基于WebGIS的白馬湖片洪澇風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)

蔣肇冰， 沈 逸， 楊萬(wàn)紅

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225127； 2.揚(yáng)州蘇水科技有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)位于洪澤湖大堤以東、蘇北灌溉總渠以南、里運(yùn)河以西、老三河和S331省道以北，面積為1 091 km2。該區(qū)域降水量年內(nèi)分配不均，汛期6—9月降水量約占全年的70%。白馬湖是區(qū)域洪水的調(diào)蓄湖泊，總面積113.4 km2，汛限水位6.8 m，相應(yīng)庫(kù)容1.40億m3；設(shè)計(jì)排澇水位7.50 m，相應(yīng)庫(kù)容2.16億m3；設(shè)計(jì)防洪水位8.00 m，相應(yīng)庫(kù)容2.71億m3，防洪庫(kù)容1.31億m3。白馬湖主要入湖河道有草澤河、潯河、望良河、花河等，主要在白馬湖西側(cè)，主要出湖河道有新河、運(yùn)西河、阮橋河等，出湖口門分別為淮安站、北運(yùn)西閘、阮橋閘。

白馬湖是區(qū)域洪澇的調(diào)蓄湖泊，區(qū)域暴雨與上游洪水經(jīng)常遭遇，由于地勢(shì)低洼，受四面高水圍困，澇水外排出路不暢，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，1954年、1956年、1974年、1984年、1987年、1991年、2003年、2006年、2007年洪澇都造成了較大災(zāi)害損失。因此，研究建設(shè)洪水風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于白馬湖片防洪減災(zāi)具有重大意義。

近年來(lái)，基于WebGIS開發(fā)的針對(duì)城市、河道、水庫(kù)等方面洪澇災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)較多，大多采用C/S(客戶端/服務(wù)器)和B/S(瀏覽器/服務(wù)器)相結(jié)合的架構(gòu)，純B/S架構(gòu)的較為少見[1-2]，開發(fā)語(yǔ)言多采用.NET，或者采用.NET與JavaScript相結(jié)合或借助Flex等[3-4]。本研究將白馬湖片一、二維耦合的水動(dòng)力模型內(nèi)嵌于系統(tǒng)，采用純B/S架構(gòu)，采用Java語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)可視化操作、遠(yuǎn)程操控、實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警的強(qiáng)大功能，能夠有效提高區(qū)域洪澇風(fēng)險(xiǎn)管控的數(shù)字化和智能化水平。

1 模型構(gòu)建

本研究利用MIKE 11、MIKE 21、MIKE FLOOD等系列軟件建立洪水分析模型并進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合雨量站分布和水系特點(diǎn)，在NAM模型中把保護(hù)區(qū)劃分為11個(gè)子流域，分別建立降雨徑流模型，模擬子流域的產(chǎn)匯流過程。

1.1 模型概況

根據(jù)原始地形資料生成地形DEM，然后把DEM導(dǎo)入MIKE Zero，構(gòu)建三角網(wǎng)格。對(duì)于一些因地形原因生成的面積太小或角度太小等不規(guī)則三角網(wǎng)格，利用MIKE Zero對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，網(wǎng)格總數(shù)為52 485個(gè)(含白馬湖湖區(qū))。

由于白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的河網(wǎng)溝渠縱橫交錯(cuò)、水系復(fù)雜，本研究用于建模的河道(河段)總數(shù)達(dá)272條(段)，斷面總數(shù)為1 717個(gè)。MIKE 21模型中采用概化的擋水構(gòu)筑物來(lái)模擬保護(hù)區(qū)內(nèi)高于地面0.5 m以上的道路、堤防等。

1.2 參數(shù)率定

模型參數(shù)主要包括NAM降雨徑流模型參數(shù)和河道糙率。由于白馬湖片入湖河道沒有流量監(jiān)測(cè)站，部分相鄰子流域之間河道相通，子流域匯水范圍隨水情和工情不同而變化，且該區(qū)域有坡地自流、圩區(qū)抽排和混合排水，為了準(zhǔn)確模擬區(qū)域產(chǎn)匯流過程，在模型中適當(dāng)增加圩區(qū)內(nèi)部的有關(guān)排澇溝，排澇站根據(jù)運(yùn)行辦法和排澇站前水位進(jìn)行控制，并按照排澇站位置和流量匯入圩外河道。由于各入湖河道的匯水區(qū)面積較小，選取典型區(qū)域利用經(jīng)過驗(yàn)證的公式計(jì)算結(jié)果對(duì)NAM模型參數(shù)進(jìn)行率定，合理地模擬入湖流量過程。根據(jù)入湖流量、出湖流量過程，計(jì)算白馬湖山陽(yáng)站水位，將計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比，反復(fù)調(diào)整NAM模型相關(guān)參數(shù)，直至水位差小于允許值，且計(jì)算水位過程與實(shí)測(cè)過程一致為止。

