彭 虹，王永桂，張萬順，趙琰鑫

（1.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430079）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，流域管理對數(shù)字化與科學(xué)化的需求越來越高。流域水生態(tài)模型開始逐漸被使用，其涵蓋流域社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境多方面，可反應(yīng)出流域內(nèi)人類活動對環(huán)境的脅迫，包括流域內(nèi)水循環(huán)、陸面和水體內(nèi)污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，但當(dāng)前模型輸入條件多元并復(fù)雜，且專業(yè)化要求高，結(jié)果可視化程度低，不便于推廣應(yīng)用。建立流域水生態(tài)環(huán)境模擬平臺，對流域水生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評價模擬預(yù)測與管理，目的是將現(xiàn)狀和各種規(guī)劃條件下流域環(huán)境狀況直觀、方便地表達(dá)出來，核心技術(shù)是實現(xiàn)流域模型與GIS功能的無縫鏈接。太湖流域水環(huán)境治理是我國環(huán)保重點整治區(qū)域，在管理防治上缺少專業(yè)化的數(shù)字平臺。針對太湖流域典型區(qū)域——滆湖流域的水生態(tài)環(huán)境特點，研發(fā)以水生態(tài)環(huán)境模擬模型為核心、服務(wù)于管理的數(shù)字水環(huán)境系統(tǒng)，不僅對滆湖流域進(jìn)行科學(xué)有效管理具有重要的意義，而且能為數(shù)字化流域環(huán)境管理的實施與推廣提供可行的技術(shù)方法。

GIS具有強大的空間分析與信息管理功能，已經(jīng)成為流域水文系統(tǒng)模擬研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。集成GIS技術(shù)和流域模型，是研發(fā)流域數(shù)字環(huán)境系統(tǒng)平臺的重要手段［1］。目前流域模型與GIS集成有嵌入型、連接型和混合編程3種方式［2］。（1）嵌入型包括流域模型嵌入GIS平臺或GIS功能模塊嵌入流域模型兩種方式。前者如美國ESRI公司把ARCStorm、ARCGrid、地下水Darcy水流模型和污染運移模型等嵌入ArcGIS平臺中，使ArcGIS平臺具有一定的流域模擬功能［3］。該方法能進(jìn)行一定的水文模擬分析，但是不具有針對性，功能也不夠強大。后者通過嵌入GIS組件，進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)輸入處理和模擬結(jié)果表達(dá)，有效提高了模型識別、驗證與應(yīng)用的效率。但是其空間分析能力有限，同時需要其它GIS軟件的支持，如TOPMODEL［4］，MIKE SHE［5］，Cas-2D［6］等。（2）連接型主要是通過GIS軟件本身提供的宏語言，通過二次開發(fā)將模型和GIS集成起來。如Bo Huang等［7］運用ARCVIEW宏語言Avenue，采用TOPMODEL開發(fā)出集成水文模擬模型和GIS功能的AVTOP模型系統(tǒng)。連接型以GIS軟件為支撐，能取得較好的模型初始輸入、數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換和結(jié)果表達(dá)的效果，但是需要購買GIS商業(yè)軟件，開發(fā)成本大、專業(yè)性要求高、更新速度慢。（3）混合編程是在同一個時空概念下，通過多種編程語言進(jìn)行底層開發(fā)，不依賴任何GIS商業(yè)軟件，建立以流域模型為核心，具有相應(yīng)的GIS功能、管理模型輸入和輸出數(shù)據(jù)的系統(tǒng)平臺。如葉愛中等［8］通過對水文水資源模擬系統(tǒng)集成研究，通過混合開發(fā)的模式，建立了應(yīng)用于黑河流域的DTVGM模型系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用多種語言混合編程，實現(xiàn)了GIS功能和水文水資源模型的無縫連接。基于此，本文選擇混合編程的方式開發(fā)滆湖流域水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)平臺。

