流域模擬模型的發展思考論文

本文作者：劉海燕、劉曉民、魏加華、田坤、陳文磊 單位：清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室、內蒙古農業大學水利與土木建築工程學院、北京中水新華國際諮詢工程有限公司

國內外組件化流域集成技術的發展及存在問題

流域模型的組件根據模型的求解方式分爲3類,分別是前處理組件、計算引擎組件、後處理組件。其中,前處理組件爲模型的計算準備提供功能支援,後處理組件爲模型的計算結果分析提供功能支援,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採用了組件化方法,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的發展

國際上較爲知名的流域集成模型包括:丹麥水文研究所開發的MIKESHE和MIKEBASIN等系列軟件、美國農業部開發的SWAT模型以及在此基礎上發展出的多種集成模型、美國環保署開發的平臺式系統BASINS、美國地質調查局在MODFLOW基礎上發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BrighamYoung大學環境模型研究實驗室開發的專業水文模擬處理軟件WMS模型系統、英國Wallingford公司所研發的InfoWorksRS以及近年來發展起來的ParFlow等。下面主要介紹其中6種模型。

MIKEBASIN模型。MIKEBASIN是一個基於ArcGIS&reg的流域水資源規劃管理工具,在流域(區域)尺度基礎上,解決水量的優化配置、用水戶連接、水庫調度規則及水質模擬等問題的綜合性水資源數學模型軟件,分NAM(降雨徑流)和MIKEBA2SIN(水資源配置)兩個模組[11212]。MIKEBASIN採用COM/編程功能,提供二次開發及擴展空間,具有綜合性與可移植性的特點,通用性強,適於大、小流域和行政區域各種複雜條件水資源問題研究。該軟件基於GIS平臺,建模快速,數據前處理靈活,後處理以多種形式直觀表達,易於分析、統計等。

MIKESHE模型。作爲一個綜合性的水文模擬系統和進行大範圍陸地水循環研究的有力工具,MIKESHE側重地下水資源和地下水環境問題分析、規劃和管理。該模型軟件包含了模擬坡面漫流、非飽和流、溶質輸移、農業設施、總蒸發等數值模組。MIKESHE將水文循環的各物理過程分別獨立模型模擬,透過多模型之間的數據交換來模擬各水文循環過程。模型軟件採用組件式結構,將每一個子過程分別設計成一個軟件模組,每一模組僅執行一個子過程的計算。子模組可單獨使用,也可以根據需要進行耦合或者疊加。同時,MIKESHE模型軟件具有標準的OpenMI(OpenModelInterface,開放式模型接口)接口,爲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、通用性以及簡單操作性。但是,該軟件過於龐大和複雜,不易掌握和運用,尤其是整個安裝過程較爲複雜,良好使用對計算機性能的要求較高[14215]。

SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型。SWAT模型是一個具有物理機制的分佈式流域水文模型。該模型在Windows操作系統上利用VisualBasic並結合GRASS和ArcView進行開發,整合了ARS(AgriculturalResearchService)和SWRRB模型(SimulatorforWaterRe2sourcesinRuralBasins)的特徵,採用了先進的模組化設計思路[16217]。該模型模擬的各環節都有對應的子功能模組,模型執行採用命令行代碼結構來控制相關模組的調用,命令行的控制由一個包含命令和代碼的特定格式配置檔案完成。SWAT模型自問世以來得到了廣泛的認可,但是在集成調用的過程中存在如下問題[18219]。(1)SWAT模型採用與GIS軟件緊密集成的方式,模擬過程中的前處理(空間離散化、空間參數化)、執行及調試均以擴展模組方式在GIS環境下實現,因此如果需要將其作爲定量評價工具集成到特定的流域管理系統中,那麼就意味着同時需要集成整個GIS軟件系統,所以集成效率低且浪費資源。(2)由於SWAT模型的空間執行單元採用多層次組織,模型執行需要的基礎數據結構複雜,類型多樣,所以要想單獨開發模型執行的前處理模組,實現的難度較大。

InfoWorksRS模型。InfoWorksRS(河流系統軟件)主要用於河網及明渠等的水動力學模型計算。它前處理集成了兩種GIS組件,即MapInfo公司的MapX和Esri公司的Mapobject,爲用戶提供了直觀的圖形用戶介面。InfoWorksRS採用分佈式體系結構,既支援單用戶應用,也可支援工作組多用戶應用[20221]。該軟件在應用中對數據的數量和質量要求較高,相對於國內現在較爲滯後和不太規範的水文基礎數據庫而言,軟件在應用和推廣方面會受到一定的影響。

