RIVERWARE模型在流域水资源规划应用的研究综述

【摘 要】本文详细的讲述国外一些流域水资源规划模拟软件的特征及应用情况，并分析不同模拟软件在流域水资源规划与开发工作中所取得的一些成就。再进一步的讲述流域水资源规划决策模拟软件Riverware的主要功能，模型的结构组成及其有关的模型参数及其所获得的部分研究成果等。

【关键词】水资源规划 模拟模型软件 RIVERWARE模型 应用现状

1引言

水资源是人类生存和经济社会发展的物质基础，是不可代替的重要自然资源[1]。目前人口急剧增长，工农业过快发展使得水资源的需求量逐年增加。因此如何可持续地利用一个国家或一个地区有限的水资源，解决经济社会发展与人口，生态及其他方面的矛盾是当今水文水资源学及水资源研究的热点[2]。

传统的水资源规划是以简单的数学方程式或者水量平衡原理为基础，解决了流域水资源短缺问题。但是流域水资源规划中许多因素都是动态的，不断变化的，需进行重复的改进与完善。随着计算机学科与水文水资源规划学科的迅速发展出现了一种人-机交互的建模方法。也就是说利用先进的计算机软件和敏锐的逻辑思维方式建立流域水资源规划模型，考虑全部静态与动态因素提出流域水资源规划与开发的最佳方案与优化方案。

2 不同水资源规划模拟软件特征分析

国际上的水资源研究起始于20世纪50年代，1953年美国陆军工程师兵团为解决美国密苏里河流域多座水库的运行问题，设计了最早的水资源模拟模型。

1960年Emergy和Meek为解决尼罗河流域水库规模和运行调度问题也构造了专门的模拟模型。其后，随着系统分析理论和优化技术的引入以及计算机技术的发展，水资源系统模拟模型和优化模型的建立、求解和运行的研究工作得到了不断提高。

国内水资源研究起始于20世纪60年代，以水库优化调度为先导。20世纪80年代，以华士乾为首的研究小组对北京地区的水资源采用系统工程方法进行了研究，并在“七五”攻关项目中加以提高和应用。80年代后期新疆水利厅会同有关部门进行了“新疆水资源及其承载能力和开发战略对策”的项目研究。随后水资源规划的研究在全国各地区各流域广泛展开[3]。

迄今为止，我国水库调度的研究经历了两个阶段，第一阶段是以常规调度方法为主的经验寻优调度阶段。该阶段调度方法简单直观，但没有充分发挥水库的调控作用，难以处理多目标，多约束和复杂水利系统的调度问题。针对这一问题，人们在水库调度实践中，对一些常规调度方法进行了改进，提出了如利用判别系数和调度图相结合的方法进行水电站群的径流补偿调节等；第二阶段是以运筹学为基础的水库群优化调度阶段，发展到现在，大致可以划分为线性规划（LP），非线性规划（NLP），动态规划（DP），模拟技术，控制方法，神经网络方法（ANN），遗传算法，多目标决策技术，大系统理论与方法，随机优化方法，模糊优化方法以及衍生的一些其他方法等[4]。

2.1丹麦水利研究所开发的水资源规划管理软件MIKE BASIN

MIKE BASIN是丹麦水利研究所（DHI）研发的流域水资源规划管理工具，作为对流域的数学描述，目的是找到每个时间步长内的静止解，反应主要河流水系，水文时空特征，现有及规划的主要水源工程方案，并以河网模型的形式表现。其优点是适合于不同时间尺度（年，月，日），空间尺度（工程点，河流到流域）上对大量的方案进行研究，计算速度快，具有强大的数据交互，结果分析展示等功能，可移植性和扩展性较强。MIKE BASIN系统的一个重要前提就是“静止假设”，即所计算的水资源系统中水量和水质是缓慢变化的[5]。

2.2加拿大奥博特环境公司研制的WRMM模型

WRMM（water resource management model）模型是70年代加拿大大奥博特环境公司（ALBERTA ENVIRONMENT）研制的一个包括来水，耗水，输水，蓄水工程在内，流域为基本研究单元，节点图为基础，供需平衡为原则的一个大型的地表水分配模型。其计算方法以线性规划理论为基础，水分配的优先权由罚点系统和线性规划技术以整个系统罚值最小来确定，为水资源规划和利用而开发的规划工具。