2 流域水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)模型

在國家水體污染控制與治理科技重大專項，流域水環(huán)境系統(tǒng)分析與模擬技術(shù)研究子課題中，基于滆湖流域水生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)循環(huán)、能量循環(huán)、污染物運移、生物生長和流域內(nèi)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程，建立了“陸面單元-河網(wǎng)-湖泊嵌套”——水動力生態(tài)水質(zhì)耦合的綜合數(shù)值模型。該模型能夠?qū)韬饔蛩h(huán)境系統(tǒng)中主要的演化過程進(jìn)行模擬分析，反應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)壓力、水文變異等因素對水生態(tài)和水環(huán)境的影響，模型基本框架如圖1所示。

太湖流域水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)模型輸入包括滆湖流域127個計算單元、519個計算斷面和滆湖湖體的地理空間數(shù)據(jù)，還包括流域水文、水質(zhì)、水生態(tài)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和重要參數(shù)，輸入條件涉及8類30多項；模型輸出包括流域水文、水質(zhì)、水生態(tài)現(xiàn)狀與預(yù)測數(shù)據(jù)以及不同區(qū)域之間物質(zhì)與能量循環(huán)交換數(shù)據(jù)共120余項。

3 流域水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計 針對流域數(shù)字水環(huán)境系統(tǒng)功能需求，以太湖流域水生態(tài)環(huán)境模擬模型為核心，研究流域水環(huán)境系統(tǒng)多維信息描述關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)太湖流域典型區(qū)域虛擬環(huán)境構(gòu)建技術(shù)和基于GIS技術(shù)、空間仿真技術(shù)的流域水環(huán)境系統(tǒng)場景操作、瀏覽飛行、數(shù)據(jù)信息查詢管理和水生態(tài)環(huán)境信息可視化等功能模塊，實現(xiàn)流域水環(huán)境系統(tǒng)水動力水質(zhì)模擬和水環(huán)境系統(tǒng)模型模擬結(jié)果多功能多目標(biāo)展示。本系統(tǒng)在混合編程的開發(fā)模式下，選擇Visual Fortran語言進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，模擬流域水生態(tài)環(huán)境，并生成可執(zhí)行程序供系統(tǒng)平臺調(diào)用；同時，結(jié)合流域空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的特點，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在.Net框架下使用C#語言、借助開源GIS代碼（SharpMap等），根據(jù)模型運行條件和結(jié)果展示的需要構(gòu)建GIS可視化平臺界面，主要實現(xiàn)以下目標(biāo)：（1）系統(tǒng)采用人機(jī)交互的方式，界面美觀友好、信息查詢靈活方便；（2）數(shù)據(jù)存儲安全可靠、數(shù)據(jù)查詢具有結(jié)果統(tǒng)計功能、在空間數(shù)據(jù)瀏覽飛行的基礎(chǔ)上提供自定義瀏覽和多格式導(dǎo)出；（3）模型輸入簡單方便，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類分期管理，采用防錯機(jī)制防止數(shù)據(jù)錯輸、漏輸和誤刪；（4）長序列流域環(huán)境仿真模擬可視化，實現(xiàn)動態(tài)空間瀏覽分析和圖表統(tǒng)計分析。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 滆湖流域水環(huán)境系統(tǒng)平臺包括水環(huán)境系統(tǒng)模型庫、水環(huán)境系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、水環(huán)境系統(tǒng)可視化平臺3個部分；按層次劃分，主要分為4層，包括數(shù)據(jù)層、模型層，應(yīng)用層和系統(tǒng)接口層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次見圖2。

