（水文学及水资源专业论文）面向网格服务的swat模型集成体系研究.pdf

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 朵施 日期：2 纠d 年多月l e 1 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被! 杏! 阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 录永刍 日期： o 年月j e 1 摘要 摘要 网格是新一代互联网技术，以资源全面共享和一体化管理为宗旨。近年来， 网格服务成为了网格环境中进行资源封装与整合的首选技术，在服务部署中利 用服务组合技术又实现了服务资源的进一步共享与集成。本文的研究实体 s w a t ( s o i la n dw a t e r a s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模型因研究领域和模拟精度的限制，在 实际应用中常采用多模型集成协作方式，但面临的瓶颈问题是单机环境下计算 力、存储空间不足和跨异构平台的水文数据的广适应性差等问题，本文就这些 问题。采用了网格计算技术作为构建s w a t 模型集成平台的关键技术，探索了 网格技术在水文研究领域的应用前景。主要研究成果有： ( 1 ) 通过深入研究s w a t 模型的运行机理和面向服务架构的关键技术，在 i b ms o a 分层服务模型基础上提出了s w a t 三维分层服务模型，将s w a t 模型 自身的特性融入到网格体系结构中； ( 2 ) 参考w e b 服务资源框架，在s w a t 三维分层服务模型的基础上，设 计了面向网格服务的s w a t 模型集成体系( g s o m i s ) ，并详细介绍了模型的 层次化体系结构和计算流程； ( 3 ) 在传统的服务组合技术服务链基础上，应用p e t r i 网展示了s w a t 水文模拟的业务流程逻辑关系，并利用b p e l 语言描述了水文服务组合模型的 语义关系； 最后，本文利用现有的实验条件，将上述研究成果应用到实践，建立了 p e r g r i d 原型系统，根据网格资源监测工具的测试结果分析评价了研究成果在大 规模水文计算中的实用价值。 关键字：网格网格服务s w a t 三维分层服务模型水文服务组合 a b s t r a c t a b s t r a c t g r i dc o m p u t a t i o ni san e wg e n e r a t i o no fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , w h i c hi n t e g r a t e s v a r i o u sd i s t r i b u t e da n dh e t e r o g e n e o u sr e s o u r c e si n t oa no r g a n i cw h o l e ，a n ds u p p l i e s u s e r sw i t han e wk i n do fc o m p u t i n gp l a t f o r mt or o u n d l ys h a rr e s o u r c e s r e c e n t l y , g r i ds e r v i c e i sh a v i n gb e e nt h ef i r s tt e c h n o l o g yo fp a c k a g i n ga n di n t e g r a t i n g r e s o u r c e so ni n t e r n e t i tc a np r o v i d ev i g o r o s oa n di n e r g r a t e db u s i n e s ss e r v i c e sa n d e n a b l ef u r t h e rs h a r i n gt h er e s o u r c e si nt h es e r v i c ed e p l o y m e n t e n v i r o n m e n t b e c o u s e o fr e s e a r c ha r e a sa n ds c a l e ，w h e nt h es o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt o o la c t u a l l yw o r k s w i t ho t h e rm o d e l s ，t h eb o t t l e n e c kp r o b