霍童溪流域水庫群防洪服務信息系統(tǒng)

陶頂峰

（福建省寧德市洪水預警報中心，福建 寧德 352100）

0 引言

霍童溪位于福建省東北部主河道長126km，流域面積2244km2，平均坡降 6.2‰?；敉嫌沃饕譃橹髁魈目谙椭Я骱筵庀?，自洪口至八都為霍童溪干流。主流棠口溪一側有溪尾、旺坑、金造橋、黛溪4座中型水庫，支流后垅溪有后垅1級、2級2座中型水庫，霍童溪干流建有洪口大型水庫 1座，這7座大中型水庫總庫容近7億 m3，在防洪調度中發(fā)揮重要作用[1]。

該信息系統(tǒng)緊密圍繞為水庫群防洪運行調度服務，通過系統(tǒng)設計和集成開發(fā)，建成功能實用、技術先進、性能可靠、結構合理、系統(tǒng)安全、高度整合的信息服務系統(tǒng)，基本功能包括信息服務系統(tǒng)、洪水預報計算、綜合數(shù)據(jù)庫、地圖操作等；系統(tǒng)以圖文并茂方式靈活地顯示霍童溪流域工程安全、防洪決策所需要的分析成果，并應用洪水預報調度數(shù)學模型，定量預測預報霍童溪流域大中型水庫及重要斷面水雨情的變化對防洪系統(tǒng)洪水情勢的影響，為水庫安全管理、防洪調度提供先進的技術支撐。

1 系統(tǒng)環(huán)境及總體結構

1.1 開發(fā)運行環(huán)境

根據(jù)寧德市防汛部門信息化開發(fā)水平，遙測、報汛、歷史等水文數(shù)據(jù)的管理方式和用戶的需求，確定系統(tǒng)的運行環(huán)境。以 GIS 為支持環(huán)境采用 C/S 結構，客戶端運行環(huán)境為 Windows XP 或 2000操作系統(tǒng)，相關的支持軟件有 ESRI 公司專業(yè)地圖控件軟件包、ODBC 數(shù)據(jù)庫連接接口及 SqlServer 數(shù)據(jù)庫客戶端支持環(huán)境。服務器端使用 Windows2003Server 作為操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用 MS SqlServer。網絡環(huán)境為以 TCP/IP 為網絡傳輸控制協(xié)議的 100M 局域網。

1.2 總體結構

軟件系統(tǒng)總體是建立在多任務操作系統(tǒng)上，以數(shù)據(jù)庫為基礎的 C/S模式。從系統(tǒng)功能邏輯結構分析，可將軟件系統(tǒng)分為人機交互控制、計算應用服務、數(shù)據(jù)基礎服務3個層次。

1）系統(tǒng)人機交互控制層（即人機交互界面）。采用 C/S 體系結構下，基于 GIS 技術的信息查詢應用模式和可視化多層次的空間圖形操作界面，可提供直觀、清晰、方便、靈活的系統(tǒng)操作和控制環(huán)境[2]；

2）系統(tǒng)計算應用服務層（即系統(tǒng)計算模型、信息服務等）。依照系統(tǒng)的應用種類進行功能劃分，由水情信息服務系統(tǒng)、水情監(jiān)測對比分析、水情預報分析模型等部分組成。各組成部分采用模塊化開發(fā)，以利于進行系統(tǒng)設計和開發(fā)的工程化管理，也便于在系統(tǒng)建立過程中進行技術整合、系統(tǒng)總裝、調試、測試和運行管理；

3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)基礎服務層（即支持系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)環(huán)境）。提供支持系統(tǒng)運行的軟硬件環(huán)境，數(shù)據(jù)基礎服務層是軟件環(huán)境組成部分，有水情監(jiān)測、水雨情、模型參數(shù)及成果、系統(tǒng)管理、地理信息空間等數(shù)據(jù)庫，從系統(tǒng)功能層次及其整體結構上看，系統(tǒng)是一個采用多庫結構面向防洪服務的信息系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體功能結構如圖1所示，邏輯結構自下而上依次是數(shù)據(jù)基礎、計算應用、人機交互層；其中計算應用服務層包括由基于 GIS 圖形操作、分布式查詢、查詢分析、數(shù)據(jù)庫維護與管理，以及由洪水預報計算、水情趨勢分析、歷史同期對比分析構成的預報分析模型。

圖1 系統(tǒng)總體功能結構

1.3 數(shù)據(jù)庫組成

系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)庫從建設順序和服務對象可分為3部分，即水雨情、專用及空間數(shù)據(jù)庫。

水雨情數(shù)據(jù)庫表主要有實時雨情、河道水情、水庫水情等表，這些表對系統(tǒng)中的水情查詢分析、洪水預報計算等提供數(shù)據(jù)支持。

專用數(shù)據(jù)庫表有測站分級顯示設置、流域內雨量站基本信息、水庫站基本信息、水位站基本信息、水位庫容關系，預報參數(shù)，河道洪水預報結果、預報模型等參數(shù)表。