系統(tǒng)通過相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系以及最新的技術(shù)，能保證整個系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、有效的運行。在應(yīng)用層上，通過調(diào)用數(shù)據(jù)層內(nèi)的文件作為模型輸入條件以支持模型運行，并輸出模擬結(jié)果到數(shù)據(jù)層中，然后在應(yīng)用層進(jìn)行仿真表達(dá)；系統(tǒng)接口層包括面對公眾的接口、部門間的接口及預(yù)留其它待開發(fā)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。由于數(shù)據(jù)資料共享受限，本系統(tǒng)現(xiàn)階段僅設(shè)置系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的調(diào)用、更新和保存。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.3.1 數(shù)據(jù)庫分析 系統(tǒng)主體模型以鏈接可執(zhí)行程序的方式在后臺運行，讀取文本文件中的數(shù)據(jù)作為輸入，因此采用空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)管理?？紤]到數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜度高但同類型數(shù)據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)簡單的特點，系統(tǒng)采用Microsoft Access2007作為后臺數(shù)據(jù)庫，把數(shù)據(jù)分為生物、氣象、水文、地理、水質(zhì)5類進(jìn)行管理。運行時，平臺通過一轉(zhuǎn)換機(jī)制把Access中的數(shù)據(jù)讀入系統(tǒng)，并存儲為臨時的文本文件輸入模型，最后運行結(jié)果存入Access結(jié)果數(shù)據(jù)表中，并在平臺進(jìn)行可視化輸出。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計 本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)安全具有較強的要求，每個用戶只有在系統(tǒng)登錄模塊驗證后才能根據(jù)用戶權(quán)限對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)按類別的不同對所有模型條件輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，其中同樣類別的數(shù)據(jù)又根據(jù)它們所屬區(qū)域或者格式的不同進(jìn)行二次分類，對每一個不可再分的分類屬性建立關(guān)系圖表，圖表實體單元ID號為主鍵，分類屬性數(shù)據(jù)按時間作為字段存儲。模型結(jié)果數(shù)據(jù)按箱體、河網(wǎng)和湖泊分成3類，分時段輸出，每個時段的結(jié)果均建立一個關(guān)系圖表，圖表中實體單元ID號為主鍵，各指標(biāo)為屬性字段。如河網(wǎng)信息實體E_R圖如圖3所示。

3.3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成 數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)多要素耦合水生態(tài)環(huán)境模擬模型的控制、管理、模擬、仿真、利用、評估、可視化檢測的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成包括各項水資源環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型輸出結(jié)果的成果數(shù)據(jù)，建立包括空間數(shù)據(jù)庫、水資源及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫以及模擬結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

3.4 系統(tǒng)功能設(shè)計 根據(jù)滆湖流域水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)平臺的應(yīng)用領(lǐng)域、工程需求以及結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計系統(tǒng)功能模塊包括登陸模塊、主體功能模塊和退出模塊3部分。其中主體功能分為GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理與瀏覽、水生態(tài)環(huán)境模型調(diào)用和模型輸出結(jié)果的分析演示。具體功能圍繞水生態(tài)環(huán)境模擬模型，從面向用戶和數(shù)據(jù)的角度，簡化模型前期處理、瀏覽與管理模型數(shù)據(jù)以及模型輸出結(jié)果可視化上進(jìn)行設(shè)計，功能設(shè)計如圖4所示。

3.4.1 登陸模塊設(shè)計 系統(tǒng)登錄主要用于對進(jìn)入系統(tǒng)的用戶進(jìn)行安全性檢查，以防止非法用戶進(jìn)入系統(tǒng)或權(quán)限限制用戶更改模型參數(shù)和數(shù)據(jù)。對不同的權(quán)限用戶，在登入系統(tǒng)后，會相應(yīng)地顯示不同的界面和提供不同的功能。

3.4.2 主體功能模塊設(shè)計 系統(tǒng)主體功能面向數(shù)據(jù)和用戶進(jìn)行可視化處理，以模型為核心、以數(shù)據(jù)為支撐，在平臺界面上，提供了豐富的接口供用戶進(jìn)行有針對性的數(shù)據(jù)瀏覽、分析、管理、更新、輸出和查詢。