l e m sa r et h ew i d ea d a p t a b i li t yo fh y d r o l o g i c a l d a t a sa c r o s st h eg i ss y s t e m sa n dr e u s a b i l i t yo fm o d e lc o m p o n e n t s t h et h e s i sw i l l b u i l das w a tc o m p o s i t i v es y s t e mb a s e do nt h eg r i ds e r v i c ea n ds e r v i c ec o m p o s i t i o n t e c h n o l o g yt or e s o l v et h e s ep r o b l e m s ，w h i c ha l s oe x p l o r e s t h ep r o s p e c t so fg r i d t e c h n o l o g yi nh y d r o l o g i c a la p p l i c a t i o n t h em a i nj o b sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f u r t h e rs t u d y i n gt h e m e c h a n i s mo fs w a ta n dt h ek e yt e c h n o l o g yo f s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，t h et h e s i sp r o p o s e st h es w a tt h r e e - d i m e n s i o n a l l a y e r e ds e r v i c em o d e lb a s e d o ni b ms o am o d e l ，w h i c hs y n c r e t i z e st h ec h a r a c t e r so f s w a ta n dg r i d ； ( 2 ) b a s e do nt h es w a tt h r e e d i m e n s i o n a l l a y e r e ds e r v i c em o d e la n dw e b s e r v i c e sr e s o u r c e sf r a m e ，t h et h e s i sd e s i g n st h ea r c h i t e c t u r eo ft h eg r i ds e r v i c e o r i e n t e dm o d e li n t e g r a t i o ns y s t e m ( g s o m i s ) ，a n dd e p i c t st h e c a l c u l a t i o n p r o c e s s e s o ft h em o d e l ； ( 3 ) r e f e r i n gt ot h et r a d i t i o n a lp o r t f o l i ot e c h n o l o g yo f s e r v i c e 争s e r v i c ec h a i n ， t h et h e s i su s e sp e t r ia n db p e lt od e p i c th y d r o l o g i c a ls e r v i c ec o m p o s i t i o nm o d e l ； f i n a l l y , t h e t h e s i s u s i n gt h ee x i s t i n ge x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sd e s i g n sa e x p e r i m e n t a lp la _ t f i o n n 一p e r g r i dw h i c hs u p p o r t sg s o m i s ，a n dt e s t st h es e r v i c e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：g r i d ，g r i ds e r v i c e s ，s w a t , t h r e e - d i m e n s i o n a ll a y e r e ds e r v i c em o d e l ， h y d r o l o g ys e r v i c e sp o r t f o l i o i i 目录 摘要i a b s t r a c t 目录i i i 1 绪论1 1 1 研究背景l 1 1 1 课题来源l 1 1 2 研究意义2 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 水文模型的发展及集成研究现状3 1 2 2s w a t 模型集成研究现状。