流域模拟模型集成系统的发展趋势.doc

流域模拟模型集成系统的发展趋势 ? 流域模拟模型集成系统的发展趋势 ? ?流域模拟模型是流域管理的重要工具，对识别流域过程，了解流域发展动态起到重要作用[1]。但是随着大量流域模型的为断开发和模型应用的深入，流域模型的规模不断增大，结构不断复杂，结果是模型的开发效率降低、运行速度变慢，也愈加适用于单一物理过程和简单区域的传统建模方式难以解决复杂大系统模拟问题[2]。 　　摘要：组件技术与计算机技术相结合能克服传统建模方式难以解决大规模系统模拟集成的缺陷，可有效促进流域模拟模型集成的发展。为此，从模型组件化的可移植性、灵活性、扩展性、与第三方软件集成等方面分析了组件技术在流域模型集成中的重要作用，分析了国内外组件式流域模拟模型集成技术的发展现状，进而提出国内流域模拟模型集成系统存在的问题。最后，从数字流域模型平台化、基于云计算模式的模型集成、模型应用的组件化等方面，探讨了流域模拟模型集成系统的发展趋势。 为解决上述问题，人们把几个不同的模型组合成一个有机整体，建立耦合模型，由此发挥各专业模型的优势，提高模型模拟和预报的精度，以解决复杂的问题，即所谓的模型集成[3-5]。与单一的专业模型相比，集成模型结构更为复杂，且由于引入了更多参数，模型参数率定变得更为困难[6]。不过近年来，随着计算机计算能力的提高，多媒体技术、图像处理技术、大型关系数据库技术、组件技术、GIS/GPS/3S技术、多语言混合编程技术等迅速发展，它们与计算机技术的结合为流域模拟模型集成技术的发展提供了新的机遇，对流域模拟模型的推广和应用具有重要意义[7]。 目前，流域模型集成技术主要集中在三方面：第一种是软件工程领域的基于组件的软件开发方法；第二种是决策支持系统领域的模型库系统；第三种是系统仿真领域的组合仿真理论[8]。本文主要分析基于组件的流域模拟模型集成技术的研究进展以及流域模拟模型的发展趋势。 流域模型集成系统的发展可概括为“水-土-气-生-人”集成模型的发展，应由分布式水文模型、陆面过程模型、地下水模型、渠系模型、动态植被模型和社会经济模型构成[9]。早期的模拟模型集成方法是通过修改各个模型的源代码来适应具体的应用环境，弊端是模型程序标准化存在一定困难、代码的重用率和开发效率低。尤其是当使用环境发生变化时，用户只有对每个模型的内部结构进行详细了解后，才能修改源代码以实现代码的复用。这些问题阻碍了模型集成系统的发展。随着组件技术的发展以及组件标准的完善，为解决上述问题的解决提供了契机。在流域集成模型系统中应用组件技术使得系统结构由粗放的源代码级开发向模块式、组件化方向发展。这将使软件系统更易局部更新，适用范围更广，灵活性更强，也使用户可以更加方便地将自己编制的模型程序嵌入进这类软件中[10]。组件化技术对集成系统模型的实现具有极大的意义，主要体现在以下几点。模型组件化具有很强的可移植性，因此对象或代码的复用变得很容易。 模型组件化不仅使系统具有较强的灵活性，也使得开发方式灵活，可以以工作组形式开发，也可以并行开发。 模型的组件化具有很好的扩展性，可以单独升级也可以随时对系统功能进行扩充，这是传统软件开发难以实现的。 模型组件化容易与前处理和后处理的第三方软件进行集成。 在问题流域模型的组件根据模型的求解方式分为3类，分别是前处理组件、计算引擎组件、后处理组件。其中，前处理组件为模型的计算准备提供功能支持，后处理组件为模型的计算结果分析提供功能支持，计算引擎组件是集成模型系统的核心。目前，国内外很多流域集成模型或者模型集成系统均采用了组件化方法，下面对国内外的典型流域集成模型/系统加以评述。 2.1国外组件化流域集成技术的发展 国际上较为知名的流域集成模型包括：丹麦水文研究所开发的MIKESHE和MIKEBASIN等系列软件、美国农业部开发的SWAT模型以及在此基础上发展出的多种集成模型、美国环保署开发的平台式系统BASINS、美国地质调查局在MODFLOW基础上发展的地表水与地下水耦合模型GSFLOW、美国水文工程中心的HEC-HMS模型、美国BrighamYoung大学环境模型研究实验室开发的专业水文模拟处理软件WMS模型系统、英国Wallingford公司所研发的InfoWorksRS以及近年来发展起来的ParFlow等。下面主要介绍其中6种模型。 2.1.1MIKEBASIN模型 MIKEBASIN是一个基于ArcGIS?的流域水资源规划管理工具，在流域尺度基础上，解决水量的优化配置、用水户连接、水库调度规则及水质模拟等问题的综合性水资源数学模型软件，分NAM和MIKEBASIN两个模块[11-12]。MIKEBASIN采用COM/.NET编程功能，提供