（1）數(shù)據(jù)管理和瀏覽。系統(tǒng)建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對以文本形式存在的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，具有數(shù)據(jù)批量裝載，數(shù)據(jù)查詢、輸出、計算、上報，空間瀏覽、分析及匯總和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)維護(hù)等主要功能。系統(tǒng)在提供基本的GIS數(shù)據(jù)展示功能（地圖瀏覽、縮放、漫游和量算等）的基礎(chǔ)上設(shè)置了由表到圖、由圖到表和由圖到圖的空間查詢功能以及空間數(shù)據(jù)輸出。用戶在地圖上點擊空間單元即可查詢到該單元的屬性數(shù)據(jù)并進(jìn)行地圖顯示樣式設(shè)置，同時可以的把數(shù)據(jù)輸出為常見的word或excel文件或者直接打印數(shù)據(jù)文件。

（2）面向模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與條件輸入。

（a）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于各個地方監(jiān)測手段不一樣，產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)也不同，存在數(shù)據(jù)格式的互異性，因此系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能。在平臺界面上，通過交互性操作選擇導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)即可把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模型需要的格式文件。針對監(jiān)測儀器生產(chǎn)數(shù)據(jù)格式的不同，設(shè)計了多種可供選擇的轉(zhuǎn)換機(jī)制把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模型輸入需要的格式。

（b）模型條件輸入。系統(tǒng)以讀取文件的形式把文件內(nèi)的各項條件和參數(shù)讀入模型，要求數(shù)據(jù)具有特定的格式和存儲路徑，這些格式和路徑是絕對的。系統(tǒng)將已轉(zhuǎn)換成預(yù)定格式的數(shù)據(jù)分成氣象、水文、水質(zhì)、灌溉施肥制度、作物生長、土壤性質(zhì)和常量共7類。用戶選擇模型條件輸入后，系統(tǒng)在各個選擇項上自動填充可以支撐模型運行的數(shù)據(jù)，然后引導(dǎo)用戶進(jìn)行有針對性的更改；在更改時，采用防錯機(jī)制，用戶必須按所需格式輸入數(shù)據(jù)完成更改。為了防止用戶因誤操作而破壞甚至刪除數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)安全機(jī)制，所有的分析更新操作都在原始數(shù)據(jù)的復(fù)制版上進(jìn)行。

（3）模擬成果分析演示。滆湖流域水生態(tài)環(huán)境模型成果演示包括湖泊的地形、流場、水位、水質(zhì)等8個指標(biāo)和河網(wǎng)不同河段水位、流量及污染物濃度等14個指標(biāo)以及箱體單元不同利用類型土地的降雨、蒸發(fā)、生物量和主要污染物的交換值以及分層土壤中溫度、含水量、水化等共計110項指標(biāo)的演示。系統(tǒng)在處理模型成果方面實現(xiàn)了屬性數(shù)據(jù)與GIS空間圖形的鏈接、具有時序動態(tài)效果，做到了多角度多功能的對流域環(huán)境過程進(jìn)行長期連續(xù)模擬預(yù)測的仿真演示。

（a）GIS仿真動態(tài)演示和空間查詢。GIS仿真動態(tài)演示克服了以往GIS系統(tǒng)在圖形演示分析上缺少時序性的缺點，以時間為軸，從模型計算起點開始，以顏色渲染的變化顯示箱體、河網(wǎng)和湖泊各屬性的長期連續(xù)變化過程。對于具有方向性的結(jié)果，除用顏色進(jìn)行渲染之外，還以矢量的長度和方向表示其大小和方向，如湖泊流場、河網(wǎng)水量、河網(wǎng)和湖泊的物質(zhì)能量交換等，如圖5所示。

在動態(tài)模擬中，通過屬性查詢工具在圖上點選該位置可得到值表；也可以通過統(tǒng)計查詢工具，得到該時刻上下3個時間點內(nèi)所選屬性項變化統(tǒng)計圖。圖5（a）是河網(wǎng)在運算結(jié)果第6天的流量情況，顏色表示其流量大小，而箭頭則表示該斷面處水流的方向，圖中可以看出該模擬時刻，箭頭所指區(qū)域，水流流向是自東向西，由北向南的。圖5（b）為湖泊在第2天流場的狀況，湖泊的湖底高程以顏色示出，從圖中可以看出，水流在滆湖中心形成一個環(huán)流。GIS動態(tài)仿真功能，實現(xiàn)了對同一區(qū)域內(nèi)結(jié)果數(shù)據(jù)的縱向比較，方便用戶對不同時期的結(jié)果值進(jìn)行對比分析。

