全 文 ：流域管理决策支持系统研究进展*
曹摇 宇**摇 颜摇 晶
(浙江大学土地管理系, 杭州 310029)
摘摇 要摇 流域管理决策支持系统是为帮助流域管理者实现水资源优化配置而研发的智能系
统,其模拟结果直接影响流域管理的科学性和实用性.本文从水量模拟和调配系统、水质监测
和评价系统、流域综合管理系统三方面总结了国内外的相关研究,并分析了现存系统的特点
和存在的问题,同时简要介绍 AQUA鄄Tool、Elbe鄄DSS、HD 等代表性系统的模型结构和发展现
状.模拟结果精确稳定、工作流程简洁、用户可视化程度高是流域管理决策支持系统的研发重
点,优化方案选择模型和三维可视化工具、研发跨流域综合管理系统、提高利益相关者的参与
度是未来该领域的发展方向.
关键词摇 流域管理摇 决策支持系统摇 情景模拟摇 用户参与
文章编号摇 1001-9332(2012)07-2007-08摇 中图分类号摇 TV213. 9摇 文献标识码摇 A
Decision support system for watershed management: A review. CAO Yu, YAN Jing (Depart鄄
ment of Land Management, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2012,23(7): 2007-2014.
Abstract: Watershed management decision support system (DSS) is an intellectual system devel鄄
oped for the optimal allocation of water resources by watershed managers, and the simulation results
of the system can directly affect the scientificity and practicability of watershed management. This
paper summarized the related researches from the aspects of water quantity simulation and deploy鄄
ment systems, water quality monitoring and evaluation systems, and integrated watershed manage鄄
ment systems. The main features and problems in existing DSS were analyzed, and the model struc鄄
ture and development status of the representative systems such as AQUA鄄Tool, Elbe鄄DSS, and HD
were introduced. It was suggested that the accuracy and stability of simulated results, the succinct鄄
ness of working process, and the high degree of user visualization would be the focuses in develo鄄
ping the DSS in the future, and the optimization of program鄄selecting models and 3D visualization
tools, the research and development of inter鄄basin integrated management DSS, and the improve鄄
ment of stakeholder participation would be the development trend for the future watershed manage鄄
ment DSS.
Key words: watershed management; decision support system; scenario simulation; stakeholder
participation.
*国家自然科学基金项目(30700098)、浙江省自然科学基金项目
(Y507207)和中央高校基本科研业务费专项资助.
**通讯作者. E鄄mail: caoyu@ zju. edu. cn
2011鄄09鄄19 收稿,2012鄄04鄄21 接受.
摇 摇 水是人类生存和发展的物质基础. 随着经济发
展和人口增长,过度开发地下水和水体污染等原因
导致的水资源短缺已成为困扰各国的难题. 河流作
为最主要的水资源载体,对各国和各地区人们的生
存起着至关重要的作用,因而实现流域水资源的合
理利用和科学管理是区域可持续发展的关键. 流域
管理的目标是保护和改善水体质量并且实现水资源
的可持续利用[1] . 随着对水利用问题认识的深入,
流域管理目标已经从传统的疏浚通航、洪水治理、生
态保护、水产养殖等单目标管理发展到目前强调生
态、经济、社会综合功能的多目标可持续流域管
理[2] .具体来说,流域综合管理既要满足不断增长
的社会经济发展要求,又要持续保护河流生态和景
观;既要统筹兼顾水质、自然保护、生态、防洪、航运、
工业、矿业、农业和旅游业等,又要公正协调不同利
益集团的要求[3] .
