博斯騰湖流域水資源管理決策支持系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李肖楊，陳亞寧，劉 璐，馬玉其，王新友

(1.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049； 3.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒 841000)

博斯騰湖流域位于新疆塔里木盆地東北邊緣，主要由開都河流域、博斯騰湖和孔雀河流域三大部分組成，是典型的干旱區(qū)湖泊流域。博斯騰湖是我國最大的內陸淡水湖，作為開都河的尾閭、孔雀河的源頭，主要由開都河、黃水溝、清水河等補給，孔雀河是水資源的主要耗散區(qū)[1]。近年來，由于流域內河流水資源開發(fā)過度，導致博斯騰湖出入湖水量發(fā)生不穩(wěn)定變化[2]，長此以往將對湖區(qū)內水量平衡及周邊生態(tài)環(huán)境造成不良影響，流域城鎮(zhèn)的生產生活以及河流綠洲的生態(tài)安全也會受到嚴重威脅。此外，氣候變化改變著干旱區(qū)水循環(huán)要素，加劇了水系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，致使對流域水文實時變化情況的掌控難度加大[3]，而流域內城市化進程的加快以及耕地面積的擴大，也增加了流域水資源利用的復雜性，對流域水資源的科學管理提出了新的挑戰(zhàn)[4]。

面對多元水文信息的半結構化、非結構化復雜問題，傳統(tǒng)的管理方式已很難適應不斷發(fā)展的水資源管理需求[5]，而采用水資源管理決策支持系統(tǒng)(water resources management decision support system)輔助水資源管理是很好的解決方法。水資源管理決策支持系統(tǒng)在決策支持系統(tǒng)的基礎上，建立起水資源管理人員與水文學家之間的連接通道[6]，其主要功能是解決水資源管理中多種因素的耦合問題，為決策者提供決策依據(jù)[7]。隨著水資源管理決策支持系統(tǒng)框架的不斷完善，通用性越來越好，利用率也越來越高，能夠運用計算機、地理信息系統(tǒng)、網絡通信等多方面技術，將數(shù)據(jù)采集與管理、空間可視化表達、流域水資源實時情況、水文預警等功能融為一體，形成綜合的管理決策體系[8]。

本文根據(jù)博斯騰湖流域實際面臨的水資源管理問題與性質，結合新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局對系統(tǒng)的功能需求，參考已有的水資源管理決策支持系統(tǒng)開發(fā)的成功經驗，采用面向對象的開發(fā)方法，設計開發(fā)了博斯騰湖流域水資源管理決策支持系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)架構如圖1所示，采用Visual Studio工具集開發(fā)，由數(shù)據(jù)采集層、中間服務層、外觀層3層組成[9]。在流域各項水文數(shù)據(jù)基礎上，結合設計要求，以時空變換方式實現(xiàn)信息的動態(tài)模擬，其結果以人機交互方式提供給決策者。按照架構規(guī)劃，系統(tǒng)實現(xiàn)過程可分為數(shù)據(jù)整合、模擬分析、系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)運行4個部分。

a. 數(shù)據(jù)整合。根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，將流域已有的水文數(shù)據(jù)，包括流域中水文站、水電站、分水樞紐、排污渠、水質監(jiān)測點的數(shù)據(jù)與空間地理數(shù)據(jù)進行整合。同時設計不同數(shù)據(jù)的存儲規(guī)則，方便對實時資料的獲取處理以及數(shù)據(jù)庫的構建。

b. 模擬分析。系統(tǒng)對博斯騰湖流域水文信息進行動態(tài)模擬，需借助GIS分析工具處理空間要素，同時也需借助專業(yè)分析工具，以相關模型和算法作為后臺運行基礎。例如為實現(xiàn)流域水文要素的空間可視化表達，將人工解譯后的30 m分辨率Landsat 8影像作為流域底圖存儲到系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫中，以方便系統(tǒng)調用；根據(jù)實際情況綜合采用Tennant法[10]、年型劃分法、最枯月平均流量多年平均值法[11]、90%保證率法[12]對流域生態(tài)基流進行計算，選擇Penman法[13]、潛水蒸發(fā)法、定額法[14]等估算流域生態(tài)輸水時的天然植被需水量等。系統(tǒng)所涉及的算法和模型利用C#語言建立類庫并與數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)水資源的宏觀統(tǒng)一管理和水情綜合分析預報。

