基于GIS的民勤绿洲水资源调度管理系统设计

李元红，卢树超，刘佳莉，程玉菲，李 莉，王军德

（甘肃省水利科学研究院，730000，兰州）

民勤绿洲位于甘肃省西部、河西走廊东段的石羊河流域下游，红崖山水库以北，隶属甘肃省武威市，东与北接内蒙古自治区阿拉善左旗、右旗；南邻武威市凉州区，西南毗连金昌；东西北三面被腾格里和巴丹吉林两大沙漠包围，是我国典型的荒漠绿洲之一，也是生态问题最为严重的地区。地势由西南向东北倾斜，海拔1 276～1468m，地面坡降0.5‰～0.9‰。根据农业区划，绿洲划分为坝区、泉山区和湖区，辖18个乡镇。

水资源的可持续利用是区域持续发展的关键，特别是在民勤等荒漠绿洲地区，水资源的开发利用与绿洲的演变发展显得更加密切相关。在水资源管理工作中需收集大量的水文地质资料，传统的信息管理方法在技术上越来越不适应现代水资源管理的需要。近年，随着计算机技术的迅速发展，管理信息系统概念日趋完善，功能日渐强大。目前流行的开发工具有 Visual Studio 2008、Visual Basic6.0、VisualC 6.0、Visual Fox-Pro6.0，以及具有强大的空间分析和计算功能的地理信息系统GIS(Geographic Information System)，GIS 技 术因其高效的空间数据、属性数据的维护能力及强大的检索查询与分析功能，为在水资源管理过程中获取信息和决策分析提供了有效的工作平台和可靠的技术支持。本研究以GIS技术为平台，以Visual Studio 2008为手段，开发民勤绿洲水资源调度管理系统，拟在民勤绿洲推广应用先进的水资源管理技术，提高水资源管理水平，促进水资源合理开发利用。

一、水资源调度管理系统设计

基于GIS的民勤绿洲水资源调度管理系统的目标分为宏观和微观两个层面。在宏观层面，绿洲水资源调度管理服务于绿洲的可持续发展，而绿洲可持续发展包括两个方面的内容，即生态环境良性运转和社会经济持续发展，因此水资源调度管理的宏观目标是实现绿洲生态环境保护和社会经济发展两大系统之间以及两大系统内部用水的协调，以绿洲水资源的可持续利用支撑和保障经济社会的可持续发展。

在微观层面，国务院批准实施的石羊河流域重点治理规划，已经为协调民勤绿洲经济社会用水和生态环境用水之间的关系提供了指导性意见，因此民勤绿洲水资源微观调度管理目标就是在指导性意见约束下，按照系统、公平、效率和可持续性原则，完成不同方案下各用水户之间的具体分配，以实现绿洲经济社会效益和生态环境效益的最大化。

1.模型框架

民勤绿洲水资源调度管理模型由5个子模块组成，其核心模型是水资源实时调度模型，另外还包括种植结构优化、需水预测、可供水量预测和结果评价4个预测子模块。该模型与利用FEFLOW5.4构建的地下水数值模拟模型耦合嵌套，通过地下水位模拟预测各方案在控制地下水位、改善生态方面的影响，评价方案的合理性，图1为民勤绿洲水资源调度管理模型结构。

2.模拟方法

水资源调度是在一个总控条件约束下的事前决策与事后修正的过程，是以绿洲水资源合理配置为控制基础，包括年和月的总量控制；通过逐时段预测水库的蒸发、渗漏损失以及调度过程中渠系的蒸发渗漏损失，并结合当前水利工程情况作出当时段的调度决策；根据新的来水信息、气象信息修正预报信息所带来的偏差，逐时段滚动修正，直到调度结束。

种植结构优化模型是利用多目标规划法对民勤绿洲种植结构进行针对目标的优化初选，将民勤绿洲划分为坝区、泉山区和湖区3个分区，在水资源有限的前提下选择社会效益、经济效益和生态效益最佳作为目标函数，在各分区的约束条件和总水量条件约束下，求解各区种植结构比例。经济指标选作物净效益来衡量，社会指标选用粮食产量来衡量，而生态环境指标通常是定性描述的。对农业生态系统要素进行生态功能价值估算，即生态效益定量化，这是目前生态环境研究的难点和前沿课题。本研究采用层次分析法（AHP）将生态效益量化，即单位面积种植不同作物对生态环境影响的重要性定量化。

图1 民勤绿洲水资源调度管理模型结构

需水预测是在种植结构优化的基础上采用指标分析法预测农业、工业、生活和生态需水。根据用水量的主要影响因素变化趋势确定相应的用水指标及用水定额，然后根据用水定额和长期服务人口 （或工业产值等）计算出远期的需水量。对各部门的用水影响因素（如人口、工业产值、农业产值等）及用水定额进行预测，再分别预测各部门的需水量，各部门需水量之和即为总需水量。

供水预测是以上游水文站长系列径流资料为基础，结合石羊河重点治理规划向民勤放水的相关规定，分析计算不同频率入库水量过程线。利用红崖山水库面积—库容曲线和渗漏系数，分别计算水库水面蒸发和渗漏损失，进而计算出水库可供水量过程曲线。

结果评价模块是以计算单元为对象进行逐时段供需平衡模拟计算，并将水资源调度结果与地下水数值模拟模型嵌套，分析不同方案下水资源调度对地下水水位的影响，综合评价调度方案的经济社会效果及环境影响，最终提出以计算单元为单位的水资源调度管理方案。

系统开发在Windows XP操作系统下，以Visual Studio 2008为主要开发软件，以Arcinfo为图形处理软件。

二、系统开发成果

1.基于GIS的信息管理系统

基于GIS的信息管理系统分为灌溉信息管理系统和地下水信息管理系统两个子系统。它们是以向地下水管理模型和水资源调度管理模型提供基础数据为目标，在土地利用与水利工程现状调查基础上开发而成的，由文件、编辑、查询、统计分析、GIS专题图等二级菜单组成，每个二级菜单根据功能不同又分为若干个三级子菜单，可进行相关信息的查询、编辑、生成报表、数据转化、地图浏览、打印及专题图制作。

2.水资源调度系统

民勤绿洲水资源调度管理系统以水资源供需平衡模拟为核心，以预测各计算单元各行业不同时间尺度需水量和需水过程为依据，水资源系统中各种水源作为供水资源，已建和规划的水利工程为供水设施，通过水资源调度方案的优化选择，分析在不同方案下水资源供需平衡状况，得到各分区水资源配置方案的供需平衡结果。

3.地下水数值模拟系统

地下水数值模拟系统根据研究区具体水文地质条件和实际需要可建立相应的数值模型，模拟具有各种复杂边界条件的地下水水位问题。系统能够自动完成水文地质参数的反演计算，并实现任意指定时段的水位预报功能。同时可处理存在降水、地表水体入渗、越流时的建模问题。对于模型计算结果，系统提供了3D图形和文本查看方式，简便而且效果非常直观。

建立基于GIS的民勤绿洲水资源调度管理信息系统能为提高绿洲水资源效率，规范水资源管理，建立决策支持系统提供技术支撑，为科学开采和优化管理地下水资源提供科学的依据，对绿洲的工农业生产具有指导意义，同时也为类似缺水地区解决水资源问题提供了有益的参考。

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