空間數(shù)據(jù)庫表按對象類型分為點、線和面數(shù)據(jù)[3]，以點信息存儲的數(shù)據(jù)有雨量站、水位站、風情站、機電排灌站、水閘、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、主要山峰；以線數(shù)據(jù)存儲的有主要河流、支流、2級河流、堤防、國道、省道、鐵路線、高速公路、千畝海堤、海堤（段）、3級河流、等高線、治河工程等，以面數(shù)據(jù)存儲的有水庫、水域、灌區(qū)、漁排、1級河流、鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)、流域面、縣市行政區(qū)、相關區(qū)域。空間數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的地圖顯示、空間查詢、分布式信息顯示提供數(shù)據(jù)基礎。

2 系統(tǒng)功能

2.1 洪水預報模型

傳統(tǒng)的洪水預報主要是經驗法，它是根據(jù)實測資料通過查降雨徑流相關圖進行產流預報；根據(jù)單位線進行流域匯流預報；用馬斯京根法進行河道匯流作預報。但是，經驗法也存在諸多缺陷，如在邏輯推理上不嚴密，方案不規(guī)范，不客觀，僅能在建圖范圍內使用，在時空上不能外延等。

GIS 出現(xiàn)與發(fā)展為分布式降雨徑流模型洪水預報的實現(xiàn)提供了有效工具，系統(tǒng)支流模塊和區(qū)間模塊是基于 GIS 建立的分布式新安江模型，它把全流域分成許多塊單元流域，模型的參數(shù)都有明確的物理意義，而且參數(shù)之間基本上是相互獨立的。分布式洪水預報模型是指降雨徑流模型結構中各水文要素具有空間的分布特性和隨時間變化的動態(tài)特性，其特點是具有物理基礎，能描述水文循環(huán)的時空變化過程，研究自然和氣候變化對水文循環(huán)的影響；能及時地模擬出人類活動或下墊面因素的變化對流域水文循環(huán)過程的影響。

新安江流域降雨徑流模型是分散性的概念模型，該模型按 1、2或3層蒸散發(fā)模式計算流域蒸散發(fā)；按蓄滿產流概念計算降雨產生的總徑流；采用流域蓄水曲線考慮下墊面不均勻對產流面積變化的影響。按“山坡水文學”產流理論劃分徑流成分，用1個具有有限容積和側孔、底孔的自由水蓄水庫把總徑流劃分為飽和地面、壤中水和地下水等徑流。采用單位線法進行匯流計算，河道匯流采用分段連續(xù)演算的 Muskingum 法，新安江模型主體流程[4]如圖2所示。

圖2 新安江模型主體流程

圖中方框內為狀態(tài)變量，方框外為參數(shù)。1）蒸散發(fā)參數(shù)：K 蒸散發(fā)能力折算系數(shù)；UM 上層張力水容量；LM 下層張力水容量；DM 深層張力水容量；C 深層蒸散發(fā)系數(shù)。2）產流參數(shù)：WM 張力水容量；B 張力水蓄水容量曲線系數(shù)；IM 不透水面積比例。3）分水源參數(shù)：SM表土自由水容量；EX 表土自由水容量曲線系數(shù)；KG 自由水蓄水庫對地下水的出流系數(shù)；KI 自由水蓄水庫對壤中流的出流系數(shù)。4）匯流參數(shù)：CG 地下水庫的消退系數(shù)；CI 壤中流的消退系數(shù)；UH 為地表徑流的匯流單位線。其中 WM，UM，LM，DM，SM 的單位為 mm，其它參數(shù)為無量綱系數(shù)。

2.2 流域數(shù)字化處理

流域數(shù)字化處理是分布式預報模型的基礎，要求劃分的各子流域為相對獨立的地理單元，雨量站分布較均勻，能夠控制暴雨中心?；诹饔?DEM（1:50000），利用 ARCGIS 軟件處理流域數(shù)字高程資料，將整個流域在水平方向劃分成2km×2km 網格，垂直方向上根據(jù)產流機理之差別將土壤—植被—大氣系統(tǒng)分層。運用 ARE/INFO 的 GRID 模塊，對流域進行水文分析，包括洼地的填充、水流方向的產生、河網的提取、流域界線的劃定、子流域的劃分等。

1）提取 DEM 地理信息數(shù)據(jù)。ARC/INFO 平臺中將 ASC 碼數(shù)據(jù)文件按所需網格大小轉化為柵格文件，為提取地理信息做準備。

2）數(shù)據(jù)洼地（沉陷點）填充。由 DEM 提取流域數(shù)字特征，必須對數(shù)據(jù)進行處理，包括數(shù)據(jù)的平滑、洼地（沉陷點）的填充。洼地為高程小于相鄰周邊的地點，是進行水文分析的一大障礙，在確定水流方向前必須將洼地填充。