為確保NAM參數(shù)的準(zhǔn)確性、合理性和適應(yīng)性，選取兼有3種匯水區(qū)的草澤河片，按照其理論公式計(jì)算的洪水過程，先對(duì)NAM模型的部分參數(shù)進(jìn)行初步調(diào)試，與水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)和實(shí)際排水狀況相適應(yīng)，減少調(diào)試的難度和工作量，流量對(duì)比如圖1所示。

圖1 20年一遇NAM參數(shù)調(diào)試流量對(duì)比圖

在初步確定主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取典型年實(shí)測(cè)資料對(duì)NAM模型參數(shù)進(jìn)行最終率定，客觀反映各條入湖河道的入湖流量過程。為了減小初始條件等對(duì)計(jì)算成果的影響，本研究選用資料較全且有代表性的完整次降雨過程進(jìn)行模擬計(jì)算，選取2003年7月8—17日(10 d)、2006年6月30日至7月7日(8 d)進(jìn)行參數(shù)率定，選取2007年7月6—13日(8 d)進(jìn)行模型驗(yàn)證。率定時(shí)先把白馬湖的初始水位分別設(shè)置為2003年7月8日、2006年6月30日的實(shí)測(cè)水位6.95 m、6.76 m，然后將計(jì)算時(shí)段內(nèi)的實(shí)測(cè)降水量、出湖流量導(dǎo)入模型進(jìn)行調(diào)試計(jì)算，當(dāng)計(jì)算山陽(yáng)站水位和實(shí)測(cè)水位一致時(shí)，確定模型參數(shù)。水位對(duì)比見圖2～3。

圖2 2003年實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位對(duì)比

圖3 2006年白馬湖實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位對(duì)比

根據(jù)對(duì)比，計(jì)算的白馬湖山陽(yáng)站最高水位與2003年、2006年實(shí)測(cè)水位相近，水位變化過程基本一致，最高洪水位到達(dá)時(shí)間相同，最大差值分別為0.16 m、0.11 m，小于允許值0.2 m，表明調(diào)試參數(shù)合理、準(zhǔn)確。一維河道糙率結(jié)合以往區(qū)域內(nèi)河道設(shè)計(jì)采用的糙率，在MIKE 11河網(wǎng)模型中對(duì)河道糙率進(jìn)行了概化處理，根據(jù)率定結(jié)果，糙率一般為0.0225，局部河段糙率略有調(diào)整，最小值為0.022，最大值為0.03。

1.3 模型驗(yàn)證

選取2007年作為典型年對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，白馬湖山陽(yáng)站計(jì)算水位與2007年實(shí)測(cè)水位相近，水位變化過程基本一致、最高洪水位到達(dá)時(shí)間相同，最大水位差為0.1 m，小于允許值0.2 m(圖4)，參數(shù)和模型與實(shí)際情況基本相符，可以用該模型對(duì)白馬湖片防洪保護(hù)區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行各種工況的模擬計(jì)算。

圖4 2007年白馬湖水位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)開發(fā)要求，系統(tǒng)設(shè)定的主要功能有：

(1)雨情、水情信息查詢。讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中各站點(diǎn)的雨情、水情數(shù)據(jù)，提供點(diǎn)選、下拉菜單、文本輸入與地圖交互檢索等形式，供用戶查詢區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)當(dāng)日、近3日內(nèi)的降水量、水位、流量等信息。

(2)洪水風(fēng)險(xiǎn)要素查詢。從模型實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果中提取各網(wǎng)格最高水位、最大淹沒水深、最大洪水流速、最大淹沒歷時(shí)等洪水風(fēng)險(xiǎn)要素信息，在GIS圖中以分級(jí)色彩顯示，其中主要節(jié)點(diǎn)自動(dòng)顯示，各網(wǎng)格通過點(diǎn)擊GIS圖可直接查詢。

