长江流域水资源管理与决策支持系统的研究

JournalofWaterResourcesResearch水资源研究,2012,1,29-36doi:10.4236/jwrr.2012.13005PublishedOnlineJune2012()WaterResourcesManagementandDecisionSupportingSystemoftheYangtzeRiverBasinJunWangBureauofHydrology,ChangjiangWaterResourcesCommission,WuhanEmail:[e-mail]:Apr.21st,2012;revised:May14th,2012;accepted:May25th,2012Abstract:ThecurrentweaknessofwaterresourcemanagementintheYangtzeRiverbasinwasdiscussed,andfuturenecessityandkeyfunctionofsupportingsystembasedonwaterresourcemodelforintegratedmanagementwereanalyzedinthispaper.Thesystemshouldtakeintoaccountofclimate-changepushedhy-drologicalcycle,waterdemandingprediction,waterresourceoptimalallocationandemergentwaterdiver-sion,etc.Thepilotsystemwillbedevelopedfirstlyforwaterresourcesimulation,prediction,allocationandoptimizationintheHanRiver,andthenextendtoYangtzeRiverbasin.Keywords:YangtzeRiverBasin;IntegratedWaterResourcesManagement;WaterResourcesModel;WaterResourcesAllocation;GIS长江流域水资源管理与决策支持系统的研究王俊长江水利委员会水文局，武汉Email:[e-mail]收稿日期：2012年4月21日；修回日期：2012年5月14日；录用日期：2012年5月25日摘要：论文分析了目前长江流域水资源管理方面存在的问题，提出了建设水资源综合管理决策支持系统的必要性，指出建设长江流域水资源模型是该系统的基础与核心。构建长江流域水资源模型应综合考虑动态水文循环、需水预测、水资源优化配置、应急调水以及不同的气候变化模式。选取汉江流域为典型流域，初步实现了集模拟–预测–配置–调度(优化)为一体的水资源模型，为今后长江流域水资源模型的建立奠定了理论和模型基础。关键词：长江流域；水资源综合管理；水资源模型；水资源配置；GIS1.研究背景长江流域良好的水资源条件为流域经济社会的发展提供了自然资源基础，随着经济社会的不断发展，长江流域水资源开发利用和环境保护现状令人担忧，已出现了因不合理开发利用水资源而影响长江流域可持续发展的问题。长江水利委员会制定了一系列的法规、规划措施来改善长江流域的水资源管理，在合理开发利用与保护水资源工作中取得了显著的成效，但目前仍存在一些问题，离可持续发展的要求还有一定的距离，主要问题有[1]：在水资源管理方面，水资源统一管理体制尚未完全理顺，市场在水资源配置中的基础性作用没有得到充分发挥，水利发展机制不灵活；入河排污口管理、取水许可水质管理和水功能区管理等水资源保护管理工作中未建立完善的统计制度，流作者简介：王俊，教授级高级工程师，主要从事工程水文、流域规划、水文水资源评价、水文预报、水文管理等专业技术研究工作。Copyright©2012Hanspub29王俊：长江流域水资源管理与决策支持系统的研究第1卷·第3期域水资源分配与保护的信息归集困难，尚未建立有效的信息渠道；管理中新技术应用缓慢。在防洪管理方面，目前流域内还没有建立起完善的洪水风险管理体系，洪水风险分析和风险图制作等基础工作还处于起步阶段，还没有建立覆盖全流域的现代化防汛指挥系统。其他诸如水量水质自动监测、“3S”等现代技术应用不够甚至空白，应急反应能力偏弱，水资源管理信息化进展缓慢，影响了管理效率的提高。目前，长江流域水资源管理正在从以防汛抗旱为主、注重水资源配置规划的水量管理的模式，向考虑实际社会需求，注重服务民生，对水量、水质并重的水资源综合管理模式发展。越来越多的社会需求要求水资源管理做到更细更及时，原有以规划(长期)和防汛抗旱等响应(短期)为主的水资源管理模式无法完全反映和解决现有的水资源供需矛盾，不能满足实际社会发展的需要，因此需要对原有的水资源管理模式进行更新和发展，以反映和应对以中期(周–月时间段)为主的水资源管理矛盾。建立和实施流域水资源综合管理是解决上述矛盾的有效方法，而集预测、配置和分析一体的流域水资源模型是建立流域水资源综合管理决策支持系统的核心。长江流域还未建立一套行之有效的水资源综合管理系统，因此亟需建立一个统筹水文模型和水资源统一调配模型的长江流域水资源模型，以实现水资源模拟、预测、配置、调度(优化)的一体化管理，为实现长江流域水资源有效分配、促进“健康长江”提供科学基础和技术支撑[2,3]。为此，长江水利委员会水文局于2007年6月提出了“长江流域水资源配置及预测系统研究”课题，历时四年，分阶段完成了长江中下游(宜昌至大通)水资源模型、汉江中下游和长江中下游水动力学模型、水质污染应急调度模型、需水预测模型、以及水资源信息查询系统，并将上述模型集成为一体，完成了长江流域水资源管理决策与支持系统的主要功能。系统采用B/S和C/S技术，使得用户可以通过该系统平台，完成流域内水资源管理从搭建、运算到结果分析与直观展示的一整套流程。