【简介】01 ArcHIGH水循环模型系统

1 平台简介

ArcHIGH（Hydrodynamic Intergate with Groundwater and Hydrologic model）是河海大学水文水资源学院平原河流与湖泊水文研究中心主任向小华副教授基于ArcGIS 组件深度二次开发的自主模型平台，包含水文、水动力以及地下水模型的耦合模拟，实现了从建模、计算、动态展示以及结果分析的完整过程。该软件模型系统根据通用地理数据接口和数字流域模型框架体系，构建了在GIS平台下对未知多过程模型组件进行统一管理、装配、结果存储与展示的数字流域平台。该平台实现了模型之间地理上可视化耦合的标准数据接口和可复用组件，以GIS平台兼容任意水文模型数据，并建立了不从属于模型的部分通用组件，如水文站网管理组件、水文序列管理组件、自定义模型可视化渲染组件等，方便外部模型组件直接应用，最终使得模型具有在GIS平台上录入、显示、可视化耦合、互馈模拟、计算过程与结果展示等顶层功能。

2 开发者简介

向小华
博士，河海大学水文水资源学院副教授，师从著名水文水动力学专家王船海教授，现担任河海大学平原河流与湖泊水文研究中心主任，目前从事GIS与专业模型集成、耦合模拟以及构建数字流域平台，研究的模型包括流域河网水动力模型、流域分布式、半分布式以及集总式水文模型、流域地下水运动模型等。
指导河海大学学生团队参加2020年首届水科学数值模拟大赛，在全国58支高校、272支队伍中脱颖而出，晋级成为8支总决赛队伍，并最终以洪水演进及闸控模型组的第一名的成绩获得大赛一等奖，并获得“优秀指导教师”称号。

3 现状分析

做水循环模型研究，模型算法是最核心的问题，研究人员一般都通过关注各种文章上的理论、算法，然后尝试去实现自己的模型，有所得后会有很大的成就感。可时间久了总觉得就停留在理论上，涉及到实际问题时又一筹莫展，方向太窄，无法解决综合性的实际问题，于是又拓展知识结构，研究各种模型以及模型之间的耦合连接。

可不久以后又出来了新问题，地学涉及到大量的模型、需要地理上时间上的集成耦合，单个模型自身可能并不复杂，但集成到一起之后就异常麻烦，往往是建模3个月，运行5分钟完事。大量的工作都在做重复无聊的数据处理，对于写文章这是值得的，但要解决实际问题效率就比较低了。此时一个可视化的工具应该可以快速地帮助完成模型集成。

国际上有很多著名的软件可以帮助做这个事，比如水文领域的SWAT、DHI-MIKE系列、Visual ModFlow、BASINS、HEC系列等等，这些软件经过多年的发展已经产出了大量的文章，也有诸多研究人员使用，在研究领域具有不可撼动的地位。可当用这些软件来解决实际问题，尤其是水文领域的实时问题时又显得力不从心，比如很难使用SWAT做实时洪水预报，难以用Visual ModFlow考虑河道水流交互，也很难去修改这些封闭半封闭的软件，而且它们的前处理也比较麻烦。最最不甘心的就是自己的模型很难嵌入到这些软件中，只能用这些模型来分析问题，稍微深入的修改就不行了。

那是不是需要把自己的模型集成起来封装成软件呢？经常有人说“别人都有轮子了，干嘛要自己重复发明轮子？”，还真有必要做一个自己轮子，虽然暂时不如别人的，但终归是自己的。

4 面临的困难

真的要自己造轮子何其困难，首先造的轮子一定比别人的好很难，但至少要有点特色。比如在可操作性、易用性、美观性上能做到有一点点优势吗？模型、方法就算没有优势，那在耦合程度上能有点特色吗？软件的框架怎么设计能保证以后的扩展性、可维护性？怎么能够充分体现水文的地学属性，让别人不仅能看到数据结果，还能实时地看到图形结果？这些都是拦路虎，只能一个一个去解决，设想的大方向是把目前最强大的GIS软件与自己研究的一些水文模型结合起来，而且是想完全集成起来，即所见即所得。对非计算机专业的人说这种集成立刻就遇到了三个无法回避的问题：

• 传统GIS的点、线、面矢量图层结构和水文模型的对象不一致，采用组合图层又非常难以控制

• 不同空间尺度的模型在GIS上能不能做到可视化地耦合是集成的关键问题

• 不同时间尺度的模型在GIS上可视化运行的嵌套标准是模型能运行的关键问题
  

5 ArcHIGH水循环模型系统

虽然这些都是障碍，可定下目标就还得去克服，经过多年的摸索，我们团队一门心思就做这个事，多年的摸索主要做了以下几个事情：

• 详细学习ArcMap这个软件本身的架构，模仿它且以AO二次开发方式实现了一个插件式的GIS系统软件

• 按照面向对象的方式在AO中自定义图层，深度扩展出水文模型通用的数据模型，并让GIS可视化表达

• 借鉴OpenMI的模型耦合接口，设计出了在GIS图形界面上可视化地耦合集成和耦合计算的通用模型接口

• 在集成模型内部按照时间尺度从大到小（地下水->地表水位->河网水动力）的嵌套运行模块

• UI界面和模型的插件化，及可以通过插件的方式增加界面以及模型

• 目前基本实现了水文-水动力-地下水模型与GIS软件集成的ArcHIGH模型系统