(3)超標(biāo)洪水預(yù)警。用戶設(shè)置邊界條件，包括初始水位、降雨過程等上邊界，鎮(zhèn)湖閘(或淮安站)、北運(yùn)西閘、阮橋閘的出湖流量或水位流量關(guān)系等下邊界，Web服務(wù)器遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)或模擬洪水計(jì)算后，主要節(jié)點(diǎn)洪水超標(biāo)時(shí)自動(dòng)發(fā)布超標(biāo)洪水預(yù)警信息。

(4)在數(shù)據(jù)輸入端口設(shè)計(jì)保留了自動(dòng)接入功能的接口，可實(shí)現(xiàn)雨情、水情、工情的實(shí)時(shí)自動(dòng)接入。

2.2 工作流程

系統(tǒng)充分利用WebGIS強(qiáng)大的空間表達(dá)、空間分析及動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)功能，管理GIS要素，將地圖或地形數(shù)據(jù)入系統(tǒng)中，通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)與用戶的動(dòng)態(tài)交互，為用戶展現(xiàn)更加及時(shí)、全面、直接的動(dòng)態(tài)洪水信息。選用WebGIS技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，利用ArcGIS Server將地理信息發(fā)布為各類服務(wù)，借助ArcGIS API for JavaScript調(diào)用這些服務(wù)，從而在系統(tǒng)中集成地圖及GIS功能。當(dāng)用戶訪問地圖數(shù)據(jù)時(shí)，GIS服務(wù)器接收Web服務(wù)器發(fā)送的請(qǐng)求，通過接口驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算成果更新至數(shù)據(jù)庫(kù)，通過GIS服務(wù)器對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行可視化表達(dá)。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程框架

2.3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體采用典型的MVC[模型(model)—視圖(view)—控制(controller)]3層結(jié)構(gòu)。在模型層的支持下，利用控制層的組件和核心引擎進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警流程中的信息處理、模擬計(jì)算和結(jié)果分析，在視圖層中顯示地圖數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)查詢模擬計(jì)算結(jié)果。

模型層集成了地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和洪水模擬模型。將水文模型和一維、二維水動(dòng)力模型與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，經(jīng)由控制層的事務(wù)處理后，集成到視圖層。模型、數(shù)據(jù)庫(kù)之間通過外部接口相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)流、控制流的信號(hào)傳輸。

視圖層負(fù)責(zé)前端頁(yè)面和后臺(tái)控制層的交互，由信息管理、風(fēng)險(xiǎn)圖管理、預(yù)報(bào)預(yù)警和系統(tǒng)管理四大模塊構(gòu)成，采用純B/S架構(gòu)與松散耦合結(jié)構(gòu)——利用GIS服務(wù)進(jìn)行地理信息處理及空間分析，利用洪水模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[5]。系統(tǒng)在信息數(shù)據(jù)庫(kù)和模型數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，以GIS服務(wù)作為內(nèi)核支撐，通過核心服務(wù)層各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、模擬計(jì)算，并展示地圖、計(jì)算結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析。

控制層負(fù)責(zé)系統(tǒng)與使用者的交互，提供了統(tǒng)一的信息接口，支持多種瀏覽器向核心服務(wù)層推送請(qǐng)求以遠(yuǎn)程操作并驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作流程，分為數(shù)據(jù)管理模塊、洪水模型接口模塊、Web信息發(fā)布模塊、GIS信息處理模塊與系統(tǒng)配置模塊等。通過REST架構(gòu)的HTML.數(shù)據(jù)流來(lái)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨模塊之間的數(shù)據(jù)支持，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心、各功能模塊互操作的媒介。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式與規(guī)范下，根據(jù)數(shù)據(jù)入庫(kù)方式，將數(shù)據(jù)庫(kù)分為基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)?；A(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括洪水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)、算法數(shù)據(jù)庫(kù)。洪水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)白馬湖地區(qū)的數(shù)據(jù)資料，包括：(1)歷史水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和洪災(zāi)損失等數(shù)據(jù)；(2)實(shí)時(shí)雨情、水情和工情，包括實(shí)時(shí)雨量、水位、流量等數(shù)據(jù)；(3)模型邊界、參數(shù)等。算法數(shù)據(jù)庫(kù)包含模型計(jì)算所需算法和數(shù)據(jù)圖形轉(zhuǎn)換等，用來(lái)支撐對(duì)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，以及數(shù)據(jù)和可視化元素之間的映射轉(zhuǎn)換[6]。