4 1 3 目前存在的问题。6 1 4 主要研究内容6 1 5 论文结构及技术路线7 1 5 1 论文结构7 1 5 2 技术路线8 2s w a t 模型运行结构及集成技术研究9 2 1s w a t 模型的发展及结构分析9 2 1 1s w a t 模型的发展9 2 1 2sw ：f 盯模型的逻辑结构分析9 2 2s w a t 模型的运行结构分析1 0 2 2 1s w a t 模型的输入数据组织分析1 0 2 2 2s w a l 模型的配置文件结构分析1l 2 3s w a t 模型的集成技术分析16 i l i 目录 2 4 本章小结1 7 3 网格相关理论与支撑技术分析18 3 1 网格的含义1 8 3 2 网格体系结构的层次模型1 9 3 2 1 五层沙漏结构1 9 3 2 2 开放网格结构体系( o g s a ) 2 0 3 2 3w e b 服务资源框架2 l 3 3g l o b u st o o k i t4 0 2 2 3 4 本章小结2 3 4 面向网格服务的模型集成体系架构研究2 4 4 1 面向网格服务架构( s o a ) 。2 4 4 1 1s o a 的实现原理。2 4 4 1 2s o a 的架构分析2 4 4 2s w a t 的三维分层服务模型研究。2 6 4 2 1s w a t 模型的层次化结构研究2 6 4 2 2s w a t 的j 维分层服务模型研究2 7 4 3 面向网格服务的模型集成系统结构研究2 9 4 3 1 服务资源层3 0 4 3 2 网格服务层3 3 4 3 3 用户层。3 8 4 3 4 水文服务总线。3 8 4 4g s o m i s 的计算流程3 8 4 4 本章小结4 0 5 水文网格服务组合模型研究41 5 1 服务组合技术研究4 l 5 1 1 服务的定义4 l 5 1 2 服务组合关键技术研究。4 l i v 目录 5 2 水文服务组合模型逻辑流程分析4 3 5 2 1 四种基本服务组合规则建模。4 3 5 2 2 水文服务组合模型逻辑流程研究4 7 5 3 服务组合规范与服务组合关系映射5 0 5 3 1 四类组合关系的服务标准化。5 0 5 3 2 水文服务组合实例研究5 0 5 4 本章小结5 5 6g s o m i s 的实验原型系统5 6 6 1g s o m i s 实验平台的搭建5 6 6 2p e r g r i d 性能分析。5 7 6 3 本章小结6 l 7 结论与展望。6 2 7 1 结论6 2 7 2 展望6 2 参考文献6 4 个人简历6 8 致谢6 9 v 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 2 0 世纪5 0 年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。一方面，人类 对水资源的需求量以惊人的速度增长；另一方面，日益严重的水体污染蚕食着 大量可供利用的水资源，“水危机 在世界范围内爆发【i 】。水资源的紧缺问题使 人们日益关注流域的水文过程，而研究流域水文过程的重要技术手段就是建立 水文模型2 。通过模拟各类水文物理化学过程，水文模型不仅能用于径流模拟、 变化情况下的水文效应模拟等方面的研究，辅助洪水预报、灌区配水、区域水 资源规划管理等水利项目，在水土保持、环境管理、生态建设规划等领域也有 广阔的应用前景。水文学是一门实用科学，水文模型研究的科学问题主要源于 社会需求，因此构建水文模型的子过程在不断扩展，研究内容不断丰富1 3 】。 美国农业部( u s d a ) 农业研究中心研制开发的s w a t 模型是一个基于g i s 的分布式流域水文模型，自问世以来先后经历了9 4 2 ，9 6 2 ，9 8 1 ，9 9 2 ，2 0 0 0 ， 2 0 0 5 等多个版本1 4 , 5 。s w a t 模型较之其他的水文模型特点突出，如功能较强大， 模拟精度较高、开放性较大等，因此在北美、欧洲等地取得了广泛的应用验证。 