由于流域生态环境的复杂性、多尺度性和多目
标性,决策支持系统作为高性能的模拟和可视化工
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 7 月摇 第 23 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2012,23(7): 2007-2014
具,在帮助流域管理者确定管理目标、设计管理方
案、综合评价流域状况等方面具有不可替代的作
用[4] .为了应对日趋复杂的流域管理问题,各国都
积极研发适合本国的决策支持系统,并已在水资源
系统规划、设计和管理中得到了成功应用.国外特别
是欧洲国家开展此类工作较早,已成功研制出多个
较成熟的流域管理决策支持系统,如 AQUA鄄Tool、
MIKE鄄BASIN、MULIN、RIBASIM、WEAP 等,取得了
巨大的社会经济效益.中国在 20 世纪 90 年代末开
始此类系统的研发工作,虽然在黄河和黑河流域取
得了一定成果,但由于专家知识和研究范围的局限
性,至今未形成一个适用于全国的、以跨流域水资源
优化配置为核心的决策支持系统,且基于水质水量
实时监测信息的决策支持系统尚处于尝试阶段[5],
并未在特定流域实际运行.
流域管理决策支持系统作为决策支持系统的重
要分支,其概念框架及模型的研发、校准和耦合对于
其他决策支持系统特别是环境管理决策支持系统具
有重要的借鉴意义,它对数据模拟的准确性和用户
界面友好化的要求符合当今所有决策支持系统的发
展趋势.因而,流域管理决策支持系统的研究进展在
很大程度上能够反映决策支持系统的整体发展情
况,而且能够为相关决策支持系统在生态学和地理
学上的应用提供研究经验. 流域管理决策支持系统
在帮助管理者制定适宜的政策、处理水权纠纷、实现
河流数字化、跨流域生态系统保护[6]等领域具有不
可替代的作用,虽然已经经过了近 30 年的发展,但
在模型构建、用户参与、效果反馈等方面仍存在很多
不足,而且多目标可持续发展规划管理决策系统研
究在我国也是刚刚起步[7] .本文对现存的流域管理
决策支持系统进行系统归纳和分析,总结其优缺点,
并探讨了未来的发展趋势,以期为国内外相关系统
的研究提供必要的理论支持和技术参考.
1摇 流域管理决策支持系统
决策支持系统(decision support system,DSS)的
概念最早于 20 世纪 70 年代初被提出[8] . 它面对半
结构化的决策问题,以管理科学、计算机科学、行为
科学和控制论为基础,以计算机技术、人工智能技
术、经济数学方法和信息技术为手段,是一种支持
中、高级决策者决策活动的人机系统[9] . 它能为决
策者迅速而准确地提供决策需要的数据、信息和背
景资料,可帮助决策者明确目标、建立和修改模型、
提供备选方案、评价和优选各种方案、通过人机对话
进行分析、比较和判断,从而为正确决策提供有利支
持[10] .
在流域管理方面,大多数决策支持系统通过地
理信息系统收集数据,并且能够以方案预算和模型
耦合为基础,对不同管理方案产生的水文、生态和经
济后果进行跨学科的多标准分析[11] .它通过对流域
(包括地表水、地下水、水量、水环境、取排水等)的
动态监测、数据采集、实时传输和信息存储管理,结
合特定流域的社会、经济、人口、环境等因素和生活、
工农业等对水资源的需求,实现对流域水资源的远
程调配控制和智能管理,以支持流域水资源日常管
理办公自动化[12] .流域管理决策系统的构建一般包
括以下基本结构: 1)主菜单程序; 2)地理信息系
统; 3)数据库管理系统; 4)模拟模型、最优化模型、
专家系统模型等; 5)一套前处理和后处理程序; 6)
一套效用函数[13] .系统功能主要包括描述、评估、预
测和优化等,可以给水资源管理相关部门和领导提
供直观具体的专家咨询和决策支持[14] .
根据管理目标的侧重点和系统结构特点,流域
管理决策支持系统可以分为水量调度系统、水质控
制系统和综合管理系统三大类. 前两类是专门针对
地区缺水或污染的特殊水文状况设计的决策系统,
模型结构单一,模块功能简单,主要从地表水和地下
水两方面对水量、水质进行监测和预案设计,在涉及
较少利益主体的小流域有很好的运用. 综合管理系
统一般包括水量调度子系统和水质控制子系统,它
是在耦合水量和水质模型的基础上,加入规划评估、
事务管理、实施监督等模块(图 1),从供水、治污、交
易、立法等方面对流域管理的程度进行深化,使决策
过程科学化.它往往由前两种系统经过改进发展而
来,根据特定的研究目标增加相应的子系统,适合解
决跨流域的水管理问题.