WMS(WatershedModelingSystem)模型。WMS(專業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於物理基礎的分佈式水文模型Gssha,能夠提供流域內水文所有過程的模擬。WMS並內嵌了完整的GIS工具,可以實現流域描繪和各種GIS功能分析[22]。目前該軟件已被引入國內,並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語言混編而成[23225]。該HEC-HMS模型具有模組化的結構,研究者可以依據所研究流域的情況,採用不同的產流和匯流方案進行分佈式、半分佈式或集總式模擬。組件化技術在國外研究的流域集成模型中已經得到了廣泛的應用,促進了國外的流域集成模型的發展。我國也引進了其中一些模型並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題,並不是完全適應我國的流域管理,在應用時,也需要對其進行改進以適應應用的環境。

2國內組件化流域集成技術的發展

在我國,一些集成模型/集成系統也應用了組件技術進行模型集成。雷曉輝等[26]開發了基於開源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,是一個低成本的分佈式水文模型軟件系統,整個平臺的開發語言包括:C++,C#,和Fortran等。該模擬模型採用模組化編程思想,集成多種產匯流計算方式,具有較強的可擴展性。陳秀萬等[27]採用面向對象的方法,基於UML、ATLCOM、ArcEngine、OpenGL等技術實現了一個基於動態響應單元的組件化分佈式水文模型系統)DRUMS(ADynamicalResponseUnitsbasedDistributedHydrologicalModelSys2tem)。DRUMS爲多尺度下水文模型庫系統的實現提供了一個開放的、可擴展的實現框架。該系統具有開放的接口,靈活的擴展性,在此基礎上可以構建不同的專業領域應用。禹雪中等[28]根據淮河流域洪水特徵和水系構成,分析了水文學與水力學模型在洪水過程、洪水要素和空間範圍方面的集成方式,採用了數據-模型-應用3層結構的總體集成框架,透過模型應用過程的模組化處理和數據有效交換,建立了集模擬、率定和預報功能於一體的綜合計算平臺。

黃河數學模擬系統V1.0採用基於的3層架構進行組織,同時考慮透過企業服務總線(ESB)等產品實現與J2EE等架構的有效集成,同時利用COM組件和設定公共接口,有效地耦合各類數學模型,實現數學模型與GIS的集成,基本解決了各類模型前後處理和可視化的問題。但是,目前的系統屬於單機軟件,對使用人員的專業技術水平要求較高[29]。夏潤亮[30]等在黃河數學模擬系統V1.0基礎上,基於ArcGISServer開發了分佈式數學模型公共後處理平臺,以Web服務方式耦合發佈各類圖層數據,可便捷地在線展示數學模型計算成果。同時利用VTK組件實現了數學模型計算結果的動態渲染,把複雜的數字表現形式轉化成爲便於領導決策的可視化動態表現形式,將傳統面向科研人員的單機數學模型後處理系統,轉向爲領導決策服務的網絡發佈平臺。周振紅等[31]將Fortran計算程序做成動態連結庫,採用組件化編程的方式解決數據傳輸與控制的問題,建立了基於組件的水力數值模擬可視化系統。水利部珠江水利科學研究院[32]研製了水資源實時監控管理系統基礎平臺(WaterWM),該平臺對水文產匯流模型、水量水質模擬模型等採用COM組件技術進行了模組封裝,可快速完成各種一維水量水質模擬分析計算。魏鋒等[33]採用C/S結構開發黃河小花間分佈式模型洪水預報系統,並使用COM組件技術進行模組化設計以及用戶介面和業務邏輯分離的開發策略,有效解決了不同語言混合編程的問題。文獻[34237]應用組件和WebService技術及面向服務的體系結構(SOA)對模組進行封裝併發布服務,形成洪水預報模型組件庫,其組件化過程見圖1。

首先,根據洪水預報模型的計算過程進行組件化拆分;然後,運用組件技術、WebService技術、面向服務的體系結構等組件封裝技術將劃分好的模組封裝洪水預報模型組件;第三,對封裝後的組件存入組件庫,用戶定製組件庫中的組件並將其在可視化介面中搭建洪水預報模型;最後對系統進行構建。