針對流域內(nèi)特定屬性不同區(qū)域橫向比較的需要設(shè)計了GIS空間查詢，用戶選擇興趣點的結(jié)果，進(jìn)行GIS地圖渲染，通過不同區(qū)域顏色的不同進(jìn)行比較。為幫助用戶在地圖上通過顏色渲染進(jìn)行更精細(xì)的橫向?qū)Ρ?，提供用戶自定義分級功能。

（b）圖表演示。統(tǒng)計圖表演示包括有動態(tài)統(tǒng)計圖表和簡單的統(tǒng)計圖表生成功能。動態(tài)圖表指特定區(qū)域模擬成果以時間為X軸進(jìn)行動態(tài)生成。即演示一定區(qū)域某單項或者多項指標(biāo)在時間上的變化情況，該統(tǒng)計圖是隨時間的變化而漸進(jìn)地以脈動形式生成的，用戶可以控制統(tǒng)計圖演進(jìn)的速度和起止時間點。對生成的統(tǒng)計圖，可以對其樣式進(jìn)行多方面的更改，包括圖表標(biāo)題、X軸、坐標(biāo)值、圖例的位置和網(wǎng)格線等。簡單的統(tǒng)計圖則是在確定時間點的數(shù)據(jù)表上，用戶選擇感興趣的范圍，自定義生成餅狀、柱狀、線狀和散點形式的統(tǒng)計圖表。在自定義生成圖表的過程中，用戶可以根據(jù)所掌握的數(shù)據(jù)值范圍先對要生成圖標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查找，然后依據(jù)查詢到的數(shù)據(jù)生成自己想要的圖表類型，或者直接在數(shù)據(jù)表中選擇要生成圖表的項，生成對應(yīng)的圖表。

3.4.3 退出模塊設(shè)計 退出模式為了避免不必要的退出錯誤而設(shè)計，在退出系統(tǒng)前要求用戶進(jìn)一步確認(rèn)是否退出系統(tǒng)，如果用戶確定退出系統(tǒng)，則直接退出，否則系統(tǒng)最小化到托盤。如果選擇了不再提醒，則以后點擊退出按鈕后，不再彈出退出模式對話框，直接完成上一次選擇的操作。

4 結(jié)論

滆湖流域水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)平臺以水生態(tài)環(huán)境模擬模型為核心，構(gòu)建相應(yīng)的空間屬性數(shù)據(jù)庫和可視化平臺界面，采用混合編程的方式進(jìn)行開發(fā)，取得了以下成果。（1）系統(tǒng)建立了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換機(jī)制，為不同格式的原始數(shù)據(jù)提供了適用于模型輸入所需格式的轉(zhuǎn)換工具，降低了因模型特定的格式需求所帶來的數(shù)據(jù)處理難度；（2）系統(tǒng)面向數(shù)據(jù)和用戶，對模型輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類管理和界面化輸入處理，能有效地簡化模型條件輸入、防止錯誤輸入，保證了模型的正常穩(wěn)定運行；（3）系統(tǒng)在處理模型成果方面實現(xiàn)了屬性數(shù)據(jù)與GIS空間圖形的鏈接、具有時序動態(tài)效果，直觀地展現(xiàn)了流域水環(huán)境演變的長期連續(xù)變化過程，為流域生態(tài)管理、環(huán)境監(jiān)測以及污染防治提供服務(wù)；（4）自主設(shè)計的GIS功能節(jié)省了數(shù)字平臺開發(fā)成本，實現(xiàn)了GIS功能和流域模型的無縫鏈接；界面化的模型輸入與輸出對于流域模型的推廣應(yīng)用和流域水環(huán)境管理數(shù)字化和業(yè)務(wù)化具有重要的意義。

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