3）水流方向分析。水流方向是指水流離開網格時的指向，它決定地表徑流方向及網格單元間流量分配。采用 D8（8方向）算法按最陡坡度原則確定單元格的流向。

4）流水累積量計算與河流網絡模擬分析。區(qū)域流水累積量矩陣表示區(qū)域地形每點的流水累積量，可用區(qū)域地形曲面的流水模擬法獲得。流水模擬利用區(qū)域數(shù)字地面高程模型的水流方向數(shù)字矩陣進行。流水累積量可用于提取地表水分布圖，是水網提取的基礎。水網密度根據(jù)地表的水流方向數(shù)字矩陣，確定河流的最小長度，顯示區(qū)域內水系分布的密集程度。給定河流的越短長度值越小，水系分布越密集。ARC／INFO GRID 模塊中，在水流流向分析的基礎上，計算水流累計量、水系柵格圖和生成河網。

5）界線確定及子流域劃分。首先確定流域出口斷面，勾畫流域邊界，獲得1個定義流域內外的數(shù)陣；再運用 ARC/INFO 中的 Selectpoint 函數(shù)選擇子流域出水點?？紤]到支流分布的需要，本研究大多以支干流交匯處為子流域出口進行子流域的劃分。根據(jù)水流方向、流水累積量和水網分布圖層，運用 Water-shed 進行子流域的生成。

2.3 信息服務功能

2.3.1 實時監(jiān)測信息服務

實時監(jiān)測信息服務設計了分布式顯示和圖表信息查詢功能，集成了全球眼監(jiān)測實時視頻信息，使用電子地圖可交互式查詢測站實時監(jiān)測、水庫基本資料、水文站基本資料等信息。

分布式顯示是在地理信息系統(tǒng)中根據(jù)測站的地理位置將信息顯示于地圖上，使得監(jiān)測信息與空間位置結合，形成具有空間分布特征的信息表達方式[5]。地圖空間數(shù)據(jù)中有測站與空間位置對應關系表，實測數(shù)據(jù)庫中有測站監(jiān)測數(shù)據(jù)關系表，利用站碼對應關系實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與空間位置關聯(lián)，使用GIS 功能結合 Windows 系統(tǒng)編程實現(xiàn)水雨情信息在電子地圖上顯示。另外，這些數(shù)據(jù)可按照測站的重要性在電子地圖上分層次顯示，可選擇同時顯示各類測站水雨情或僅顯示當前選擇類型的測站信息。分布式信息查詢功能結構如圖3所示。

圖3 分布式信息查詢功能結構

圖表信息查詢分析模塊分為雨情、水情信息查詢分析。雨情有單站逐日降雨過程、單站逐時降雨過程、多站多日累計雨量等分析功能；水情有逐日水位流量（蓄量）過程、逐時水位流量（蓄量）過程，河道站為水位流量過程，水庫站為水位蓄量過程。各查詢分析模塊均使用圖形與表格進行展示，并將分析出的特征點使用文本或亮顏色進行突出顯示。

2.3.2 預報信息服務

系統(tǒng)開發(fā)了水庫群洪水預報模型，基本預報方式有實時自動、人工干預、已知未來降雨等洪水預報及歷史洪水資料模擬計算，各預報結果分別存儲于專用數(shù)據(jù)庫，可供查詢信息服務。

預報結果展示方式以數(shù)據(jù)、表格、過程線圖為主，在預報結果綜合分析模塊中，使用表格顯示預報時段內各時間的斷面水位，預報斷面包括霍童溪流域內7座大中型水庫代表站、河道站洋中板等斷面，使用過程線圖形展示每一斷面水位變化趨勢。在預報結果查詢中可分別對各預報方式的計算結果進行查詢，并為信息發(fā)布提供了數(shù)據(jù)輸出功能。

3 結語

綜上所述，該系統(tǒng)采用了 GIS 技術對水雨情監(jiān)測信息進行分布式顯示處理，使用多數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)技術，對水雨情實時報汛、歷史、系統(tǒng)專用等數(shù)據(jù)集成分析；充分利用計算機軟件開發(fā)技術將霍童溪流域以概化圖形式顯示，幫助用戶利用分析系統(tǒng)功能全面掌握流域內水雨情形勢，通過系統(tǒng)集成技術將水雨情信息服務與洪水預報模型集成為防洪信息系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)正在試運行，在運行過程中將進一步修正完善，使之成為流域防洪中的重要技術支持。

[1] 鄭華鋒.寧德市水電開發(fā)[M].北京：水利水電出版社，2008: 130-155.

[2] 趙勇，裴源生，于福亮，等.黑河流域水資源實時調度系統(tǒng)[J].水利學報，2006,37（1）: 82-89.

[3] 薛偉.MapObjects 地理信息系統(tǒng)程序設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004: 29-45.

[4] 趙人俊.流域水文模擬—新安江模型和陜北模型[M].北京：水利水電出版社，1984: 106-131.

[5] 雷四華，朱建英，吳永祥，等.蘇北地區(qū)水雨情形勢分析系統(tǒng)[J].水利水文自動化，2007（2）: 47-50.