借助GIS創(chuàng)建企業(yè)級(jí)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，主要存儲(chǔ)雨量站、水位站、水利設(shè)施等矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)；道路、河道、圩堤等矢量線數(shù)據(jù)；行政區(qū)劃、湖泊水面、土地利用等矢量面數(shù)據(jù)。洪水風(fēng)險(xiǎn)要素按節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格存儲(chǔ)，要素字段包括節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格編碼、最高水位、最大淹沒水深、最大淹沒歷時(shí)、最大洪水流速、洪水到達(dá)時(shí)間和標(biāo)記字段等。

2.5 預(yù)報(bào)預(yù)警

通過人工或自動(dòng)接入獲取過去3 d內(nèi)的實(shí)測(cè)雨量過程及山陽(yáng)站、鎮(zhèn)湖閘(或淮安站)、北運(yùn)西閘等水位、流量過程，可以模擬復(fù)核過去72 h以內(nèi)的洪水過程。通過輸入未來(lái)3 d內(nèi)的預(yù)報(bào)雨量，按照出湖流量控制要求，能夠模擬計(jì)算白馬湖及主要入出湖河道的最高水位；或者按照最高水位控制要求，能夠模擬計(jì)算所需的出湖流量，為區(qū)域防汛調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)通過接口調(diào)用模型層內(nèi)置的洪澇模型，在后臺(tái)進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算，按照計(jì)算結(jié)果將地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的洪水風(fēng)險(xiǎn)要素的屬性進(jìn)行更新，利用GIS服務(wù)將實(shí)時(shí)洪水風(fēng)險(xiǎn)要素顯示于GIS圖上。主要節(jié)點(diǎn)洪水超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以特定圖標(biāo)和聲音自動(dòng)發(fā)布超標(biāo)洪水預(yù)警信息。

2.6 系統(tǒng)測(cè)試和管理

選擇江蘇省防汛防旱指揮部辦公室計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)計(jì)算和預(yù)報(bào)預(yù)警功能，留用雨情、水情和工情的自動(dòng)接口，可人工或自動(dòng)接入有關(guān)信息，系統(tǒng)業(yè)務(wù)、界面、兼容性、安全性、適用性、操作性均滿足系統(tǒng)開發(fā)要求。

系統(tǒng)管理包括用戶管理、幫助文檔。用戶管理子模塊的功能有添加、刪除、修改用戶及設(shè)置用戶的使用、訪問權(quán)限等。

3 結(jié) 論

白馬湖片是江蘇省洪澇災(zāi)害多發(fā)地區(qū)和重點(diǎn)防洪區(qū)域，被列入全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目，洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)研究是該項(xiàng)目的重要組成部分。研究得到如下結(jié)論：

(1)構(gòu)建的一維河道與二維湖面、淹沒區(qū)相耦合的洪水演進(jìn)模型，經(jīng)驗(yàn)證，與歷史洪澇擬合較好，用于洪澇風(fēng)險(xiǎn)模擬計(jì)算和預(yù)報(bào)預(yù)警是適宜的。

(2)采用純B/S架構(gòu)，與傳統(tǒng)的基于C/S或者B/S與C/S相結(jié)合的架構(gòu)相比，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：①系統(tǒng)通用性、兼容性、可移植性好；②系統(tǒng)模塊化、結(jié)構(gòu)化，可擴(kuò)充性強(qiáng)；③客戶端不需布置系統(tǒng)及相關(guān)軟件，利用授權(quán)的登錄密碼可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)動(dòng)行，系統(tǒng)布置和后期維護(hù)費(fèi)用低；④系統(tǒng)操作性強(qiáng)、界面簡(jiǎn)潔，適用于基層水利工作人員。

(3)基于WebGIS技術(shù)，依托洪水信息庫(kù)與模型開發(fā)了洪澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，可對(duì)白馬湖片未來(lái)3 d內(nèi)洪澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)計(jì)算和預(yù)報(bào)預(yù)警功能，操作過程與風(fēng)險(xiǎn)查詢均為可視化展示，有助于決策者快速、準(zhǔn)確地預(yù)估洪水風(fēng)險(xiǎn)，合理制定避洪策略。研究證明，WebGIS是一種高效的數(shù)據(jù)管理和分析手段，在防災(zāi)減災(zāi)、洪水預(yù)報(bào)預(yù)警等方面具有良好的應(yīng)用前景。今后在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)成果，進(jìn)一步驗(yàn)證、修改、完善和提升本系統(tǒng)。