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流域模擬模型的發(fā)展思考論文
本文作者：劉海燕、劉曉民、魏加華、田坤、陳文磊 單位：清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室、內蒙古農業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院、北京中水新華國際咨詢(xún)工程有限公司
國內外組件化流域集成技術(shù)的發(fā)展及存在問(wèn)題
流域模型的組件根據模型的求解方式分為3類(lèi),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的核心。目前,國內外很多流域集成模型或者模型集成系統均采用了組件化方法,下面對國內外的典型流域集成模型/系統加以評述。
1國外組件化流域集成技術(shù)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(kāi)發(fā)的MIKESHE和MIKEBASIN等系列軟件、美國農業(yè)部開(kāi)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(kāi)發(fā)的平臺式系統BASINS、美國地質(zhì)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B(niǎo)righamYoung大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)水文模擬處理軟件WMS模型系統、英國Wallingford公司所研發(fā)的InfoWorksRS以及近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的ParFlow等。下面主要介紹其中6種模型。
MIKEBASIN模型。MIKEBASIN是一個(gè)基于A(yíng)rcGIS®的流域水資源規劃管理工具,在流域(區域)尺度基礎上,解決水量的優(yōu)化配置、用水戶(hù)連接、水庫調度規則及水質(zhì)模擬等問(wèn)題的綜合性水資源數學(xué)模型軟件,分NAM(降雨徑流)和MIKEBA2SIN(水資源配置)兩個(gè)模塊[11212]。MIKEBASIN采用COM/.NET編程功能,提供二次開(kāi)發(fā)及擴展空間,具有綜合性與可移植性的特點(diǎn),通用性強,適于大、小流域和行政區域各種復雜條件水資源問(wèn)題研究。該軟件基于GIS平臺,建�？焖�,數據前處理靈活,后處理以多種形式直觀(guān)表達,易于分析、統計等。
MIKESHE模型。作為一個(gè)綜合性的水文模擬系統和進(jìn)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(wèn)題分析、規劃和管理。該模型軟件包含了模擬坡面漫流、非飽和流、溶質(zhì)輸移、農業(yè)設施、總蒸發(fā)等數值模塊。MIKESHE將水文循環(huán)的各物理過(guò)程分別獨立模型模擬,通過(guò)多模型之間的數據交換來(lái)模擬各水文循環(huán)過(guò)程。模型軟件采用組件式結構,將每一個(gè)子過(guò)程分別設計成一個(gè)軟件模塊,每一模塊僅執行一個(gè)子過(guò)程的計算。子模塊可單獨使用,也可以根據需要進(jìn)行耦合或者疊加。同時(shí),MIKESHE模型軟件具有標準的OpenMI(OpenModelInterface,開(kāi)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(jiǎn)單操作性。但是,該軟件過(guò)于龐大和復雜,不易掌握和運用,尤其是整個(gè)安裝過(guò)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(gè)具有物理機制的分布式流域水文模型。該模型在Windows操作系統上利用VisualBasic并結合GRASS和ArcView進(jìn)行開(kāi)發(fā),整合了ARS(AgriculturalResearchService)和SWRRB模型(SimulatorforWaterRe2sourcesinRuralBasins)的特征,采用了先進(jìn)的模塊化設計思路[16217]。該模型模擬的各環(huán)節都有對應的子功能模塊,模型運行采用命令行代碼結構來(lái)控制相關(guān)模塊的調用,命令行的控制由一個(gè)包含命令和代碼的特定格式配置文件完成。SWAT模型自問(wèn)世以來(lái)得到了廣泛的認可,但是在集成調用的過(guò)程中存在如下問(wèn)題[18219]。(1)SWAT模型采用與GIS軟件緊密集成的方式,模擬過(guò)程中的前處理(空間離散化、空間參數化)、運行及調試均以擴展模塊方式在GIS環(huán)境下實(shí)現,因此如果需要將其作為定量評價(jià)工具集成到特定的流域管理系統中,那么就意味著(zhù)同時(shí)需要集成整個(gè)GIS軟件系統,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據結構復雜,類(lèi)型多樣,所以要想單獨開(kāi)發(fā)模型運行的前處理模塊,實(shí)現的難度較大。
InfoWorksRS模型。InfoWorksRS(河流系統軟件)主要用于河網(wǎng)及明渠等的水動(dòng)力學(xué)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(hù)提供了直觀(guān)的圖形用戶(hù)界面。InfoWorksRS采用分布式體系結構,既支持單用戶(hù)應用,也可支持工作組多用戶(hù)應用[20221]。該軟件在應用中對數據的數量和質(zhì)量要求較高,相對于國內現在較為滯后和不太規范的水文基礎數據庫而言,軟件在應用和推廣方面會(huì )受到一定的影響。
