闫骏霞　丛方杰

【摘 要】本文首先进行城市水资源管理决策支持系统总体框架的设计，基于B/S和C/S混和模式将系统分为基础资料管理、业务管理、合理配置、水质管理、用水合理性评价和信息发布六个子系统，建立了基础资料库、GIS数据库、模型方法库和知识库。研究了集成式的设计开发方法，将GIS组件技术以及其它工具软件的功能与系统的设计开发有效集成，可以缩短开发周期。

【关键词】城市；水资源配置；复杂适应；主体

0 引言

城市化进程的不断加快导致水资源供需矛盾日益突出，迫切需要加强城市水资源的科学管理。城市水资源管理涉及的内容十分广泛，需要收集和处理大量的水文地质、环境以及社会经济等多方面信息，而在复杂的信息中又需要及时提出合理的管理方案，因此，有必要设计和开发城市水资源管理决策支持系统，辅助城市水资源的日常管理和规划，实现水资源的集成规划和智能管理。

水资源管理涉及大量水资源信息，除具有时间性和动态性特点外，还具有空间分布的特点。目前，地理信息系统（GIS）已经成为水资源管理和决策的重要辅助工具，将GIS与传统的城市水资源管理决策支持系统结合已经成为目前水资源管理决策支持系统设计和开发的主流。

1 城市水资源管理决策支持系统的总体设计

1.1 系统的设计目标

城市水资源管理决策支持系统的主要目标是结合水资源管理迫切需要解决的问题，将GIS、数据库、网络通信、人工智能等现代计算机技术和水文水资源的专业模型相结合，实现水资源信息管理的数字化、GIS化、网络化，提高城市水资源的管理水平。系统应能实现城市水资源日常管理的办公自动化，可以对水资源的属性信息和空间信息进行有效管理；系统应能够应用GIS的空间分析等功能，结合城市的社会经济和环境等情况对供需水资源量进行预测、动态生成水资源配置方案、对方案进行智能优选，为水资源的科学管理提供技术支持服务。

1.2 系统的功能及子系统的设计

在需求分析的基础上，以实用性、先进性和可扩展性等为设计原则，将系统划分成基础资料管理、业务管理、合理配置管理、水质管理、用水合理性评价和信息发布六个子系统，系统的结构如图1所示。

1.2.1 基础资料管理子系统

基础资料管理子系统由降雨量管理、地表水管理和地下水管理三部分组成。降雨量管理实现降雨量数据的输入、查询、统计分析功能，具体包括统计分析降雨量及其变化趋势以及雨量站、降水量分布和降水量等值线等的图形化显示。地表水管理实现地表水资源相关数据的输入、查询、统计分析功能，具体包括统计计算径流量及其变化趋势以及河流水系分布、水库和水文站分布、径流量等值线等的图形化显示。地下水管理实现地下水资源相关数据的输入、查询、统计分析功能，具体包括统计分析地下水位变化趋势，进行地下水资源量的相关计算，观测井分布、地下水埋深等值线等的图形化显示等。

1.2.2 业务管理子系统

业务管理子系统包括供水调度管理、取水许可管理和水资源费征收管理三部分。供水调度管理实现对整个供水管网运行状态的管理，包括实时数据的采集、监测报警与分析、调度方案的生成等，另外，还实现水库水情等的实时水情的查询、供水需求平衡计算及统计报表的生成等功能。取水许可管理实现地表水和地下水取水许可业务的办公自动化以及地表水取水口、地下水开采井等空间信息的查询统计和分析。水资源费征收管理主要实现水资源费征收管理的办公自动化，包括对水资源费缴纳情况、单井开采量以及单位取水量等的统计分析。

1.2.3 合理配置子系统

合理配置子系统由需水预测管理、可供水量预测管理、优化配置及方案评价管理三部分组成。需水预测管理基于历史年份、现状年以及规划年的相关信息分别预测生活、工业、农业和生态环境需水量。可供水量预测管理将城市水源工程概化为蓄水、提水、地下水、中水、海水、外调水以及其它水源等，对城市在不同水平年、不同保证率情况下的可供水量进行预测。水资源优化配置及方案评价管理基于需水量预测和可供水量预测的结果，采用人机交互的方式进行水资源供需平衡分析，生成水资源配置情景方案，对配置方案进行综合评价，推荐在不同发展目标下的最优配置方案。

1.2.4 水质管理子系统

水质管理子系统由地表水水质管理和地下水水质管理两部分组成。地表水水质管理实现三个功能，一是，对水质监测数据进行管理；二是，进行排污口或污染源的空间查询与统计、缓冲区分析等；三是，对污染物在水中的扩散过程进行模拟和预测，并以专题图或空间分布图可视化表达污染物的扩散过程。地下水水质管理主要对城市地下水水质监测数据进行管理，包括水质监测数据的录入、修改和评价。另外，该部分还提供对地下水运动的模拟功能，对地下水开采进行辅助决策。

1.2.5 用水合理性评价子系统

用水合理性评价子系统采用人机交互的方式对城市水资源利用的合理性进行评价，包括评价指标体系管理、评价指标标准值管理、评价模型管理、评价结果显示与调控管理四部分。评价指标体系管理采用与决策者交互的方式建立用水合理性评价指标体系。评价指标标准值管理确定评价指标的评价等级划分及各等级的标准值。评价模型管理一方面为用户提供添加评价模型的接口，另一方面，为用户提供已有的评价模型列表，由决策者选择适当的评价模型进行用水合理性评价。评价结果显示与调控管理部分首先根据已有信息对用水合理性进行评价，然后与决策者交互，对关键指标进行调控，模拟在不同调控措施下的用水水平，为决策者制定水资源可持续利用的对策提供参考。