c. 系統(tǒng)開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的復雜程度、開發(fā)時間以及用戶的需求，以面向Microsoft.Net平臺的C#語言為程序設計語言，采用Visual Studio開發(fā)工具集進行開發(fā)，同時利用ArcGIS Engine搭建系統(tǒng)空間可視化平臺，并以Microsoft SQL Server實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)存儲。在系統(tǒng)架構基礎之上設計系統(tǒng)各模塊和功能，整個系統(tǒng)開發(fā)過程借鑒組件式開發(fā)模式，可以獨立開發(fā)業(yè)務功能組件，增強了系統(tǒng)的可擴展性。

d. 系統(tǒng)運行。系統(tǒng)目前在試運行中，將根據(jù)管理人員的使用反饋情況對系統(tǒng)更新維護，以便更好地服務于博斯騰湖流域管理。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

博斯騰湖流域水資源管理決策支持系統(tǒng)由地圖管理、基礎信息管理、流域生態(tài)流量以及用戶幫助等主要功能模塊組成，其運行機制如圖2所示。系統(tǒng)還設計了一些輔助模塊，例如方便空間查詢設計的鷹眼坐標窗口，為將基礎信息表達融合到空間要素設計的屬性表窗口等。系統(tǒng)主界面如圖3所示，可分為菜單區(qū)、圖層區(qū)、視圖區(qū)、鷹眼區(qū)和坐標區(qū)5個部分。

圖2 系統(tǒng)主要模塊運行機制Fig.2 Operation mechanism of main modules of the system

a. 地圖管理。此模塊主要輔助用戶進行流域空間瀏覽和查詢，包括對主要空間要素的添加、刪除、修改和保存。系統(tǒng)所有的地圖要素都提前使用ArcGIS編輯好并存儲在空間地理數(shù)據(jù)庫中，用戶成功登錄后，系統(tǒng)主界面將會通過接口自動實現(xiàn)流域地圖要素的顯示，且每個地圖要素都有各自對應的空間地理坐標和屬性表內容，屬性表中包含要素的水文數(shù)據(jù)，用戶可利用空間查詢功能實現(xiàn)水文要素空間查詢及其屬性內容的顯示。

b. 基礎信息管理。為方便博斯騰湖流域水文信息的管理，根據(jù)水系分布情況，將流域劃分為上、中、下游3個部分，上游包括開都河、黃水溝、清水河流域，中游以博斯騰湖為主，下游為孔雀河流域?；A信息管理模塊分為“流域水文站點信息”和“博斯騰湖信息”兩個子模塊。“流域水文站點信息”按各子流域進行劃分，每個子流域中包含其現(xiàn)有水文站點信息；“博斯騰湖信息”包括水位和水質等信息。每個數(shù)據(jù)窗口具有數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)導出和數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖顯示等功能，可實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)增加、刪除、修改、查詢以及動態(tài)模擬的可視化表達等功能。

c. 流域生態(tài)流量。該模塊分為“開都、孔雀河生態(tài)流量管理”“博斯騰湖生態(tài)水位管理”和“適宜流量及水位計算”等子模塊。用模塊中集合的水文站點多年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析流域水量、水位年內和年際變化特征，并計算出適宜生態(tài)基流及生態(tài)需水量，同時根據(jù)計算結果和流域生態(tài)流量調度方案，結合空間模型模擬河流生態(tài)輸水。在模塊顯示的各個界面中設有提示彈窗對一些專業(yè)概念進行解釋說明，以幫助管理人員理解系統(tǒng)運行的結果。

d. 用戶幫助。用戶可在此模塊中注冊用于登錄系統(tǒng)的管理員信息，同時也可修改、刪除相關的用戶名和密碼。模塊提供系統(tǒng)使用的說明文檔，可幫助用戶詳細了解系統(tǒng)使用方法，也給出了系統(tǒng)中所涉及計算公式的解釋說明。

1.3 系統(tǒng)監(jiān)測體系

系統(tǒng)采用“地-云-空”一體化監(jiān)測體系來準確反映研究區(qū)水資源情況，并獲取實時水文數(shù)據(jù)，如圖4所示?！暗亍北硎靖鶕?jù)博斯騰湖流域實地情況，合理設置水文監(jiān)測站點和布設水位、流量、水質自動檢測設備，結合已有的監(jiān)測體系形成博斯騰湖流域水資源監(jiān)測網絡?！霸啤笔峭ㄟ^GPRS移動通信技術，將自動采集的水位、流量等數(shù)據(jù)經過解析后定時傳輸?shù)搅饔蛩Y源管理部門數(shù)據(jù)中心，經處理后形成實時水資源數(shù)據(jù)存儲到相應數(shù)據(jù)庫中。“空”是根據(jù)流域管理者要求，通過Landsat遙感衛(wèi)星定時更新流域影像圖，供系統(tǒng)搭建空間可視化平臺使用。