2摇 国外流域管理决策支持系统研究进展
国外关于流域管理决策支持系统的研究起步较
早,20 世纪 90 年代初期就已设计完成部分具有一
定功能的系统,主要集中在水质分析、水量调配与规
划、灌区系统引水等方面.特别是 2000 年“欧洲水框
架指令冶(WFD) [15]颁布以后,流域管理决策支持系
统在欧洲进入蓬勃发展期,同时也积极推动了世界
其他国家如美国、墨西哥、印度等多国的系统研发工
作.现在流行的流域管理决策支持系统多采用驱动
力、 压 力、 状 况、 影 响、 响 应 概 念 模 型 框 架
(DPSIR) [16] ,通过指标计算对流域状态进行评估或
8002 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 1摇 流域综合管理决策支持系统结构框架
Fig. 1摇 Framework of integrated watershed management support system郾
通过政策方案模拟实现流域综合效益最大化.
2郾 1摇 水量预测与调度系统
水量预测与调度系统的核心组件是需水预测模
型和供水优化模型,其目标是充分利用有限的水资
源,发挥最大的社会、经济和生态效益. 有的系统专
门针对干旱、半干旱区,以实现节约用水政策规划,
寻求合理方案缓解地区缺水问题. 最具代表性的是
由意大利 Cagliari大学设计研发的WARGI系统[17],
它的特点是将优化模型和仿真模型进行耦合,通过
水文状况分析制定减轻地区干旱威胁的水管理政
策.该系统已在意大利撒丁岛地区成功运用,能够为
工农业和生活用水的有效分配提供重要指导. 另一
个代表性系统是 Gastelum 等[18]在 Conchos 流域设
计出的决策支持系统,它通过情景模拟从短期收益
和长期收益两方面对制度的合理性进行评判. 该系
统的优点是能够为涉及多国利益、多个参与主体的
流域调水问题的政策制定提供技术支持,实现跨流
域管理.此外,还有一些系统既适用于缺水地区又能
在水量相对丰富的地区运用,如 REALM[19]是由澳
大利亚学者设计的水量调配模拟系统,它的适用范
围广泛,能够处理不同水文条件下的水资源供应问
题,其优点是能以图形输出的方式对调度方案带来
的效果进行直观分析和比较,操作简便.
2郾 2摇 水质监测和控制系统
水质监测和控制系统主要用于工农业发展迅速
的河段和湖泊地区,目标是规范人们的用地行为,制
定恰当的污染治理措施,以维持水环境生态平衡.
Berkemer等[20]开发的 ORVAN 是早期用于水质评
估的决策支持系统,它与同期的系统相比,模块设计
和用户操作相对简单,核心数据的模拟准确性较高,
可以进行不同情景下的河流水质变化模拟,但也存
在情景呈现和多标准数据融合能力不强的缺点.
River Life DSS是芬兰为了加强水污染控制而研发
的系统,它包括一系列模拟工具和方法信息包,专门
用于描述不同土地使用方式产生的非点源污染,从
而对河流的生态和水文环境进行评价[21] . Catch
MODS是由澳大利亚的 Newham等[22]发展起来的用
于评估管理行为对水质影响的决策支持系统,它最
简单的模型输出是识别非点源污染的污染源地区,
并且可以制定控制污染、改善水质的成本鄄效益最优
化决策.该系统最大的特点是在开发过程中充分调
动利益相关者的积极性,由系统用户进行测试,根据
用户反馈对系统进行修正,从而最大程度满足用户
需求[23] .