從上述文獻中可以看出,模型組件化後需將這些組件集成在一起,爲將這些模型更好地集成,2005年歐洲的Open2MI系統提出了開放式模型接口(OpenModelInterface)和模型組件(ModelComponent)的概念。在這個標準框架下的各種軟件之間有共同的接口協議。因此在這個標準的平臺上,各種模型可以以組件形式相互耦合組成一個模型系統,可以多方位考察整個流域的模擬問題[38]。目前,全球數十家水環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,成爲OpenMI相容軟件[39242]。但是,OpenMI標準需要徹底改變數學模型的計算和邏輯過程,對原模型改動很大,而且需要模型開發者熟悉C#編程語言,使用起來很不方便。另外,OpenMI的各模型組件間透過請求數據形成一種/鏈式0計算過程,在某一時刻只有一個模型組件在計算,不符合計算機發展要求模型計算並行化的趨勢。郭延祥[43244]等針對OpenMI存在的問題,設計了一套將普通模型變爲模型組件方法,該方法不受模型的網格劃分方法、模擬對象、模型開發語言和操作系統的限制;僅在原模型的時間循環中插入過程函數即可,對原模型改動很小;便於實現分佈式計算和並行計算。該模型方法爲透過組合簡單模型來模擬複雜問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題

(1)通用性與靈活性較差,普適性有待提高。由於缺乏從軟件工程的角度進行系統架構設計致使模型集成系統的可擴展性與開發效率都較低,同時,我國早期的涉水模型大部分是針對一個功能模組對應一個或者有限個用戶,也使得在全國範圍內對同一問題進行着低水平的重複開發,模型有很多,但是普適性有待提高。

(2)不同來源的相容數學模型相容性較差,組件化程度不夠,模型接口不開放,模型平臺標準化不足。

(3)大多數模型採用Fortran語言編寫,採取面向過程的結構化編程,將一個大的計算任務分解成一系列子任務,每個子任務又由很多的子程序和函數組成,這種模型的模型程序缺點較多,如代碼管理不方便、複用性差、系統圖形化用戶介面(GUI)程度低等。

(4)模型主要面向科學研究,並非針對具體的流域管理進行設計,很難直接應用於流域管理業務中。

(5)開發出的模擬模型的表達與求解複雜性以及模型參數的設定和率定的困難性,對於非專業人員是難以逾越的障礙,這在一定程度上制約了數學模型的發展與應用不適合非專業人員使用。

(6)流域模擬模型集成系統日益注重與GIS進行集成,各類遙感觀測爲模型系統提供了高分辨率輸入,但是現有模型大多數沒有使用遙感數據以及進一步同化遙感數據,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製比較落後。因此,針對上述問題,研究使用方便,具有通用性、可擴展性、實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研究展望

流域模擬模型集成系統是一項高難度的複雜系統工程,研究內容涉及面廣,總體上還不成熟。以雲計算、Web210爲標誌的第三次資訊技術浪潮的到來爲研究具有實用性和通用性的水利數學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研究現狀和存在的主要問題,需要深入研究的重點包括以下幾個方面。

(1)將各種數學模型開發成易於集成的標準組件既是發展的趨勢,也是當今數學模型應用開發的一個重要任務。研究各類模型的資訊交互、傳輸方式、集成結構、參數管理、協同調用、輸出結果等內容,將模型組件化並建立流域模型組件庫,集成化軟件組件的公共開放環境。透過標準數據接口整合各類異構模型組件,以開放式建模接口標準和通用組件架構模式,搭建開放、開源的模擬平臺,使預報結果更加豐富。

(2)隨着雲計算、Web2.0的發展,研究不同要素、不同過程模型在雲中集成所涉及的技術難點和模型結構、數據接口等具體問題,構建基於雲計算模式的流域模擬模型平臺成爲水利數學模型平臺開發的最新趨勢。

(3)流域模擬模型平臺化是流域模型與資訊技術相結合的產物。設計程序結構靈活,利於擴充和相容性模型應用平臺化已成爲趨勢。目前,國外的流域模擬模型平臺居於領先地位。爲解決我國模型平臺低水平重複開發問題,應該認真研究國外優秀平臺,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、前後處理方法,並抽象出模型系統的共性點形成技術開發規範,在技術傳承積累的基礎上漸次推進我國流域模擬模型的發展[47]。