建设长江流域水资源综合管理决策支持平台和实施流域水资源综合管理是一个涉及人才队伍培养、技术开发和应用、以及完善和建设相关水管理政策的长期过程，包罗广泛。然而长委水文局长江流域水资源管理与决策支持系统的建设仍处于初级阶段。因此，论文旨在介绍目前已构建完成的长江流域水资源管理决策与支持系统的构建思路方式和系统功能，以供同行交流、学习。2.水资源模型研究进展我国在水资源配置实践方面的研究起步于20世纪60年代，开始了以水库调度为先导的水资源分配研究，并在国家“七五”攻关项目中加以提高和应用，成为水资源系统中水量合理配置的雏形[4]。“八五”期间，黄河水利委员会进行了“黄河流域水资源合理分配及优化调度研究”，综合分析区域经济发展、生态环境保护与水资源条件，在我国第一次对全流域进行水资源配置研究，对构建模型软件实施大流域水资源配置起到了典范作用。水资源配置方法的系统提出是在国家“八五”科技攻关项目“华北地区水资源优化配置研究”中，该项成果提出的基于宏观经济的水资源优化配置的理论方法，在水资源优化配置的概念、目标、平衡关系、需求管理、经济机制以及模型的数学描述等方面，均具有创新性进展，并在华北、新疆北部及其他部分省市得到了广泛的应用。在“九五”攻关项目“西北地区水资源合理开发利用及生态环境保护研究”中，水资源配置的范畴进一步拓展到经济社会–水资源–生态环境系统，水量配置的对象也发展到同时配置国民经济用水和生态环境用水，并且衍生出具有可操作性的生态需水计算方法。国家“十五”攻关项目《黑河流域水资源配置管理信息系统》开展了以黑河流域为代表的我国北方半干旱流域水资源统一管理与调度的实践研究，该专题研究首次提出了“模拟–配置–评价–调度”的水资源配置总控结构，在流域层面上实现了水资源宏观配置方案和实时调度方案的耦合与嵌套，为流域的水资源管理提供了有效手段。在海河GEF项目(国家“十一五”攻关项目)，中国水科院课题组首次定量给出了基于二元水循环结构和ET分配基础上的流域水资源整体配置[5,6]。综上所述，目前国内在水资源模型领域开展了大量的研究工作，但上述研究主要集中于我国北方地区，Copyright©2012Hanspub30王俊：长江流域水资源管理与决策支持系统的研究第1卷·第3期在南方特别是长江流域的研究相对薄弱，因此论文提出构建长江流域水资源模型具有重要的实践意义。3.长江流域水资源模型的建设构想水资源配置最初主要是针对水资源短缺地区的用水竞争性问题而提出的，随着可持续发展概念的深入，其含义不仅仅是针对水资源短缺地区，对于水资源丰富的地区也应该考虑水资源的合理配置。对于水资源合理配置的含义，不同阶段有不同学者提出自己的解释。水规总院《全国水资源综合规划技术细则》对水资源合理配置的定义为，“在流域或特定的区域范围内，遵循有效性、公平性和可持续性的原则，利用各种工程与非工程措施，按照市场经济的规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和措施，对多种可利用水源在区域间和各用水部门间进行的调配”。水资源配置效果并非实施规划就能达到实际要求。在实施各种水资源配置规划计划的过程中，随着社会的进步和经济发展带来的新要求，尤其是规划阶段未能完全考虑到的供需矛盾、气候变化和人类活动等带来的水资源变化不确定性等因素，将不断挑战流域水资源规划工程及非工程措施。快速反应并解决这些问题，需要对水资源配置在一定范围内通过重新配置和实时调度来进行校正和调整，水资源模型是实现这一快速反应的重要工具。在对国际上水资源系统模拟软件的引进和消化的基础上，论文构建长江流域水资源模型的基本思路如下：1)应由集总式、静态的水循环模拟和调控向分布式、动态的水循环模拟与调控发展。目前国内水资源模型大都是基于现状降水、供水条件下，结合现状调查需水量进行水资源配置计算，即仅反映了天然水循环与人工水循环(人工取、耗、排)之间的静态联系，而不能达到实时的、动态的水资源配置。随着经济社会快速发展，水资源配置面对的问题更加复杂化，对数据处理要求提高，随着计算机技术不断发展，配置模型逐步软件化，提高了配置分析水平，能很好的解决这一矛盾。根据需要，长江水资源模型系统功能应包括三个方面。一是流域降雨径流模拟，这是流域水资源调配的科学基础；二是中长期需水预测，是水资源配置的核心，通过中长期需水预测分析给出合理的区域和行业水资源消耗量[7]；三是水资源优化配置，将配置与优化调度、节水措施相关联。2)应具有应对突发事件的应急调度管理系统。随着经济社会发展，不断挑战长江流域水资源管理能力，例如2009年三峡175m试验性蓄水，致使长江干流枯水期提前，至10月中旬，长江中下游及两湖地区遭遇特大枯水，致使其生态、生活用水出现困难，引起了社会各界的关注。又例如，近些年发生特大水污染突发事件，凸显出水资源管理中处理突发应急事件的能力相对薄弱。因此，水资源管理系统需建设水资源应急调度、以及水质突发事件应急系统。3)水资源配置应考虑气候变化对长江流域径流产生的影响。全球气候变化问题愈来愈引起社会各界的关注。国内已有不少学者针对气候变化对长江流域内的径流影响展开了研究[4,8,9]，研究表明气候变化将导致水文循环的变化，加剧一些地区的水资源分配不均，导致旱涝问题日趋严重。因此，未来长江流域水资源管理对气候变化带来的水资源问题也不可忽视。根据上述三点基本思路，拟定长江流域水资源模型的构建框架如图1。4.长江流域水资源管理决策支持系统4.1.系统功能目前，已完成了以水资源模型为核心的长江流域水资源管理决策支持系统，现阶段暂未加入气候变化模型，系统主要功能结构如图2所示，包括水资源信息查询与管理、水资源配置、水量调度和水质污染应急模拟四个子系统。本系统采用BS、CS相结合的开发方式。其中统计分析、结果展示等采用BS进行开发，即信息查询与管理子系统；与模型计算的相关功能均采用C