WMS(WatershedModelingSystem)模型。WMS(專(zhuān)業(yè)水文模擬處理軟件系統),以通用的數據接口集成了HEC、NFF、TR220、TR255、RationalMethod和HSPF大量的傳統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(guò)程的模擬。WMS并內嵌了完整的GIS工具,可以實(shí)現流域描繪和各種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(yǔ)言混編而成[23225]。該HEC-HMS模型具有模塊化的結構,研究者可以依據所研究流域的情況,采用不同的產(chǎn)流和匯流方案進(jìn)行分布式、半分布式或集總式模擬。組件化技術(shù)在國外研究的流域集成模型中已經(jīng)得到了廣泛的應用,促進(jìn)了國外的流域集成模型的發(fā)展。我國也引進(jìn)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(wèn)題,并不是完全適應我國的流域管理,在應用時(shí),也需要對其進(jìn)行改進(jìn)以適應應用的環(huán)境。
2國內組件化流域集成技術(shù)的發(fā)展
在我國,一些集成模型/集成系統也應用了組件技術(shù)進(jìn)行模型集成。雷曉輝等[26]開(kāi)發(fā)了基于開(kāi)源GIS軟件MapWindow的模型軟件系統MWEasyDHM。該系統集成前處理、模型計算、參數識別、統計分析、結果展示等功能,是一個(gè)低成本的分布式水文模型軟件系統,整個(gè)平臺的開(kāi)發(fā)語(yǔ)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(chǎn)匯流計算方式,具有較強的可擴展性。陳秀萬(wàn)等[27]采用面向對象的方法,基于UML、ATLCOM、ArcEngine、OpenGL等技術(shù)實(shí)現了一個(gè)基于動(dòng)態(tài)響應單元的組件化分布式水文模型系統)DRUMS(ADynamicalResponseUnitsbasedDistributedHydrologicalModelSys2tem)。DRUMS為多尺度下水文模型庫系統的實(shí)現提供了一個(gè)開(kāi)放的、可擴展的實(shí)現框架。該系統具有開(kāi)放的接口,靈活的擴展性,在此基礎上可以構建不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域應用。禹雪中等[28]根據淮河流域洪水特征和水系構成,分析了水文學(xué)與水力學(xué)模型在洪水過(guò)程、洪水要素和空間范圍方面的集成方式,采用了數據-模型-應用3層結構的總體集成框架,通過(guò)模型應用過(guò)程的模塊化處理和數據有效交換,建立了集模擬、率定和預報功能于一體的綜合計算平臺。
黃河數學(xué)模擬系統V1.0采用基于.NET的3層架構進(jìn)行組織,同時(shí)考慮通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)(ESB)等產(chǎn)品實(shí)現與J2EE等架構的有效集成,同時(shí)利用COM組件和設置公共接口,有效地耦合各類(lèi)數學(xué)模型,實(shí)現數學(xué)模型與GIS的集成,基本解決了各類(lèi)模型前后處理和可視化的問(wèn)題。但是,目前的系統屬于單機軟件,對使用人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平要求較高[29]。夏潤亮[30]等在黃河數學(xué)模擬系統V1.0基礎上,基于A(yíng)rcGISServer開(kāi)發(fā)了分布式數學(xué)模型公共后處理平臺,以Web服務(wù)方式耦合發(fā)布各類(lèi)圖層數據,可便捷地在線(xiàn)展示數學(xué)模型計算成果。同時(shí)利用VTK組件實(shí)現了數學(xué)模型計算結果的動(dòng)態(tài)渲染,把復雜的數字表現形式轉化成為便于領(lǐng)導決策的可視化動(dòng)態(tài)表現形式,將傳統面向科研人員的單機數學(xué)模型后處理系統,轉向為領(lǐng)導決策服務(wù)的網(wǎng)絡(luò )發(fā)布平臺。周振紅等[31]將Fortran計算程序做成動(dòng)態(tài)鏈接庫,采用組件化編程的方式解決數據傳輸與控制的問(wèn)題,建立了基于組件的水力數值模擬可視化系統。水利部珠江水利科學(xué)研究院[32]研制了水資源實(shí)時(shí)監控管理系統基礎平臺(WaterWM),該平臺對水文產(chǎn)匯流模型、水量水質(zhì)模擬模型等采用COM組件技術(shù)進(jìn)行了模塊封裝,可快速完成各種一維水量水質(zhì)模擬分析計算。魏鋒等[33]采用C/S結構開(kāi)發(fā)黃河小花間分布式模型洪水預報系統,并使用COM組件技術(shù)進(jìn)行模塊化設計以及用戶(hù)界面和業(yè)務(wù)邏輯分離的開(kāi)發(fā)策略,有效解決了不同語(yǔ)言混合編程的問(wèn)題。文獻[34237]應用組件和WebService技術(shù)及面向服務(wù)的體系結構(SOA)對模塊進(jìn)行封裝并發(fā)布服務(wù),形成洪水預報模型組件庫,其組件化過(guò)程見(jiàn)圖1。
