北京市南沙河流域三維防汛輔助系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

靳燕國，柴福鑫，曹大嶺

（1. 南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

?

北京市南沙河流域三維防汛輔助系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

靳燕國1，柴福鑫2，曹大嶺2

（1. 南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

摘 要：三維仿真技術(shù)在流域防汛輔助決策中發(fā)揮著重要作用?；?Skyline，DEM，GIS 等技術(shù)，構(gòu)建北京市南沙河流域大場景仿真三維場景，利用 Microsoft Visual Studio 2005 平臺的 C# .Net 語言進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)流域三維防汛輔助管理系統(tǒng)，實現(xiàn)包括三維信息服務(wù)、三維展示、空間分析、內(nèi)澇分析、洪水演進(jìn)、災(zāi)情評估等功能，可為流域防汛決策管理提供支撐平臺。

關(guān)鍵詞：三維仿真；防汛輔助系統(tǒng)；南沙河流域；決策

0　引言

南沙河為北運(yùn)河上游溫榆河的主要支流，流域面積為 263 km2，其中山丘區(qū)占 24%，主河道長度為30.6 km，河道比降在 2%～4% 之間。南沙河流域多年平均年降水量為 596.5 mm，年水面蒸發(fā)量為1 260 mm，降水量年內(nèi)分布不均，6—9 月的汛期降水量占全年降水量的 83%。南沙河為北京市海淀區(qū)北部主要排水河道，流域徑流主要有雨洪、山前泉水和城市排水組成。近年來，極端降雨事件頻發(fā)，如 2012 年“7.21”特大自然災(zāi)害中，流域平均降雨 174 mm，造成大面積城市內(nèi)澇和山洪暴發(fā)，給流域防汛管理提出了新的要求。隨著信息化的快速發(fā)展，三維仿真技術(shù)不斷應(yīng)用于流域管理中[1-6]，極大地提高了流域管理的直觀性和空間分析能力。為此，利用 Skyline 系列軟件，構(gòu)建了北京市南沙河流域大場景仿真三維場景，并在 .net 框架下開發(fā)了南沙河流域三維防汛輔助管理系統(tǒng)，為科學(xué)合理地預(yù)報、調(diào)度流域洪水提供技術(shù)支持手段，提高南沙河流域管理和防汛決策的直觀性及立體性。

1　總體設(shè)計

1.1整體架構(gòu)

南沙河流域三維防汛輔助系統(tǒng)采用 3 層結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體分析如下:

1）數(shù)據(jù)層。在已有的實時監(jiān)控、預(yù)報調(diào)度 2 個數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，建設(shè)基礎(chǔ)和空間數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集、處理和交換，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

2）應(yīng)用基礎(chǔ)層。作為數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的中間層，為數(shù)據(jù)訪問層和應(yīng)用層提供接口和橋梁作用，采用 .net 框架作為整體容器，運(yùn)用數(shù)據(jù) COM 接口和API 及數(shù)據(jù)庫操作服務(wù)作為業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)庫訪問接口，實現(xiàn)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層之間的信息交互。

3）應(yīng)用層。作為系統(tǒng)可視化展示和人機(jī)交互的平臺，實現(xiàn)三維仿真和淹沒分析等服務(wù)的可視化表達(dá)，主要實現(xiàn)三維空間查詢與瀏覽、淹沒分析（含內(nèi)澇分析）、洪水演進(jìn)和災(zāi)情評估等功能。系統(tǒng)人機(jī)交互提供了 3D GIS 地圖互操作的方式，展示結(jié)果以圖形、報表、地圖等多種方式進(jìn)行。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 1 所示。

1.2關(guān)鍵技術(shù)

開發(fā)語言采用 C#，開發(fā)工具采用 Visual Studio .net 2008；數(shù)據(jù)庫采用 SQL Server 2005；輔助環(huán)境為TerraExplorer Pro6.1.1，Arc Engine 9.3。

圖1　系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2　主要功能

2.1淹沒分析

1）淹沒分析。城市積水內(nèi)澇是城市防洪最常見的問題，本研究利用北京市實時積水深度采集的數(shù)據(jù)，據(jù)根 DEM 建模計算，實現(xiàn)某一點(diǎn)（道路或下凹式立交橋）有實測淹沒水深的區(qū)域進(jìn)行淹沒范圍的分析計算；同時也可以實現(xiàn)在地圖上選定一點(diǎn)或輸入經(jīng)緯度，并給定淹沒水深，系統(tǒng)自動生成淹沒范圍和面積，具體功能界面如圖 2 所示。

圖2　淹沒分析功能界面

2）內(nèi)澇分析。受城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)及實際過水能力等多方面的制約，要想構(gòu)建城市地表與地下聯(lián)合排水模型難度較大，本研究根據(jù)排水分區(qū)的概念，構(gòu)建了基于水量平衡的排水單元內(nèi)澇分析模型。具體是通過輸入或?qū)胍欢▍^(qū)域的降水過程，然后給定該區(qū)域排水管網(wǎng)的綜合排水能力，通過模型計算得到各個時段的累計積水量，最后利用三維仿真平臺給出積水范圍和深度。實現(xiàn)了在給定某一區(qū)域降水系列及排水能力的情況下，給出最大的淹沒范圍及水深，并且可以查詢?nèi)我稽c(diǎn)的淹沒水深，功能設(shè)計界面如圖 3 所示。

圖3　內(nèi)澇分析界面

2.2洪水演進(jìn)