例如美国在伞国水土流失现状评估、b o s q u e 流域的非点源污染负荷评价等不同 研究尺度的项日q 选用了s w a t 模型，取得较理想的模拟结果，还在探讨东南部 不同气候影响条件下水资源的变化趋势项目中应用了该模型【6 ，1 飞西班牙应用 s w a t 模型针对南部的g u a d i a m a r 流域进行了产流产沙以及杀虫剂等物质运移的 月模拟研究【8 】；在印度，研究者利用s w a t 以日为时间连续计算单元对孟加拉西 部i 拘m i d n a p o r e 流域的径流量、泥沙量及氮磷等营养物的运移情况进行了模拟 【9 】；加拿大、突尼别10 1 、芬兰】等国家的水文工作者也分别针对农牧业、水体 污染等非自然现象对流域生态的长期影响情况进行了评价；2 0 0 3 年韩国曾利用 g i s 、r s 结合s w a t 模型模拟了b a r o n 流域的水量、水质及面源污染情况。国内 方面，2 0 0 3 年刘昌明等利用s w a t 模型模拟了不同气候和土地覆被条件下的黄 河河源区地表径流的变化【1 3 ；南京师范大学李硕利用s w a t 模型对江西兴国县 的潋水流域进行了多种地理过程的模拟；张雪松等进行了中尺度流域的产沙模 绪论 拟【1 4 1 ；孙峰等、万超等分别在官厅水库流域和卢氏流域、潘家口水库流域进行 了面源污染负荷计算；此外，s w a t 模型在长江上游梭磨河流域 1 5 , 1 6 1 、密云水库 朝河子流域、黄土高原地区旧、黑河流域【1 耵、太湖流域【1 9 】的水量、水质、产 流产沙及非点源污染模拟等方面都有的实例应用。 s w 盯模型并不是一个在任何地域、任何水文条件下都适用的模型，在实际 应用时经常需要对其做适当的改进或辅以其他模型 2 2 】。例如t h e r e a sp o s s l e y 和 q i m i a ol u 推出的s d as w a t 是在s w a t 的基础上，增加了空间数据分析模块和 可视化模块t 2 习；a n d r e a 等将农业经济模型( p r o l a n d ) 、生态模型( e l l a ) 与 s w a t 模型集成，评价了德国中部a a r 流域周边地区土地利用变化对流域景观和 生态功能的影响1 2 4 ；d o u gm a c d o n a l d 等在进行森林流域模拟研究时曾用 a l m a n a c 模型替代s w a t 模型自带的作物生长模块，利用改进后的模型完成 了流域沿岸树木的生长情况模拟1 2 5 1 ；s i n g ha m a n j o t 等尝试将r e m m ( r i p a r i a n e c o l o g i c a lm a n a g m e n tm o d e l ) 模型与s w a t 模型结合起来评估了o n t a r i o 流域水 环境质量变化1 2 6 j ；此外， b a s i n s ( b e t t e ra s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e g r a t i n gp o i n t n o n p o i n ts o u r c e ) 系统和m u l i n od s s 系统等均为s w a t 的集成系统【2 7 2 8 1 。国内， 大量研究者根据我国的自然地理条件也提出了相应的模型改进方法并进行了应 用验证，如将模型中降雨空间处理方法改用“泰森多边形”法或“基于d e m 的 p r i s m 插值”法等。 为了提高s w a t 模型的模拟精度，并扩大模型的研究领域，在应用中做模 型改进或进行多模型集成协作是s w a t 两个主要的应用趋势，因此如何提高模 型的广适应性是s w a t 的重要研究方向，论文提出的广适应性有两层含义：一 是异构的、分布的水文数据在异构平台中的广适应性，另一个就是s w a t 模块 组件的研究尺度的广适应性。 1 1 2 研究意义 网格技术【2 9 , 3 0 是近几年来计算机学者们提出的一种先进的资源共享模型， 其目标是利用互联网将异构资源( 如计算资源、存储资源、软件资源、信息资 源、通信资源及知识资源) 全面连通，支持多节点资源的并行、同步处理，从 根本上突破诸如地理位置、操作平台、共享与协作方式上的限制，全面提高计 算系统的计算能力和存储空间【3 。本文在深入研究了s w a t 模型内部机理和网 格服务相关技术【3 4 , 3 5 】后，根据s w a t 模型在异构平台中进行多模型集成时出现的 2 绪论 资源共享难、计算力不足等问题，探讨一种基于网格服务技术的水文模型集成 方案，一方面利用网格服务技术的二次开发功能，建立标准的服务接d 3 6 ，统 一封装各类资源，实现水文模型、第三方软件、水文研究的相关数据资料的集 中管理和远程共享，实现广域范围内资源的并行、同步处理，另一方面解决单 机版的s w a t 在大流域水文模拟过程中可能出现的计算资源、存储空间不足等问 题。