模型应用结果表明模型有足够精度除了能描述农业用水，城市生活与工业用水过程以外，还能模拟各工程的调度情况与河道的损失过程[6]。

2.3水资源规划与管理决策支持系统DSS

对于DSS尚无统一的定义。1982年，Sprague和Carlson定义DSS为“一个基于计算机的人-机交互系统，它帮助决策者应用数据和模型解决非结构化或半结构化的问题”。Johnson则定义“DSS是一个由计算机硬件和软件包结合的整体，可使管理运行人员容易地用来帮助他们实行决策及熟悉系统的性能。此外，DSS允许将运行人员的判断加入分析过程，从而提供人-机协作的机会” [7]。

不管如何定义，一般认为DSS至少应有3个主要组成部分：（1）数据子系统，数据的获取和处理及相关数据库的管理；（2）模型子系统，对所研究的系统进行分析，预测和决策指导的模型；（3）对话管理界面，用于交互式的人-机协作。

2.4英国WATERWARE系统

英国WaterWare系统是一个用于流域管理的面向对象的信息和决策支持系统，最初是在EURERA项目资助下开发的，曾用于英国泰晤士河，墨西哥Lerma流域，巴勒斯坦西岸与加沙地区的研究。该系统是基于GIS和数据库的模块化框架，允许连接各种模拟和优化模型进入该框架，同时提供通用用户界面和一致的共享数据源以及系统模块间通信机制。从用户的观点，WaterWare是由具有GIS的中央信息系统部件，数据库和多媒体超文本系统组成，能提供背景信息，描述特定的流域[8]。

2.5流域水资源规划和管理决策支持系统RIVERWARE

RIVERWARE决策支持系统是一种用于河流、水库及水电站运行管理的通用建模软件，对河道的水流过程、水库操作、消耗性用水、引水渠、浅层地下水与地表水的交互过程、水电站及其各种水工建筑物的运行操作进行建模。其最大特点是用户可以利用基于规则的语言将任何操作或调度方案灵活地表达成各种逻辑规则，解决了针对不同水资源相关问题。该软件采用了面向对象（Object-Oriented）和数据中心（Data-Centered）风格的软件设计方法，提供包括供水、航运、发电、防洪等水库多目标分析计算方法，同时也包含随机水文分析、河道水力学计算、水质分析、地表水及地下水转化分析等功能。由于采用了先进和系统的软件设计思路和技术，RIWERWARE具有良好的可控性和适应性，用户可以根据需求和经验定制模型，实现从模型构建到计算方法选择的完整控制。该软件在美国垦务局（USBR）和田纳西流域管理局（TVA）得到了应用。

3 Riverware模型国内外研究应用分析

Riverware 是美国垦务部开发局（US Bureau of Reclamation or USBR ， Department of Interior ）、田纳西流域管理局 （ Tennessee Valley Authority ）和科罗拉多大学先端水资源水环境决策支持系统研究中心（Center for Advanced Decision Support for Water and Environmental Systems or CADSWES ， University of Colorado at Boulder ）开发出来的通用于流域水资源规划和管理，水资源优化配置的一种综合性的决策支持系统。其功能包括拟建水库群的位置及规模的决定、水库群联调和优化调度、洪水预报、洪水模拟、水质模拟、环境及生态影响评价等。决策者通过利用Riverware提供的数据和模型结果能解决随机性的一系列流域环境和水资源问题。

3.1 国外研究应用分析

①由美国田纳西流域管理局与科罗拉多大学水与环境决策系统中心所组成的研究员们对Riverware模块进行最优化之后，1998年6月田纳西流域管理局通过应用Riverware模型，在水电站释放时间上得到了引路和指导。通过对该模型进行最优化与改进后田纳西流域管理局正式开始应用并且执行了许多任务[9]。

②2006年John C，Carron，Edith A.Zagona，Terrance J.Fulp等在科罗拉多河下游与莫哈维水库调度管理分析研究工作中利用Riverware模型与矩阵法对流域水系统进行了评价。并通过有关参数调到最佳状态后对科罗拉多河下游流域管理工作进行了应用性方案分析。在模拟过程中他们利用Riverware模型跟莫哈维水库随机性的参数和操作环境进行了10天多的运行并得到了满意的研究成果[10]。