首先,根據洪水預報模型的計算過(guò)程進(jìn)行組件化拆分;然后,運用組件技術(shù)、WebService技術(shù)、面向服務(wù)的體系結構等組件封裝技術(shù)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(hù)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;最后對系統進(jìn)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系統提出了開(kāi)放式模型接口(OpenModelInterface)和模型組件(ModelComponent)的概念。在這個(gè)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(gè)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(gè)模型系統,可以多方位考察整個(gè)流域的模擬問(wèn)題[38]。目前,全球數十家水環(huán)境系統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學(xué)模型的計算和邏輯過(guò)程,對原模型改動(dòng)很大,而且需要模型開(kāi)發(fā)者熟悉C#編程語(yǔ)言,使用起來(lái)很不方便。另外,OpenMI的各模型組件間通過(guò)請求數據形成一種/鏈式0計算過(guò)程,在某一時(shí)刻只有一個(gè)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(wèn)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(kāi)發(fā)語(yǔ)言和操作系統的限制;僅在原模型的時(shí)間循環(huán)中插入過(guò)程函數即可,對原模型改動(dòng)很小;便于實(shí)現分布式計算和并行計算。該模型方法為通過(guò)組合簡(jiǎn)單模型來(lái)模擬復雜問(wèn)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(wèn)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(jìn)行系統架構設計致使模型集成系統的可擴展性與開(kāi)發(fā)效率都較低,同時(shí),我國早期的涉水模型大部分是針對一個(gè)功能模塊對應一個(gè)或者有限個(gè)用戶(hù),也使得在全國范圍內對同一問(wèn)題進(jìn)行著(zhù)低水平的重復開(kāi)發(fā),模型有很多,但是普適性有待提高。
(2)不同來(lái)源的兼容數學(xué)模型兼容性較差,組件化程度不夠,模型接口不開(kāi)放,模型平臺標準化不足。
(3)大多數模型采用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě),采取面向過(guò)程的結構化編程,將一個(gè)大的計算任務(wù)分解成一系列子任務(wù),每個(gè)子任務(wù)又由很多的子程序和函數組成,這種模型的模型程序缺點(diǎn)較多,如代碼管理不方便、復用性差、系統圖形化用戶(hù)界面(GUI)程度低等。
(4)模型主要面向科學(xué)研究,并非針對具體的流域管理進(jìn)行設計,很難直接應用于流域管理業(yè)務(wù)中。
(5)開(kāi)發(fā)出的模擬模型的表達與求解復雜性以及模型參數的設置和率定的困難性,對于非專(zhuān)業(yè)人員是難以逾越的障礙,這在一定程度上制約了數學(xué)模型的發(fā)展與應用不適合非專(zhuān)業(yè)人員使用。
(6)流域模擬模型集成系統日益注重與GIS進(jìn)行集成,各類(lèi)遙感觀(guān)測為模型系統提供了高分辨率輸入,但是現有模型大多數沒(méi)有使用遙感數據以及進(jìn)一步同化遙感數據,降低了模型數據分析與決策的能力。這些均使得我國流域模擬模型集成系統的研制比較落后。因此,針對上述問(wèn)題,研究使用方便,具有通用性、可擴展性、實(shí)用性強的流域模擬模型集成系統是很有必要的。
流域模擬模型集成技術(shù)研究展望
流域模擬模型集成系統是一項高難度的復雜系統工程,研究?jì)热萆婕懊鎻V,總體上還不成熟。以云計算、Web210為標志的第三次信息技術(shù)浪潮的到來(lái)為研究具有實(shí)用性和通用性的水利數學(xué)模型平臺帶了良好的契機[45246]。根據目前流域模擬模型集成技術(shù)研究現狀和存在的主要問(wèn)題,需要深入研究的重點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面。
(1)將各種數學(xué)模型開(kāi)發(fā)成易于集成的標準組件既是發(fā)展的趨勢,也是當今數學(xué)模型應用開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要任務(wù)。研究各類(lèi)模型的信息交互、傳輸方式、集成結構、參數管理、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(kāi)放環(huán)境。通過(guò)標準數據接口整合各類(lèi)異構模型組件,以開(kāi)放式建模接口標準和通用組件架構模式,搭建開(kāi)放、開(kāi)源的模擬平臺,使預報結果更加豐富。
(2)隨著(zhù)云計算、Web2.0的發(fā)展,研究不同要素、不同過(guò)程模型在云中集成所涉及的技術(shù)難點(diǎn)和模型結構、數據接口等具體問(wèn)題,構建基于云計算模式的流域模擬模型平臺成為水利數學(xué)模型平臺開(kāi)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(shù)相結合的產(chǎn)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(lǐng)先地位。為解決我國模型平臺低水平重復開(kāi)發(fā)問(wèn)題,應該認真研究國外優(yōu)秀平臺,注重頂層設計,分析系統結構、核心算法、數據流程、數據存儲結構、前后處理方法,并抽象出模型系統的共性點(diǎn)形成技術(shù)開(kāi)發(fā)規范,在技術(shù)傳承積累的基礎上漸次推進(jìn)我國流域模擬模型的發(fā)展[47]。
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