可见，网格技术对提高s w a t 模型的广适应性具有实用研究价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水文模型的发展及集成研究现状 流域水文模型的研究始于2 0 世纪5 0 年代，6 0 年代至8 0 年代中期出现了 一批具有水文概念原理的物理模型，如中国的“新安江模型 、美国的“斯坦福 模型”及“萨克拉门托模型”、日本的“坦克模型”。1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 发 表了一个具有物理基础数值模拟的水文相应模型的蓝图，文中描述了分布式 流域水文模型的前景。由于当时水文研究资料匮乏、计算机技术落后，直至7 0 年代末才涌现出一些具有实用价值的分布式水文模型，比较著名的有s h e 模型、 s w a t 模型、t h a l e s 模型、h e c 模型、w e p 模型等。到了8 0 年代后期，计算 机技术发展迅速，水文模型在基本的建模理论上又引进g i s 、r s 等信息化技术， 多数模型在原有架构上，依据研究内容和研究目的进行了模型改进或集成， s w a t 模型就是在9 0 年代中后期由s w e b b 模型和r o t o 模型融合形成，并且得 到广泛的应用1 3 7 , 3 8 。 流域水文模型是水文科学与计算机科学相结合的产物，历经了几十年的发 展，如今流域模拟更注重多种水文地理过程与人类活动影响的综合研究，同时 对空间离散化、参数化及可视化的要求也越来越高，而这正是g i s 的强项【”l 。 为了适应g i s 与流域模拟模型集成的新趋势，国内外的g i s 及水文水资源领域的 专家进行了大量的研究实践，涉及的领域有防洪减灾、城市排水规划、水文情 报预报、水污染控制规划、地下水及地表水水质评价和预测、生态用水量计算、 水环境管理等【4 0 1 。例如在地下水资源评价领域中，美国地质调查局开发的v i s u a l m o d f l o w ( m o d u l a rt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t e d i f f e r e n c eg r o u n d w a t e rf l o w m o d e l ) 是三维有限差分地下水渗流模型、m o d p a t h 、m t 3 d 与g i s 的结合， 这个集成软件具有三维地下水流动和污染物运移模拟实际应用的最完整、易用 3 绪论 的模拟环境；s j b o y l e 等开发的i d o r 2 d 系统就是水污染模型与g i s 的一次集成 研究；w i l l i a mb 4 i j a l i 曾利用g i s 软件建立了化学同位素资料数据库，并通过软 件自带的空间分析模块研究了地下水污染和水质特征等】；在国内，王旭东等 运用a r c g i s 、数据库技术和水质评价模型建立了天津市地下水环境质量评价系 统【4 2 】；赵成义、王玉朝等利用专业计算地下水流的f e f l o w 软件与g i s 结合建 立了内陆河流域二维地下水运动模拟模型：魏加华开发了密云怀柔顺义地区 地下水地理信息系统，实现了g i s 与地下水系统分析模型的完全集成，并在三维 可视化研究中有所突破【4 3 1 等在水污染控制规划领域中，面源污染模型与g i s 结合后开始向分布式发展，代表模型有美国农业部推出的a n n a g n p a ( a n n u a l i z e da g r i c u l t u r en o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e ) 、h s p f ( h y d r a u l i c s i m u l a t i o np r o g r a m f o r t r a n ) 及a r c s 、7 v ：f 盯系统m 1 ：国内的王晓燕( 19 9 6 年) 等 利用g i s 技术，结合s c s 方程、u s l e 方程、污染物迁移方程等数学模型，建立 了具有可视化功能的非点源污染负荷模型；郝芳华曾利用g i s 技术模拟研究了官 厅水库流域不同典型水文年的非点源污染负荷现状；王云鹏( 2 0 0 0 年) 建立了 基于3 s 的非点源信息系统等；另外，在生态水文研究领域也出现了多个与g i s 结合的具有代表性的模型，如s w m 模型、t o p o g 模型及d e m n a t 模型等。同 时，专家们对模型集成的理论和方法也进行了研究，如李硕曾从模型、g i s 、数 据三个方面深入探讨了流域模拟模型与g i s 集成的概念框架和方式方法；姚长青 等、朱雪芹等也对水文模型与g i s 集成的方法进行了分析，指出了目前几种模型 集成方法存在的技术问题1 4 引。 