③2006年Donald Frevert，Terrance Fulp，Edith Zagona，George Leavesley，Harry lins等组成的研究组结合Riverware模型，水文数据库（HDB）及模拟模型系统（MMS）对科罗拉多河流域（Colorado River basin），格兰德河上游段流域（UPPER Rio Grande basin），佩科斯河流域（Pecos River basin），尤马蒂拉河流域（Umatilla River basin ）与特拉斯河流域（Truckee River basin）进行调度分析。目前此技术已经应用于科罗拉多河小范围的水库调度到大范围的流域规划上。美国联邦及州级机关积极参与Riverware模型的运行与决策过程的顺利进行。圣胡安河流域（San Juan River Basin）是水质污染比较严重的河流，对科罗拉多（Colorado），新墨西哥（New Moxico）及阿尼马斯拉普拉大市水资源规划上带来了挑战。Riverware模型，水文数据库（HDB）及模拟模型系统（MMS）在这些流域得到了广泛的应用[11]。

3.2 国内研究应用分析

2003年11月份中国水利水电科学研究院遥感技术开发研究中心（即水利部遥感应用中心）常务副主任，教授级高级工程师，美国注册高级工程师王义成老师在中国水利水电科学研究院年度学术会议中做过 “Riverware 流域决策支持系统及其应用”的学术汇报。

2012年新疆维吾尔自治区水利水电科学研究院顺利申请科技支持计划国际合作项目引进了Riverware流域通用性模型软件，并在乌鲁木齐河上游段进行研究工作。此项目正在顺利的进行中。

参考文献：

[1]吴泽宁，索丽生 等.水资源优化配置研究进展[J].灌溉排水学报，2004，23：（2）：1～5.

[2]张占明，张鹏程，张维江，李娟 等.基于CROPWAT模型的流域水量平衡研究[J].人民黄河，2013，35：（1）：60～62.

[3]王士武，陈雪，胡玲，耿兆铨 等.数学模型在滨海城市水资源综合规划中的应用[J].中国农村水利水电，2005，30：（11）：30～32.

[4] 尤祥瑜，谢新民，孙仕军，王浩 等.我国水资源配置模型研究现状与展望[J]中国水利水电科学研究院学报，2004，2：（2）：131～140.

[5]顾世祥，李远华，何大明，崔远来 等.以MIKE BASIN实现流域水资源三次供需平衡[J].水资源与水工程学报，2007，18：（1）：5～11.

[6]布海力且木，姜卉芳，董新光 等.WRMM模型在乌鲁木齐河流域的应用[D].新疆农业大学学报，2005，28：（1）：77～80.

[7]刘健民.水资源规划与管理决策支持系统的发展和应用[J].水科学进展，1995，6：（3）：255～260.

[8]赵梁明.基于GIS的流域水资源调度管理系统研究[D].武汉大学学报，2004.

[9]Elizabeth A.Eschenbach，Member，ASCE，Timothy Magee，Edith Zagona，Morgan Goranflo，Richard Shane. Goal Programming Decision Support System For Multiobjective Operation Of Reservoir Systems[J].Journal Of Water Resources Planning And Managment ， America，2001：108～120.

[10]John C，Carron，Edith A.Zagona，Terrance J.Fulp.Modeling Uncertainty in an Object-Oriented Reservoir Operations Model[J].Journal Of Irrigation And Drainage Engineering，America，2006：104～111.

[11]Donal Frevert，Terrance Flup，Edith Zagona，George Leavesley，and Harry Lins.Watershed and River Systems Management Program：Overview of Capabilities[j].JOURNAL OF IRRIGATION AND DRAINAGE ENGINEERING ，America，2006：92～97.

基金项目：新疆维吾尔自治区科技计划项目（20126013），国家自然科学基金项目（51069017），新疆维吾尔自治区公益性科研院所基本科研业务经费自助项目（KY2014044），新疆大学绿洲生态重点实验室项目（XJDX0201-2013-04），水利部公益性行业科研专项经费项目（201001065）。

作者简介：麦麦提敏.库德热提（1986-），男，新疆乌鲁木齐人，在读硕士研究生，主要研究农田水利与水资源规划。

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