松耦合模型驅(qū)動的流域水資源管理決策支持系統(tǒng)研究及應(yīng)用.pdf

1、流域水資源具有發(fā)電、供水、航運、灌溉、養(yǎng)殖等多種適用價值和功能,如何合理開發(fā)、利用、節(jié)約和保護水資源并防治水害是一個事關(guān)科學(xué)發(fā)展的全局性根本性問題,同時也是一個關(guān)系國計民生的戰(zhàn)略問題。我國水資源相當(dāng)貧乏,水問題異常突出,且隨著人類活動對水資源系統(tǒng)擾動程度的加深以及社會發(fā)展進程的高速推進,水資源的供需矛盾將更加嚴(yán)重,另一方面,近些年極端氣候事件頻發(fā)態(tài)勢進一步增加了流域水資源管理的復(fù)雜性與不確定性。如何在流域范圍內(nèi)以最少的水資源、資金和人力

2、的投入獲得最大的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益是當(dāng)前流域水資源管理的首要目標(biāo)。流域水資源系統(tǒng)是一個受諸多方面因素影響的復(fù)雜系統(tǒng),且流域水資源管理決策過程涉及社會、經(jīng)濟、水文、水動、水工和生態(tài)等多個領(lǐng)域,是一個典型半結(jié)構(gòu)化的多層次、多主體、多目標(biāo)決策問題,以信息管理系統(tǒng)為代表的傳統(tǒng)模式已無法適應(yīng)現(xiàn)代流域水資源管理的需求?；陬A(yù)報、分析、局部搜索、多目標(biāo)多屬性決策、最優(yōu)化、模擬、評估、知識、方法、數(shù)字化技術(shù)等多學(xué)科輔助決策運算單元(本文范疇內(nèi)

3、統(tǒng)稱為“模型”,Model)的決策支持系統(tǒng)將輔助流域水資源管理部門更好地開展水資源規(guī)劃管理工作,其中保證面向決策需求的動態(tài)適應(yīng)性與異質(zhì)包容性是決定此類決策支持系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本文首次提出了一種以模型為中心,以決策行為優(yōu)化環(huán)與決策技術(shù)優(yōu)化環(huán)雙層松耦合迭代優(yōu)化結(jié)構(gòu)為主要特點的決策支持系統(tǒng)建模與設(shè)計方法,定義它為松耦合模型驅(qū)動決策支持系統(tǒng)(Loose-couplingModel-drivenDecisionSupportSystem,簡稱LC

4、MD-DSS),并詳細闡述了其決策機理、體系架構(gòu)以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。近四年來,這一系統(tǒng)方法被成功應(yīng)用到包括國家973計劃項目應(yīng)用示范在內(nèi)的水資源管理實際工程應(yīng)用中,應(yīng)用效果表明LCMD-DSS具有良好的異質(zhì)包容性、動態(tài)適應(yīng)性與普適性推廣前景。另一方面,隨著相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)保護規(guī)范與模型應(yīng)用協(xié)議體系的完善,LCMD-DSS將極大地促進科研院所先進的流域水資源管理領(lǐng)域理論算法與實際工程實踐相結(jié)合的學(xué)-研-產(chǎn)新模式的高速發(fā)展,為科學(xué)地開展流域水資源

5、管理工作,實現(xiàn)“水資源可持續(xù)利用”國家戰(zhàn)略提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。本文的主要研究成果和創(chuàng)新點包括:
　　(1)針對流域水資源管理決策過程多層次、多主體、多目標(biāo)且半結(jié)構(gòu)化的特點,設(shè)計了基于雙層迭代優(yōu)化結(jié)構(gòu)的持續(xù)集成松耦合系統(tǒng)體系,明確了系統(tǒng)框架下各相關(guān)角色的作用與分工,探討了這一系統(tǒng)方法在流域水資源管理領(lǐng)域的決策機理,提出了松耦合模型驅(qū)動的流域水資源管理決策支持系統(tǒng)方法;
　　(2)針對LCMD-DSS系統(tǒng)集成所面對的海量多源

6、異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、網(wǎng)絡(luò)分布式開放模型集成與基于GIS動態(tài)生成交互平臺搭建等難題,綜合運用地球科學(xué)、信息科學(xué)、計算機科學(xué)、空間科學(xué)、通信科學(xué)、管理科學(xué)、經(jīng)濟人文科學(xué)等多學(xué)科理論和技術(shù)成果,結(jié)合數(shù)字工程方法克服傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的物理邊緣、技術(shù)邊緣、功能邊緣和邏輯思維邊緣,建立了流域水資源管理統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享平臺,研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)分布式模型驅(qū)動的水資源管理智能化開放式模型庫,設(shè)計并實現(xiàn)了基于WPF與GIS的動態(tài)生成交互平臺,為LCMD-DSS雙層迭代優(yōu)化機制提

7、供了核心技術(shù)支撐;
　　(3)針對流域水資源管理情景推演需求,綜合考慮不規(guī)則邊界和復(fù)雜地形的淺水流動數(shù)值計算問題,基于不規(guī)則三角形網(wǎng)格單元求解二維淺水方程的高精度Godunov型有限體積模型;研發(fā)了一系列用于數(shù)據(jù)分析與可視化轉(zhuǎn)換的普適性GP服務(wù),以模型的形式集成到系統(tǒng)開放式模型庫,實現(xiàn)了流域水資源管理情景推演的數(shù)值仿真及可視化模擬;
　　(4)以國家治水方針、水利部可持續(xù)利用治水新思路為指導(dǎo),以輔助水行政主管部門自上而下調(diào)度