1 2 2s w a t 模型集成研究现状 s w a t 模型主要采用模块化设计思路，即水循环的每一个环节都对应一个子 模块，方便模型的扩展和应用，诸多科研和管理单位都把s w a t 模型作为流域研 究和管理的基本集成工具。目前，比较成功的s w a t 集成系统主要有a v s w a t 、 b a s i n s 、m u l i n od s s 等【4 6 】。 a v s w a t 是s w a t 模型开发者推出的一款与a r e v i e w 软件紧密结合的集成 软件。鉴于a r c v i e w 的二次开发功能，开发者利用其自带的开发语言a v e n u e ， 将s w a t 嵌入a r c v i e w 原有功能体系中，通过编程实现了两者的集成。a v s w a t 不仅集成了s w a t 模型的所有功能组件，还为水文模拟提供了比较完善的数据 前处理和后处理操作，可在同一个系统实现模型数据准备、模拟计算、结果分 4 绪论 析和制图等，是目前应用最为广泛的s w a t 系统。 m u l i n od s s 是意大利撒丁岛水资源管理部门为了监控流域水污染情况而开 发的系统，d s s 系统集成了四类模型：s w a t 、输出系数模型、q u a l2 k ( 水 质模型) 、地下水模型，其中s w a t 模型被用来探寻环境压力与状态之间的交互 作用，评估点源污染与传播对环境的影响。 美国环保局研发的b a s i n s ( b e t t e r a s s e s s m e n ts c i e n c ei n t e g r a t i n gp o i n ta n d n o n p o i n ts o u r c e ) 系统是一个基于g i s 的流域点源与非点源污染分析工具，主 要由六部分组成：国家环境数据库( 美国) 、数据管理工具、流域特征报告表、 水质模型、流域模型、环境分析评价工具( 包括目标控制分析、科学评价和数 据挖掘工具) 以及后处理程序( g e n s c n ) 。 b a s i n s 系统综合利用a g w a ( a u t o m a t e dg e o s p a t i a lw a t e r s h e d a s s e s s m e n t ) 、h s p f ( h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o np r o g r a m - f o r t r a n ) 、s w a t 三个模 型优化模拟有毒化学物质、传统污染物和养分在流域地表的输移过程；并通过 a r c v i e w 中的p l o a d 扩展模块计算流域内污染物的沉淀情况，分析用户指定 的污染物在流域境内的年平均沉积量。 a v s w a t 将s w a t 以扩展模块的形式加载到a r c v i e w 原有架构中，s w a t 运行完全依赖a r c v i e wg i s 系统；b a s i n s 系统在s w a t 基础上添加了流域管 理、水资源保护等决策分析模块，但运行环境仍然是a r c v i e w 。尽管d s s 脱离 g i s 系统完成模型的集成工作，但是推出者并没有提出一个方案能有效的解决 跨平台水文空间数据集成问题，整个集成环境具有独占性，集成方案无法转移 到其他系统中，不具有借鉴性。 其他的s w a t 模型集成环境还有为评估密西西比河上游流域水质污染而开 发的is w a t l 4 7 ；增强了s w a t 自身的空间数据显示和分析功能并能支持存储大 型数据文件的s d as w a t ；可用于模拟中尺度或同数量级尺度地区的生态水文 过程的s w m 模型( s w a t 模型和m a t s a l u 模型的结合) ；实现农业经济模型情 景管理的d s i r r 等。国内也有若干成功的案例，如2 0 0 6 年盛春淑等通过s w 盯 模型与气象预测模型集成进行了丰乐河流域水文风险预测和常规预测，这是对 分布式水文模型集成化研究的一次尝试：中国科学院地理科学与资源研究所集 成c e r e s 作物模型、s w a t 模型、m o d f l o w 地下水动力学模型成功研制了分 布式生态水文学模型s w 盯m o d 2 0 0 4 等。 5 绪论 1 3 目前存在的问题 s w a t 模型空间运行单元采用多层次组织，模型运行需要的基础数据结构 与格式各异，集成应用涉及问题多，难度大。目前，模型集成中存在的问题主 要有以下几点： ( 1 ) 在多模型集成时，各集成单位都严重依赖于自身的系统框架，如a v s w a t 脱离了a r c v i e w 就无法运行。