2郾 3摇 流域综合管理系统
流域综合管理系统是该领域的发展趋势和研究
重点.各模型发展程度有很大不同,有些已经基本开
发完成,用户可以从网站上下载软件并获得源代码,
也可以通过用户指南对相应模块进行修正. 如由瑞
典 Stockholm环境研究所研究开发的WEAP系统[24]
是用以帮助决策者收集、处理水文信息的规划决策
工具,它依托 GIS 平台,通过预测水量供求关系、水
质分析评价和政策预案模拟实现水资源的合理化分
配.西班牙水研究所开发的 AQUA鄄Tool[25]由流域仿
真、决策优化、水文状态实时监测、水质评价、水权交
易管理、污水处理等多个模块组成,在水量配置和水
质评价方面具有完善的功能[26],现主要用于干旱区
流域管理,对提高水资源利用效率、监测水文环境状
态、完善水权交易具有重要的实用价值[27] . RI鄄
BASIM[28]也是一个较成熟的决策支持系统,仿真效
果强、易于与其他专家决策支持系统耦合是其突出
特点,它能生成详细的水资源格局图,并且可以方便
90027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曹摇 宇等: 流域管理决策支持系统研究进展摇 摇 摇 摇 摇
地与 DELWAQ等专业水质模型进行连接,可以实现
河流水质变化的详细模拟.
除了发展较完善的流域综合管理系统,另有一
些系统仍处于发展阶段. 如由德国联邦水文学研究
所开发的 Elbe鄄DSS[29],其系统功能涵盖了水质、防
洪、漫滩生态和航运,同时考虑气候变化、农业政策
和人口变化等外部情景,可以评估流域管理效果并
且预测人类活动对 Elbe 河流及其漫滩的影响[30] .
它的成本鄄效益分析功能较完善,但在用户界面友好
化、系统适应性等方面有很大不足[11] .由 Volk等[31]
设计的 FLUMAGIS能够实现水文、生态和社会经济
状况综合评估,其最大的特点是具备 3D 可视化模
块,着重呈现土地利用变化对流域水资源状况的影
响.虽然它已具备强大的结果呈现和评价功能,但仍
存在模拟效果依赖使用者专业知识,水质监测数据
无法与实际定量目标相吻合等缺点[32] .
3摇 国内流域管理决策支持系统研究进展
从 20 世纪末开始,中国开始积极进行流域管理
决策支持系统的研究工作,研究地区集中在经济、社
会迅速发展的黄河、长江和辽河流域,以及生态环境
相对脆弱的黑河和塔里木河流域,研究内容主要是
水量调度、洪水防治以及水质的实时监测和治理.研
究初期以概念模型的提出和研究方法探讨为主,近
年来逐步转入对实际模型的开发和运用.
3郾 1摇 概念模型研究
张勤生等[33]阐述了黄河流域骨干工程决策支
持系统开发研究中所使用的建模方法,即先在系统
分析中建立系统的与或图,获得系统中各决策问题
求解序列、本原问题集合以及本原问题求解算法的
集合,然后将其与广义模型结合,采用零部件模型设
计技术建模.程春田和欧春平[34]认为,集成管理是
流域防洪调度决策支持系统的重要发展方向,应综
合运用Web、GIS、数据库、神经网络、模糊系统、基因
遗传算法与水文系统等多学科知识建立智能化和实
用化决策支持系统.段学军[35]提出流域可持续发展
决策支持系统 (VSDDSS)的开发雏形,它由数据查
询检索、辅助决策支持及图形管理 3 个基本模块组
成,具备信息处理和更新、方案评价、流域发展规划
及决策方案咨询等多种功能.刘志辉[36]结合干旱区
实际,阐述了一个集流域信息、数据库管理、实时监
测、水量预测、水库排沙调度、优化供水决策、系统在
线帮助等多功能为一体的流域供水管理决策支持系
统的开发设计思路.
3郾 2摇 应用系统开发
3郾 2郾 1 水量预测和调度系统摇 中国水量调度决策支
持系统建设主要集中在黄河流域,目的是为引流灌
溉、洪水防治、通航等提供决策支持.王煜等[37]进行
了黄河三门峡以下非汛期水量调度决策支持系统
(WRDDSS)的研发工作,运用面向对象技术和 GIS
空间可视化技术对黄河下游灌区在非汛期的引水方
案进行情景模拟[38],以解决引黄灌区水量分配问
题,这是中国在该领域的首次实践和成功运用.许迪
等[39]应用 SEDAM模型模拟黄河上游惠农引黄灌区
的灌溉需求与渠系输配水状况,利用节水多准则分
析方法评价农田与输水系统的改善方案. 李燕和李
满春[40]开发的黄河水量调度管理决策支持系统能
够实现水资源预测预报、需水监测分析、水量调度业
务处理和仿真、实况综合监视等功能,在运行中达到
了满意效果,值得进一步完善和推广.