南沙河流域已建或新建有 10 多座水文站或水位站，通過實測或預(yù)報的流量過程，系統(tǒng)通過水位-流量關(guān)系曲線自動計算斷面水位過程，并進(jìn)行差值計算，給出 1 km 間隔各個斷面的水位變化過程，然后通過在三維系統(tǒng)中構(gòu)建三維水體淹沒范圍，進(jìn)行洪水淹沒過程的三維仿真。具體功能包括選擇數(shù)據(jù)或方案，設(shè)置動態(tài)演進(jìn)時間間隔等，洪水演進(jìn)界面如圖 4 所示。

此外，三維防汛輔助系統(tǒng)還可以把生成的洪水演進(jìn)成果，通過選擇路徑和輸入文件名稱將淹沒范圍保存為一個文本文件，包括所有邊界點(diǎn)的經(jīng)緯度和水位，便于其他系統(tǒng)調(diào)用。

2.3災(zāi)情評估

通過淹沒、內(nèi)澇和洪水演進(jìn)分析及人工圈畫等方式，確定內(nèi)澇或洪水可能的影響范圍，通過與社會經(jīng)濟(jì)信息（包括行政區(qū)劃、土地利用、人口分布等信息）的疊加分析，可以評估出各個行政區(qū)劃受影響的淹沒、土地利用類型（居民地和耕地等）的面積及人口等，詳細(xì)功能設(shè)計如圖 5 所示。

圖4　洪水演進(jìn)界面

圖5　災(zāi)情評估功能界面

2.4系統(tǒng)管理

三維防汛輔助系統(tǒng)管理功能主要包括三維場景設(shè)置、數(shù)據(jù)庫配置及參數(shù)設(shè)置等。三維場景設(shè)置用來選擇和配置三維場景；數(shù)據(jù)庫配置功能用來設(shè)定數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器、用戶名、密碼等參數(shù)；參數(shù)設(shè)置功能用來管理洪水演進(jìn)的水位流量關(guān)系、參考點(diǎn)的位置、差值的參數(shù)等數(shù)據(jù)。

3　結(jié)語

利用計算機(jī)和三維仿真技術(shù)、數(shù)字高程模型等構(gòu)建數(shù)字流域，并結(jié)合實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和洪水預(yù)報調(diào)度等專業(yè)分析模型，進(jìn)行流域防汛管理和輔助決策是防汛排澇研究的發(fā)展方向之一。本研究以北京市南沙河流域為例，通過對河流水系、行政區(qū)劃、水利工程等矢量數(shù)據(jù)，以及 DEM、遙感影像和實時水文數(shù)據(jù)等各種信息的收集，分析與處理，建立了實時監(jiān)控、預(yù)報調(diào)度等數(shù)據(jù)的調(diào)用，以及用于淹沒分析、洪水演進(jìn)和災(zāi)情評估的防汛輔助綜合數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上利用 Skyline 系列軟件構(gòu)建了流域大場景真三維場景，開發(fā)了集流域防汛空間展示與分析、數(shù)據(jù)服務(wù)、淹沒分析、內(nèi)澇分析、洪水演進(jìn)、災(zāi)情評估等輔助分析和決策等功能于一體的北京市南沙河流域三維防汛輔助系統(tǒng)，為流域防汛和應(yīng)急管理提供了支撐平臺，為我國城市內(nèi)澇分析、河道洪水三維仿真模擬提供了技術(shù)參考。但是，受到內(nèi)澇監(jiān)測點(diǎn)實時及數(shù)據(jù)地形資料等信息的限制，在城市內(nèi)澇分析模擬模型和精細(xì)災(zāi)情評估方面還需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 柴福鑫，黃詩峰，程先云. 堰塞湖應(yīng)急管理三維 GIS 系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[J]. 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2013，11 (3) : 221-225.

[2] 王韶玉. 基于 DEM 的壩堤潰決洪水淹沒評價模型與方法研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2010: 27-28.

[3] 王德厚，譚德寶. 數(shù)字長江建設(shè)與水利科技發(fā)展[J]. 長江科學(xué)院院報，2001，18 (3): 43-46.

[4] 劉仁義，劉南. 基于 GIS 技術(shù)的淹沒區(qū)確定方法及虛擬現(xiàn)實表達(dá)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報，2002，29 (5): 573-578.

[5] 張尚弘，姚仕明，曲兆松，等. 流域三維可視化與數(shù)值模擬的實時交互運(yùn)行[J]. 清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，44 (12): 1635-1641.

[6] 康玲，王學(xué)立，姜鐵兵，等. 基于數(shù)字高程模型的流域變動等流時線方法[J]. 水利學(xué)報，2006，37 (1): 40-44.

Design and Development of 3D-GIS Flood Control System in Nan-sha River Basin of Beijing

JIN Yanguo1, CHAI Fuxin2, CAO Daling2
(1. Construction and Administration Bureau of South-to-North Water Diversion Middle Route Project, Beijing 100038, China; 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Abstract:Three dimensional simulation technology plays an important role in the decision making of basin flood control. In this paper, a large real 3D scene is constructed in Nan-sha river basin, Beijing City, based on technology of Skyline, DEM and GIS. And it develops a 3D-GIS flood control system with the functions of the information services, three-dimensional display, spatial analysis, water logging analysis, flood evolution, disaster assessment etc. The system can provide a decision support platform for decision management of flood control in the basin.

Key words:3D GIS; flood control system; Nan-sha river basin; decision-making

作者簡介：靳燕國（1983-），男，河北邢臺人，工程師，從事水資源調(diào)度管理研究工作。

基金項目：國家水污染治理與保護(hù)重大專項（2012ZX07201-006）

收稿日期：2015-10-13

中圖分類號：TV871.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9405(2016)01 -0056-04