若要在单机环境下实现a v s w a t 的多系统集成， 就需要将其依托的系统环境同时集成，难度较大；网络版的集成环境都是基于 同构平台的，不能在模拟过程中动态调整系统的软硬件配置参数，集成系统的 计算能力和存储空间有限： ( 2 ) 大流域的水文数据具有异构性、分布性、动态性、海量性等特点，单机 版的水文模拟系统无法对这类跨区域、跨学科数据进行快速存取，在网络环境 下也无法支撑广域范围内的数据的同步传输，因此造成大流域的水文数据重复 性建设，共享性差等问题。 另外，随着水文学从为水利工程服务的应用科学向具有完整科学体系的地 球科学分支转变中，水文模型研究的时间尺度和空间尺度将加大，这意味着模 型对信息技术尤其是计算机计算能力和存储卒间的需求加大。仅仅依靠单台计 算机或是有限的计算集群无法在计算密集型和数据密集型的大流域水文模拟中 提供大规模的计算力和存储空间，造成分布式水文模型在大流域水文研究中模 拟精度低等现象。这无疑成为制约s w a t 模型按照社会新需求加大研究尺度的 另一个亟待攻克的技术难题。 1 4 主要研究内容 本文研究的是网格数据集成理论及网格服务组合技术在s w a t 模型集成研 究中的有益尝试，也是网格服务应用于g i s 服务领域的重要扩展，主要研究内 容有： ( 1 ) 深入研究s w a t 模型的运行机理和数据处理过程，结合实例掌握模型 内部文件的书写格式，指出本文的研究价值的所在；在此基础上，利用i b ms o a 分层服务理念，建立适合s w a t 模型特性的三维分层服务模型；同时结合网格 工具包g t 4 和w e b 服务等技术，设计面向网格服务的模型集成体系； ( 2 ) 为进一步实现集成体系的构建，本文利用高级p e t r i 网提出了水文服 6 绪论 务的六元组组合模型，利用服务组合语言规范b p e l 对上述规则进行w e b 服务 语义映射，刻画了基于w e b 标准的水文服务组合业务流程； ( 3 ) 将文中的理论分析结果应用到实践中，在现有的网络环境下搭建基于 网格服务的组合模型实验系统，验证分析前文研究成果在水文研究领域的实用 价值。 1 5 论文结构及技术路线 1 5 1 论文结构 本文共分六章，组织结构如下： 第l 章主要介绍论文的研究背景及意义，回顾国内外相关领域的研究现状， 总结主要存在的问题，最后对课题的研究内容及论文结构进行了简单介绍； 第2 章阅读文献分析了s w a t 模型的运行结构和输入数据的组织结构，总 结了s w a t 模型的内部运行机理，为论文研究奠定水文模型理论基础； 第3 章详细探讨网格技术的基本概念及应用现状，给出网格服务的定义， 根据研究目的，详细介绍了构建网格环境所需的支撑技术网格体系结构和 g l o b u st o o k i t s4 0 ： 第4 章基于面向服务架构( s o a ) 和分层服务模型理论，设计了s w a t 的 三维分层服务模型，在此基础上研究了面向服务的s w a t 模型集成体系( g r i d s e r v i c eo r i e n t e dm o d e li n t e g r a t i o ns y s t e m ，g s o m i s ) ，并详细分析了g s o m i s 层次化结构和计算流程； 第5 章基于p e t r i 网和业务流程规范研究了g s o m i s 中的水文服务组合模 型，并给出了水文栅格数据处理服务的代码实现过程； 第6 章利用前五章的理论成果，基于g s o m i s 的模型结构设计了一个原型 系统，利用网格资源监控工具测试了系统的资源占用情况，验证了原型系统在 资源共享和扩展性上的服务性能； 第7 章对课题研究的结论与成果进行总结。首先总结了本文的工作，提出 研究中存在的问题和不足，并展望了本文在未来工作中的需要进一步解决的问 题。 7 绪论 1 5 2 技术路线 通过上述研究内容和论文结构的划分情况可以看出，本文的主要研究成果 之一就是构建面向服务架构的s w a t 模型集成体系，通过该体系的建立解决 s w a t 模型集成中遇到的数据管理模式不统一和软硬件资源通用性差的问题， 并能满足在加大研究尺度时对计算能力和存储空间的高要求；而服务组合模型 研究了集成体系中水文服务按需调度的问题。图1 1 为本文的研究路线，通过 该图可以全面了解到平台构建的过程。 | 一 | i 深入研究网格服 | i 箜量塞挂垫查 设计服务组合的四 项基本规则 上 巨于p e t r i 网的水划 l 服务组合模型l 图1 1 研究路线图 8 2 1s w a t 模型的发展及结构分析 s w a t 模型是由s w r r b ( s i m u l a t o rf o rw a t e rr e s o u r c e si nr u r a lb a s i n s ) 模 型与e p i c ( e r o s i o n p r o d u c t i v i t yi m p a c tc a l c u l a t o r ) 、c r e a m s ( c h e m i c a l sr u n o f f a n de r o s i o nf r o ma g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n ts y s t e m s ) 、g l e a m s ( g r o u n d w a t e r l o a d i n ge f f e c t s o n a g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 等多个a r s 模型及 r o t o ( r o u t i n go u t p u tt oo u t l e t ) 模型融合发展而来的。 2 1 1s w a t 模型的发展 s w a t 模型于2 0 世纪9 0 年代中后期正式推出后，连续升级。从模型的发展 历程能看出s w a t 模型实质上处于一种很开放的状态，描述不同水文物理化学过 程的计算方法均能以模块的方式添加到s w a t 原有的结构体系中或是与s w a t 集成协作。s w a t 模型利用由命令行构成的配置文件来控制相关功能模块。用户 可以通过调整文件中的命令参数来完成对模型运行过程的控制，包括空间离散 单元的选择、功能模块的调用以及输入文件的格式要求。配置文件的引入是 s w a l 模型的一大特色，它不仅能有序的调用模型自带的众多模拟组件，还能通 过对输入文件格式的统一，接收第三方软件的输出数据，提高模型的模拟精度 和实用价值1 5 0 1 。 2 1 2s w a t 模型的逻辑结构分析 s w a t 模型可在土壤类型、土地利用方式等下垫面条件复杂迥异及管理措 施多变的大流域上建模，甚至能在水文资料缺乏的干旱半干旱地区建模。它能 模拟流域境内的多种地理过程如水体运动、土壤温度湿度、泥沙的输移、氮磷 等营养物质的迁移转化、作物生长情况、农药杀虫剂等化学物质的输移等，还 能评价多种农牧业管理措施( 如耕作、灌溉、施肥、放牧、用水调度、修筑农 田水利工程等) 对上述地理过程的中长期影响。在s w a t 建模中，无论是陆相 水文循环模拟还是河道水文循环模拟都是对水文模拟组件的调用或重分配过 程，从本质上讲就是对水文数据进行如下操作：数据输入一模拟计算一处理结 9 s w a t 模型运行结构及集成分析 果输出存储。在多模型集成工作中也是遵循相同的流通过程来完成s w a t 模型 和第三方软件的有序调用。由此可见，数据流通过程的解析对模型集成工作有 着重要的意义，后文将重点剖析s w a t 模型的内部运行结构和相关数据文件的 配置规则。 2 2s w a t 模型的运行结构分析 2 2 1s w a t 模型的输入数据组织分析 在各个水文模拟环节中，均要按照不同的空间离散单元( 流域、子流域、 水文响应单元) 确定土壤、气象、土地利用等输入参数。这些参数一般概括为 8 类文件，具体分类情况见图2 1 。从图中可以看出，s w a t 的各类文件必须按 照特定的文件格式存储，以满足配置文件对庞杂的输入数据的有效调用。例如 e x 0 0 1 0 0 0 0 s u b 表示第1 个子流域的子流域属性文件，e x 0 0 1 0 0 0 2 s o l 表示e x 0 0 1 子流域中第2 个水文响应单元的土壤物理属性文件：第三类空间离散单元 流域层面的输入文件是以b a s i n s 加后缀名的方式定义，如b a s i n s b s n 表示流域 属性文件；而e x 0 0 1 0 0 0 0 r e s 表示第1 个子流域的水库文件。水文研究者一旦明 确了模型所需的文件格式，在模型外部通过人工转换文件格式，s w a t 就可接 收第三方软件的输出数据，实现多模型的集成。模型内部组件的调用命令及输 入参数的请求命令构成了s w a t 的配置文件。文件中的命令代码和书写的顺序 结构决定了模块的运行程序，而命令条中的文件名称参数决定了水文输入数据 格式要求及处理顺序，后文利用两个水文计算实例揭示了配置文件在s w a t 内 部循环计算及多模型集成中的关键地位。 l o 库输入文件气象输入文件 图2 1s w a t 模型输入输出文件逻辑调用结构图 2 2 2s w a t 模型的配置文件结构分析 s w a t 模型的配置文件中的命令个数随着版本的升级逐渐增加，在s w a t 2 0 0 5 中，配置文件包含了1 5 个命令( 如表2 1 所示) ，分别完成不同模块和输 入文件的调用及结果输出，这些命令代码使用户能站在全局的角度看模型的运 转过程。 s w a t 模型运行结构及集成分析 本节设定了个简单的流域，该区域划分了三个子流域，通过