在其他流域,中国学者对水量调度决策支持系
统的研发也取得了一定进展.魏加华等[41]设计的塔
里木河水量统一调度决策支持系统,具有来水预报、
需水预测、调度方案编制和调度总结等功能,其优点
能够适用于大型流域多水源、多用户复杂条件下的
水量调度,具有可操作性和普适性强的特点.盖迎春
和李新[42]借鉴 WMDSS的开发经验和框架结构,集
成 GIS、Internet等技术以及软件工程方法,研发了黑
河流域中游水资源管理决策支持系统———HD.该系
统将县际分水模型、省际调水模型、灌溉管理模型、
干旱指数模型等集成到水资源管理模型中,能够实
现河流来水预测和灌区分水调度,现已成功试运行
于黑河流域的中游清水河灌区、三清灌区、洪水河灌
区等,成为中国流域管理决策支持系统的杰出代表.
3郾 2郾 2 水质监测和控制系统摇 该系统主要通过对流
域范围水文过程和点源或非点源污染的模拟计算来
解决不同条件下的水管理问题[43] . 翟淑华和秦佩
瑛[44]建立了太湖流域河网水质管理决策支持系统
(TAIHU DSS),它将数据库、水质模型、污染负荷模
型、图形动态显示软件、案例分析工具等集合于一
体,优点是能够以图形方式对河网状况进行动态显
示,实时监测功能强. 张绍峰等[45]建立了黄河流域
水资源保护决策支持体系,该体系采用多层结构、组
件技术及 MIS与 GIS 相结合的开发模式,模型库主
要包括污染源评价与预测模型、水质评价与预测模
型和灰箱模型,是“数字黄河冶工程在水资源保护领
域的具体体现.杜鹏飞等[46]应用 GIS 技术实现农业
非点源污染模型的输入数据准备和输出结果分析功
0102 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
能,调用筛选模块生成较优的非点源污染控制技术
组合集,并以官厅水库崇礼县小流域为背景对系统
进行了评估和应用,但其对较大流域的运用效果仍
有待验证.高鹏飞等[47]针对松花江硝基苯水污染研
发了流域水污染应急决策支持系统的模型系统,其
优点是能够为突发水污染状况的决策提供定量化支
持,并可实时可视化地展现特征污染物的行为和影
响.韩龙等[48]将流域内水系数据、地形数据、土地利
用数据、社会经济及人口数据等进行融合,对深圳市
石岩水库流域进行实证研究,构建了石岩水库流域
管理决策支持系统,评价了旱季截污、产业结构调
整、雨季截流等单个及组合措施的水质改善效果.
3郾 2郾 3 流域综合管理系统 摇 近年来,中国学者在借
鉴国外相关研究的基础上,开始研发适应本国流域
水情的综合管理决策支持系统,在小流域运用较
多[49],且研究重点主要集中在水质水量实时监测、
跨流域水权交易、流域总体规划等方面. 2009 年,马
拥军[50]提出建设长江流域水资源管理决策支持系
统,包括水资源事务管理以及水资源配置和监督 2
个子系统.其中,取水许可管理系统和长江流域省际
边界河流地理信息系统已经开发完成并投入使用,
其他系统仍在研发或试用中. 这是迄今为止中国研
发的最完善的流域综合管理决策支持系统,对中国
其他流域的管理实践具有很强的指导意义. 由加拿
大学者和中国学者合作开发的 SMC鄄DSS[51],是一个
基于多准则情景分析的决策支持系统,现已在中国
海河流域试运行,最大的优点是善于解决涉及一些
冲突目标的管理问题,并且能灵活应对结果的不确
定性.此外,兰州交通大学设计开发了一个流域城市
行业和水资源交易平台,该系统由水质水量评估、流
域信息呈现、贸易信息分析、多级环境管理、法律法
规管理等多个子系统构成,通过对沿岸城市取水和
废水排放的直观观察,促进水权交易和利益相关者
的权益分配[52],它是实现中国水权交易定量化、合
法化、制度化的重要尝试.