2 功能實現(xiàn)

2.1 博斯騰湖流域水資源量空間信息查詢

博斯騰湖流域水系呈西北—東南分布，其中開都河、博斯騰湖、孔雀河是流域內主要的水系分布區(qū)。流域水文站中，大山口、塔什店水文站作為開都河出山口站和孔雀河出湖口站，對于水資源量的監(jiān)測管理具有重要意義。博斯騰湖流域水資源量管理功能基于系統(tǒng)基礎信息管理模塊和流域生態(tài)流量模塊來實現(xiàn)，并結合主要水文站的分布和博斯騰湖實際地理位置實現(xiàn)空間信息顯示，具體可分為多年徑流變化查詢和實時流量變化查詢。

系統(tǒng)以1956—2019年各月平均徑流量為基礎，實現(xiàn)流域多年徑流量變化查詢。如圖5所示，根據(jù)界面彈窗信息和流域年際水文變化特征可知，開都、孔雀河多年平均徑流量分別為35.04億m3和13.64億m3，且大山口和塔什店水文站徑流量以每10 a 1.38億m3和0.85億m3的速度遞增。博斯騰湖水位整體呈現(xiàn)的波動現(xiàn)象，與開都河寶浪蘇木分水樞紐同時期入湖水量呈相同變化趨勢。與提供大部分入湖水量的開都河大山口水文站多年徑流變化曲線相比，二者曲線波動極為一致，寶浪蘇木分水樞紐的入湖水量直接受開都河大山口水文站來水量的影響。由此可以推斷自然來水及相應入湖水量的變化是造成博斯騰湖水位波動的重要原因。

圖5 流域年際徑流量變化信息查詢Fig.5 Interannual runoff change information query of the river basin

另外，徑流量變化曲線在2000年之后呈突變式升高，這是因為20世紀90年代以來西北干旱區(qū)冰川退縮趨勢加劇導致流域水資源量升高，但隨著冰川萎縮或消失所出現(xiàn)的冰川消融拐點的影響將不容忽視[15]。對此，系統(tǒng)在基礎信息管理模塊中實現(xiàn)了對流域水資源量的實時變化查詢，如圖6所示。通過提取數(shù)據(jù)庫中水文監(jiān)測站點每天定時傳輸?shù)牧髁繑?shù)據(jù)，對其整理制表并進行可視化表達，實現(xiàn)流域內流量變化實時查詢，方便管理部門及時處理突發(fā)水文情況。

圖6 流域實時流量變化信息查詢Fig.6 Real-time flow change information query of the river basin

2.2 博斯騰湖流域生態(tài)基流與基本生態(tài)環(huán)境需水量計算

河流生態(tài)基流是指為了防止河道水體斷流，維持河流水體生存所應具有的最小流量[16]。為防止流域斷流、萎縮，同時提高對河流兩岸荒漠植被的保護能力，系統(tǒng)在流域生態(tài)流量模塊中，利用相關算法和流域水文數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生態(tài)基流和需水量計算預警功能。

開都河以天山山脈自然來水為主要補給，大山口水文站為出山口站，選擇Tennant法、年型劃分法、最枯月平均流量多年平均值法和90%保證率法對大山口水文站年內平均生態(tài)基流和對應的基本生態(tài)環(huán)境需水量進行計算[17-18]，結果如表1所示。與大山口至博斯騰湖河段2000—2018年最大河損值10.06億m3相比，大山口水文站按照Tennant法估算的年內平均生態(tài)基流對應的基本生態(tài)環(huán)境需水量在無區(qū)間引水的情況下，難以滿足最大河損需求，生態(tài)基流對應的基本生態(tài)環(huán)境需水量偏低，特定情況下無法保證大山口至博斯騰湖不斷流；而采取年型劃分法、最枯月平均流量多年平均值法估算，相比最大河損值基本生態(tài)環(huán)境需水量偏大，保證率受到限制，故最終選定90%保證率法的估算結果作為開都河大山口控制斷面目標值。