1.2.6 信息发布子系统

该部分基于广域网向公众发布与水资源管理相关的信息。主要包括三方面内容：一是，与水资源管理相关的政策、法律法规、技术规章等的发布；二是，水资源管理成果的发布；三是，基于GIS的专题地图查询。

1.3 数据库设计

城市水资源管理决策支持系统的数据库分成基础资料库、GIS数据库、模型方法库和知识库。

基础资料库存储水文地质、社会经济、业务管理、水资源开发利用等不与空间数据直接相关的数据。水文地质数据主要包括降雨、径流、地下水等；社会经济数据包括社会经济基本情况、工农业产值等；业务管理数据包括与供水管理、取水许可管理和水资源费征收有关的数据，如登记单位、取水水源等；水资源开发利用数据包括各行业用水数据以及水资源开发利用规划中各项数据等。

GIS数据库存储用GIS软件处理过的、可由GIS组件直接调用的数字化产品。主要包括全市的基础地理信息、水利要素分布信息等，如地形地质、地面高程、河流水系、观测井、水利工程、行政区划、降雨等数据。

模型方法库存储辅助决策所需的各种数学模型，这些模型均以源程序和可执行程序的形式存放，主要包括水量评价模型、水质评价模型、水资源预测模型、水资源多目标决策模型、配置方案评价模型和水流运动模拟模型等。

知识库存储主要包括与相关法律法规、专业知识以及其它各项有助于决策分析的基础资料。法律法规包括水法、城市供水管理办法等，专业知识包括水文地质和社会经济知识等，其它基础资料包括由专家经验得到的启发式知识等。

1.4 系统设计的相关问题研究

1.4.1 系统体系结构的设计

目前，常用的体系结构可以分为Client/Server（C/S）和Browser/Server（B/S）模式，其中C/S结构又可以分为两层C/S结构和三层C/S结构。两层C/S结构将应用程序分成客户端应用程序和数据库服务器，主要缺点是维护和升级成本较高。三层C/S结构将业务处理部分从数据库服务器和客户端独立出来，由应用服务器来完成，客户端完成显示和交互的工作，这样大大减轻了维护升级的复杂性。B/S结构是三层C/S结构在Web应用上的特例，将客户端简化为浏览器，主要缺点是客户端的数据操纵能力有限。在城市水资源管理决策支持系统中，基础资料管理、合理配置、水质管理和用水合理性评价子系统的用户相对比较固定，一般为局域网内的管理者，基本使用统一的操作系统，对数据的安全性和操作的交互性要求比较高，因此，上述四个子系统采用三层C/S结构；业务管理和信息发布子系统面向的是广域网内的用户，并且以浏览和简单录入等操作为主，因此采用B/S体系结构。

1.4.2 GIS开发模式的选择

目前GIS开发主要有三种模式：独立开发模式、宿主型二次开发模式以及基于组件技术的开发模式。

独立开发模式无须依赖任何GIS工具软件，所有的算法都由开发者独立设计，投资大、开发难度大、周期长，不适于一般的开发用户。宿主型二次开发模式是以原GIS软件为开发平台，开发针对不同应用对象的应用程序，其特点是简单易行，但不能脱离原系统单独运行，效率低。组件式GIS是指基于组件对象平台，以一组具有某种标准通信接口的、允许跨语言应用的组件提供的GIS。大多数GIS软件产商都提供商业化的GIS组件，这些组件具备GIS的基本功能，开发人员可以基于通用软件开发工具，如Delphi、Power Builder等，进行二次开发。组件式GIS的开发成本低，易于集成，已经成为GIS开发的主流方式。

对比GIS的三种开发模式，城市水资源管理决策支持系统宜采用组件式开发模式。业务管理和信息发布子系统的应用对象是广域网内的所有用户，可以通过Internet访问服务器进行水资源管理相关信息的综合查询，因此，采用Web GIS开发技术；基础数据管理、合理配置、用水合理性评价和水质管理子系统的应用对象是局域网内的管理者，可以将更适合局域网内开发的MapObjects、MapX等GIS组件嵌入到系统中进行二次开发。

1.4.3 集成式设计开发方式

城市水资源管理决策支持系统是一个具有复杂功能的大型软件系统，在设计开发过程中应尽可能地集成已有工具软件的功能，缩短开发周期。

以水资源合理配置管理子系统的设计开发为例，配置方案的生成涉及到大量的矩阵计算，如果直接在VB或VC等开发环境下编程实现，需要花费很大的精力进行程序的设计与调试。Matlab具有强大的数值分析、矩阵运算等功能，很容易实现配置方案的生成，因此可以将VB或VC等通用软件开发工具与Matlab有效地集成起来，首先，在Matlab环境下实现分析计算功能，然后借助ActiveX技术或动态链接库技术将其集成到VB或VC开发的应用程序中。这样可以将Matlab强大的计算功能和VB或VC等在图形用户界面开发方面的优势结合起来，优化系统性能。

2 小结

城市水资源管理决策支持系统的设计和开发有助于加速水资源合理开发利用和科学管理的进程。根据城市水资源管理的业务特点，将系统分为基础资料管理、业务管理、合理配置、水质管理、用水合理性评价和信息发布六个子系统，建立了基础资料库、GIS数据库、模型方法库和知识库。系统采用C/S与B/S混合的体系结构，其中业务管理和信息发布子系统采用B/S结构，其它子系统采用C/S体系结构。考虑到系统的庞大和复杂性，采用集成式的设计开发方式，将GIS和其它工具软件已有的功能嵌入到系统中，可以缩短开发周期。

[责任编辑：王楠]