、 工程操作不当和维护不力等原因， 工程运用条件在不断的发生变 化; 在缺水情况下， 水资源调度结果对行政干预敏感性强。这些特点很难在模型中予以描 述，上述模型给出的水资源调度结果仅仅是 “ 理想化”的，未必为决策者所认同。另外，在 水资源调度过程中，历史水t分配、 灌区社会经济、土壤墒情以及预报降雨等信息， 都在不 同程度上影响决策方案的确定。这就要求能够灵活多样地给决策者提供信息支持， 辅助其制 定合理
3、的决策方案，因此，有必要探讨新的技术途径。 从目 前的科学技术水平和实际应用情况看，解决上述问题的最好方法就是建立 D S S ，给 决策者提供有效、迅速和方便的决策支持。G I s 与 传统D S S 结合，形成一种全新的D S S - 空间决策支持系统 ( S D S S ) ， 它是计算机应用系统家族的新成员。G I s 对D S S 最大的贡献是 空间数据库的建立、 空间数据分析和基于地图的可视化信息查询、 统计和检索等。利用G I s 的这些功能来改进D S S 的每一部件， 帮助决策者解决空间数据的处理问题， 可以在很大程 度上增强D S S的原有功能。 对类似黄河下游水资源调度系
4、统的水资源大系统，应用G I s 和D S S 进行水资源调度方 案制定和实时调度， 在国内外都没有成功的实例可资参考。本次水资源管理空间决策支持系 统 ( 以下简称WR D S D S S )研究的重点包括: D S S 建立、 方案概念的提出与描述、 方案库的 研究开发、 模型库的研究开发等。和以往的水资源规划决策支持系统相比， 本次研制开发的 WR D S D S S 是基于G I s ，以实用为导向， 更加面向实际问题，因此难度也更大。 1 1 4 二、系统设计 I . 软硬件开发环境设计 ( 1 )软件环境。采用微软公司的编程软件 V is u a l B a s i c 6 . 0
5、 ，进行功能模型开发。采用 美国环境系统研究所 ( E S R I )的G I s 软件A r c I n f o ，建立空间数据库。采用 E S R I 公司的桌 面地理信息系统A r c V i e ， 进行系统集成，以管理空间数据库、 属性数据库和所有的功能模 型。 ( 2 )硬件环境。硬件设备主要有计算机、 扫描仪、 打印机和绘图仪。 2 、 系统结构及功能设计 ( 1 )结构设计。WR D S D S S 是基于G I s 的水资源管理辅助决策工具， 人机交互简捷方 便、面向水资源管理高层决策。系统结构如图 1 所示。 人机交互界面 输人物出子系统 方案库管理子系统 模型库管理子系统
6、 地理信息子系统 . 1 WR D S D S S 结构图 ( 2 )功能设计。 G I s 子系统。G I s 子系统负责各类专题地图和有关属性数据库的管理，以图形方式 形象生动地表达方案计算结果，同时它还是用户和D S S 对话的主渠道。属性数据库操作， 如记录增加、 修改、 删除、 查询、 统计和检索等， 都是基于专题地图进行的。G I s 利用人们 对图形信息的喜爱， 使用户和D S S 之间通讯通过专题地图 进行， 方便用户参与。 方案库 子系统。 方案库中 存放已建立的所 有水资源调度方案。方案库管理子系统可以 。 进行方案建立、方案打开、 方案复制、方案删除、方案查询、方案比较等