表1 大山口水文站年內平均生態(tài)基流和基本生態(tài)環(huán)境需水量Table 1 Annual average ecological baseflow and basic ecological environment water demand of Dashankou hydrological station

另外，根據(jù)陳亞寧等[1]得到的博斯騰湖水位適宜范圍，對于出入流受人為控制的孔雀河河段，Tennant法的計算結果符合其上游未斷流區(qū)域中塔什店水文站生態(tài)基流及需水標準。因此，將90%保證率法、Tennant法編譯到系統(tǒng)當中，設計了“流域適宜生態(tài)流量及水位計算”功能，如圖7所示。在此功能中系統(tǒng)可自動調取相應算法以及數(shù)據(jù)計算河流生態(tài)基流與對應的基本生態(tài)環(huán)境需水量，同時在圖7所示界面中，用戶可以輸入當月實際生態(tài)流量及水位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會對比輸入值與自動計算出的該月生態(tài)流量及水位指標之間差異，實現(xiàn)輔助決策和一定的預警功能。

圖7 流域適宜生態(tài)流量及水位計算Fig.7 Calculation of river basin suitable ecological flow and water level

2.3 博斯騰湖流域生態(tài)輸水模擬

自2000年以來博斯騰湖流域下游的孔雀河地區(qū)經濟快速發(fā)展，但作為整個流域的水資源耗散區(qū)，在人工綠洲面積不斷擴大，人們生活水平大幅度提升的同時，河流綠洲外圍荒漠化加劇發(fā)展，斷流河道植物大面積死亡，生態(tài)問題日益凸顯。對此，系統(tǒng)以整個孔雀河流域生態(tài)需水量為保證水量，模擬孔雀河生態(tài)輸水。

根據(jù)社會環(huán)境數(shù)據(jù)，在綜合考慮輸水水源、輸水路線距離、輸水沿途可能的損耗和各引水樞紐實施生態(tài)輸水的可行性并兼顧流域水資源時空差異等要素后，確定向孔雀河生態(tài)輸水模擬采用多渠道、多水源、多路線分段協(xié)同實施的方案，并基于博斯騰湖豐、平、枯水年不同水位情況，以保證基本生態(tài)環(huán)境需水量為標準，對孔雀河流域生產生活用水量、不同保護目標的生態(tài)需水量進行調整，再進行輸水方案的水量平衡計算，結果如圖8所示。輸水分東線、中線和西線三線分段實施，西線從博斯騰湖調水沿孔雀河河道經第三分水樞紐、普惠水庫至阿恰樞紐，這一路線輸水以中線為輔助路線加快輸水進程；輸水時間為灌區(qū)用水高峰結束初期的夏末秋初，河道、渠系尚未干涸之前。東線從博斯騰湖調水經第一分水樞紐、西尼爾水庫沿東干渠至66分水閘，直接向孔雀河下游輸水；輸水時間可在8月下旬至9月，胡楊落種和非農業(yè)用水高峰期。由系統(tǒng)計算的孔雀河生態(tài)輸水水量平衡結果可知，當博斯騰湖水位高于 1 046 m時，調水基本可滿足孔雀河不同情況下的生態(tài)需水量，而湖泊水位在1 045 m左右時，由于在枯水年實際調配出湖水量無法滿足孔雀河最低生態(tài)環(huán)境需水標準，可根據(jù)塔里木河上游來水量的大小改變向孔雀河調水的水源區(qū)，實行“引塔濟孔”方案。

圖8 孔雀河生態(tài)輸水模擬Fig.8 Simulation of ecological water transportation in the Peacock River

3 結 語

博斯騰湖流域水資源管理決策支持系統(tǒng)根據(jù)目前流域水資源管理面臨的主要問題進行設計開發(fā)，由系統(tǒng)分析可知，該流域年來水量呈現(xiàn)增加趨勢，應加強水資源實時監(jiān)控力度，防止冰川消融拐點所帶來水資源量的不確定性變化。同時為防止河道斷流需維持河流基本生態(tài)流量，保證博斯騰湖生態(tài)水位，合理調配出入湖水量，系統(tǒng)功能基本達到輔助水資源管理決策的需求。隨著數(shù)據(jù)量及可利用的高科技手段的增加，需及時跟進水資源管理的需求分析，更新數(shù)據(jù)和系統(tǒng)，為變化環(huán)境下的博斯騰湖流域水資源管理提供技術支撐。