4摇 国内外流域管理决策支持系统的评述和比较
各国都在积极开展流域管理决策支持系统的研
发工作,只是基于不同的立法框架和决策目标,系统
的特征有所差异.国外起步较早,已形成结构和功能
较完善的多个系统,并且在欧洲、北美洲和非洲等多
个流域有成功应用,以综合性的多功能决策支持系
统为主;研究范围有跨国、跨地区的大尺度,也有集
中分析某一河段的中小尺度,如 TRANSCAT DSS[53]
是在欧洲跨流域集水区内建立的决策选择系统,前
面提到的 Elbe鄄DSS则适用于不同的空间尺度;在模
型可得性方面,大多数系统都能在网上直接下载,用
户可以根据各自需求对模型进行调整和修正. 虽然
相关研究已经取得一定成绩,但大多数系统仍存在
模拟结果不稳定、运行速度慢、适用性差、用户界面
友好化程度低等缺陷.
中国开展相关研究的时间较晚,开发完成的系
统有限,只有部分进入试运行,大部分仍处于研发阶
段;偏重单一功能决策支持系统的设计,特别是为配
合中国“南水北调冶工程而开发出的水量调度系统
占据大部分,在流域水质监测方面尚有很大不足;流
域综合管理决策支持系统的研发工作相对滞后,还
未形成完善的政策选择和优化模型,在水价、水法、
水权领域缺乏相应的技术支持.近年来,中国注重对
国外流域管理系统的引进,如 Elbe鄄DSS、 Water
Ware、RIBASIM 等开始试运行,但因模型的假设前
提具有限制性[54],系统的调配尚未达到令人满意的
效果.
5摇 结摇 摇 语
通过比较可以看出,国内外流域管理决策支持
系统存在共同的发展趋势:在系统开发方面,注重与
网络技术结合,将单一的程序语言开发转变为更多
用户参与的开放式代码共享开发;与“3S冶技术结
合,依托遥感数据和 GIS 的空间分析功能实现模拟
效果的可视化呈现[55];在系统功能方面,进行水情
状况和生态环境的实时监测,注重信息处理和报告;
优化方案选择模型,追求模拟效果的准确性和稳定
性[56] .
成功的流域管理决策支持系统应在模型的耦
合、校准和验证方面具有高品质,系统功能完善且稳
定,能够准确应对复杂多变的流域管理问题. 此外,
系统的信息结构和工作流程组成方式应较简洁、可
视化程度应较高[57],使用户能够方便获取诸如流域
地理信息、调度方案、政策模拟报告等系统结果. 因
而,笔者认为该领域未来的研究方向可归纳为以下
几个方面:1)系统结构,以方案优化选择模型[58]和
三维可视化工具的理想组合为主,加强模型的集成、
校准、验证和不确定分析,同时注重简洁性和灵活
性,尽量避免复杂的结构或数据处理过程以及模型
连接路径;2)系统功能,使社会、经济和生态效益最
大化,从水质、水量、水权等多方面管理水资源,管理
范畴由中小尺度的河段或湖泊向跨国家、跨地区的
11027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曹摇 宇等: 流域管理决策支持系统研究进展摇 摇 摇 摇 摇
大尺度流域转变,实施跨流域综合规划和生态系统
管理[59];3)系统用户,鼓励用户参与研发过程,多部
门积极合作,在遵守相关立法框架、符合各项指令要
求的前提下,从管理目标出发,提升用户在模型校正
和效果检测过程中的参与度.
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作者简介 摇 曹 摇 宇,男,1976 年生,博士,副教授. 主要从事
景观生态学、土地利用与规划、生态系统综合评价、3S 技术
应用研究,发表论文 30 篇. E鄄mail: caoyu@ zju. edu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
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