7、操作，还可以对方 案数据进行增加、 删除、 修改等。 模型库子系统。模型库是 D S S 的核心部分，包括各类支持决策的分析计算模型。模 型库管理子系 统可对库内各模型进行统一管理， 按功能需要进行模型组装、 联接、生成等。 WR D S D S S 模型库子系统中 模型按功能可分为五类: 水库调度模型、河段配水模型、用水需 求分析模型、径流预报模型和风险分析模型。 水库调度模型包括优化调度模型和模拟调度模 型;河段配水模型包括同倍比配水模型、 按权重配水模型和用户协商配水模型。 结果输出子系统。对方案的输人数据和计算结果以图形和报表方式， 通过计算机屏 幕、文件或打印机等形式输出。 1 1
8、5 三、系统开发 LG I S子系统 ( 1 )空间数据库建立。 空间数据库是 G I S 的基础，数据分类编码和分层管理是其突出特点。首先根据 12 0 0 0 0 0 0 的黄河下游引黄灌区图， 利用扫描仪将其扫描为二值灰度图;接着采用中国测绘大学矢 量化软件G E O S C A N ， 将行政区划、 河流、 灌区等有关信息分层矢量化; 然后将图形矢量化 结果输出为A r c I n f o 格式; 最后通过A r c l n f o 进行接点生成、断点拼接和拓扑生成等处理， 建立 A r c l n f o 的矢量图形文件。 矢量图形主要包括河流水系、灌区、 水库湖泊、 城市、省界、大
9、堤等地理信息。黄河下 游引黄灌区电子地图如图 2 所示。 图2 黄河下游引黄灌区电子地图 ( 2 ) G I S 子系统开发。该子系统按功能分为六个模块， 见图3 所示。 数据维护。包括数据库记录增加、删除、 修改等基本操作。 分层显示。根据用户选择的专题图 层进行显示。图 层组合方式根据用户需要， 能解决 无缝拼接问题。对于图形中显示的要素，系统具有无级缩放的功能，根据比 例尺大小。自 动 增加或减少图形显示要素。系统同时还具有漫游功能。 图形和属性数据双向查询检索。系统具有图形和属性双向查询检索功能，包括: 图形查数据: 按图形范围查属性数据， 支持点、 矩形、 多边形、圆 等图 形。 数
10、据查图形: 根据数据项查询和任意逻辑表达式组合查询，在地图上显示所查地理特 多幅地图查询:支持图层之间的信息查询。 统计计算。进行有关数据信息的统计计算，包括最大值、最小值、合计、标准方差 征等 图形修改。系统具有图形编辑修改的功能， 用户可以根据变化情况， 对图形进行修 1 1 6 一 地理信息子系统 葡回瀚日 形修 今同四圆 图形和属性数据的双向查询和 ;同周国国一 门图圈同 改。 制图输出。用户可以根据需要，将图形分层输 出或全图输出。 ( 3 ) G I S 子系统应用。 G I s 子系统应用于 W R D S D S S中，发挥了较好作 用。它可辅助决策者完成信息查询、统计、分析计
11、算 等功能，提高决策水平。 数据维护。具有一般数据库的维护功能，包括 数据库记录增加、追加、修改、删除、更新等基本操 作。 信息查询统计检索。支持图形和属性数据的双 向查询。用户用鼠标点击地图上某一图形要素，或画 一矩形、多边形等图形，系统能够通过唯一的标识码 检索出属性数据，并以表格或密度图、过渡色等形式 直观形象的表示在用户面前。同样用户可以根据属性 数据项，查询图形信息。 如用户查询灌区预报降雨情况， 系统能够以不同 颜色标注降雨量 ( 见图4 所示) ，使用户对整个灌区降 雨分布情况一目了然，有助于水资源管理方案的 制定。 检 图 图 3 GI S 子系统模块图 图4 灌区预报降雨分布
12、情况 1 1 7 再比 如决策者想了解哪些灌区超指标引水， 系统能够以突出 颜色标注出这些灌区 ( 如图 5 所示) ，以便给出超指标引水的地区分布信息，这是传统 D S S 无法实现的。 图5 超指标引水灌区 分布图 制图或报表翰出。 支持D X F , B M P 和T I F 等格式的地图输出。用户可以 输出不同尺寸的不同图层组合的 专题地图。允许用户对专题地图进行图框设定、图例标注和添加注记等。 2 . 方案库及其管理子系统 ( 1 )方案及方案库的概念。 建立水资源调度方案时需要大t信息， 其中既有相对稳定的信息， 如水库水位一 库容曲 线，特征值等; 也有时刻变化的信息， 如灌区土
13、壤墒情、 预报来水和用水等。对于某一调度 期，在确定付诸实施的水资源调度方案时， 往往孺要建立多方案来反映不确定信息的影响， 通过多方案比较来优选实施方案，这正是D S S 解决半结构化间题的优势所在。 在此次W R D S D S S 开发中， 将调度期的不同预报来水、不同用水计划、以及其它计算 条件的任何一种组合定义为一个方案， 方案库则是由多个方案组成的集合。例如，为提出 1 9 9 9 年黄河下游非汛期水资源调度预案， 根据可能的几种来水预报和用水情况， 分别建立 方案: 预报丰水+ 高用水方案 预报丰水+中用水方案 预报枯水十 低用水方案 建立方案库的优点是可以 将制作方案的过程记录
14、下来， 这样可以 实现对决策过程的全程 记录，也便于对中间方案或冗余方案进行删除和再装载。 ( 2 )方案库管理子系统开发。 一1 1 8 一 方案库中存贮大t方案， 方案管理子系统用于管理这些方案。 方案库管理子系统具有打 开方案、 关闭方案、 新建方案、 侧除已建方案、复制方案、方案查询和方案比较等七大功 能， 能够便捷地对方案库中 方案进行操作。 方案库管理子系统框图见图6 0 方案查询 方案比较 川除方案 关闭文件 打开方案 复制方案 新建方案 图6 方案库管理子系统框圈 打开方案。正如数据库一祥， 方案库中方案必须打开才能对其操作。当 某一方案打开 后， 其后的所有操作均是对该方案进
15、行的， 直至该方案关闭或打开另一方案。 关闭方案。用于保存已 制作完成的方案， 避免对该方案的误操作。 新建方案。建立新方案，同时将其自 动保存在方案库中。 方案复制。方案中 包含大t信息， 但有一部分数据是相对稳定的， 即各方案相同。 对 于这部分数据通过方案复制， 从一个方案拷贝到另一个方案， 可以进免大t烦琐的数据重新 输人工作。 方案删除。删除冗余方案， 节省磁盘空间 和方便方案管理。 方案查询。查询所有方案或所关心的部分 方案的详细信息。 方案比较。将多个方案的指标 ( 用户关心的)值，绘制成图或制成表， 供用户比较， 以便选出要实施的方案。 3 . 模型库管理子系 统 W R D
16、S D S S 中 装有来水预报、 用水需求分析、 水库优化调度、水库棋拟调度、同倍比配 水、按权重配水、协商配水和风险分析等八个模型，模型间主要通过数据库进行信息通讯。 ( 1 )模型字典。 模型字典用来存放有关模型的描述信息， 如参数、约束条件以及数据存取的说明。 模型字典的具体内容如下: 模型名; 模型内容; 模型编程语言; 棋型使用提示信息口 ( 2 模型管理。 模型管理主要包括: 模型构造。用户根据需要， 在现有基本模型的基础上， 通过组合建立新模型。如用户可 以在水库优化调度模型和模拟调度模型中 选择一个， 在河段同 倍比配水模型、 按权重配水模 型和用户协商配水模型中选择一个，建立一个水资源调度棋型。 一1 1 9 一 模型存取管理。主要指模型的装人、 卸载、查询等操作。 摸型运行管理。主要指模型运行初始化、 模型运行状态控制，如水库动态规划模型中状 态离散数的设定以及迭代收敛控制等。 4 . 方案输出子系统 方案的输出性能是评价方案制作的一项重要内容，丰富、美观、 实用的方案数据输出是 决策支持的重要部分。方案输
