霍童溪流域水库群防洪服务信息系统

陶顶峰

（福建省宁德市洪水预警报中心，福建 宁德 352100）

0 引言

霍童溪位于福建省东北部主河道长126km，流域面积2244km2，平均坡降 6.2‰。霍童溪上游主要分为主流棠口溪和支流后垅溪，自洪口至八都为霍童溪干流。主流棠口溪一侧有溪尾、旺坑、金造桥、黛溪4座中型水库，支流后垅溪有后垅1级、2级2座中型水库，霍童溪干流建有洪口大型水库 1座，这7座大中型水库总库容近7亿 m3，在防洪调度中发挥重要作用[1]。

该信息系统紧密围绕为水库群防洪运行调度服务，通过系统设计和集成开发，建成功能实用、技术先进、性能可靠、结构合理、系统安全、高度整合的信息服务系统，基本功能包括信息服务系统、洪水预报计算、综合数据库、地图操作等；系统以图文并茂方式灵活地显示霍童溪流域工程安全、防洪决策所需要的分析成果，并应用洪水预报调度数学模型，定量预测预报霍童溪流域大中型水库及重要断面水雨情的变化对防洪系统洪水情势的影响，为水库安全管理、防洪调度提供先进的技术支撑。

1 系统环境及总体结构

1.1 开发运行环境

根据宁德市防汛部门信息化开发水平，遥测、报汛、历史等水文数据的管理方式和用户的需求，确定系统的运行环境。以 GIS 为支持环境采用 C/S 结构，客户端运行环境为 Windows XP 或 2000操作系统，相关的支持软件有 ESRI 公司专业地图控件软件包、ODBC 数据库连接接口及 SqlServer 数据库客户端支持环境。服务器端使用 Windows2003Server 作为操作系统，数据库管理系统采用 MS SqlServer。网络环境为以 TCP/IP 为网络传输控制协议的 100M 局域网。

1.2 总体结构

软件系统总体是建立在多任务操作系统上，以数据库为基础的 C/S模式。从系统功能逻辑结构分析，可将软件系统分为人机交互控制、计算应用服务、数据基础服务3个层次。

1）系统人机交互控制层（即人机交互界面）。采用 C/S 体系结构下，基于 GIS 技术的信息查询应用模式和可视化多层次的空间图形操作界面，可提供直观、清晰、方便、灵活的系统操作和控制环境[2]；

2）系统计算应用服务层（即系统计算模型、信息服务等）。依照系统的应用种类进行功能划分，由水情信息服务系统、水情监测对比分析、水情预报分析模型等部分组成。各组成部分采用模块化开发，以利于进行系统设计和开发的工程化管理，也便于在系统建立过程中进行技术整合、系统总装、调试、测试和运行管理；

3）系统数据基础服务层（即支持系统运行的数据环境）。提供支持系统运行的软硬件环境，数据基础服务层是软件环境组成部分，有水情监测、水雨情、模型参数及成果、系统管理、地理信息空间等数据库，从系统功能层次及其整体结构上看，系统是一个采用多库结构面向防洪服务的信息系统。

系统总体功能结构如图1所示，逻辑结构自下而上依次是数据基础、计算应用、人机交互层；其中计算应用服务层包括由基于 GIS 图形操作、分布式查询、查询分析、数据库维护与管理，以及由洪水预报计算、水情趋势分析、历史同期对比分析构成的预报分析模型。

图1 系统总体功能结构

1.3 数据库组成

系统相关数据库从建设顺序和服务对象可分为3部分，即水雨情、专用及空间数据库。

水雨情数据库表主要有实时雨情、河道水情、水库水情等表，这些表对系统中的水情查询分析、洪水预报计算等提供数据支持。

专用数据库表有测站分级显示设置、流域内雨量站基本信息、水库站基本信息、水位站基本信息、水位库容关系，预报参数，河道洪水预报结果、预报模型等参数表。

空间数据库表按对象类型分为点、线和面数据[3]，以点信息存储的数据有雨量站、水位站、风情站、机电排灌站、水闸、乡镇、主要山峰；以线数据存储的有主要河流、支流、2级河流、堤防、国道、省道、铁路线、高速公路、千亩海堤、海堤（段）、3级河流、等高线、治河工程等，以面数据存储的有水库、水域、灌区、渔排、1级河流、乡镇行政区、流域面、县市行政区、相关区域。空间数据对系统的地图显示、空间查询、分布式信息显示提供数据基础。

2 系统功能

2.1 洪水预报模型

传统的洪水预报主要是经验法，它是根据实测资料通过查降雨径流相关图进行产流预报；根据单位线进行流域汇流预报；用马斯京根法进行河道汇流作预报。但是，经验法也存在诸多缺陷，如在逻辑推理上不严密，方案不规范，不客观，仅能在建图范围内使用，在时空上不能外延等。

GIS 出现与发展为分布式降雨径流模型洪水预报的实现提供了有效工具，系统支流模块和区间模块是基于 GIS 建立的分布式新安江模型，它把全流域分成许多块单元流域，模型的参数都有明确的物理意义，而且参数之间基本上是相互独立的。分布式洪水预报模型是指降雨径流模型结构中各水文要素具有空间的分布特性和随时间变化的动态特性，其特点是具有物理基础，能描述水文循环的时空变化过程，研究自然和气候变化对水文循环的影响；能及时地模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域水文循环过程的影响。

新安江流域降雨径流模型是分散性的概念模型，该模型按 1、2或3层蒸散发模式计算流域蒸散发；按蓄满产流概念计算降雨产生的总径流；采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。按“山坡水文学”产流理论划分径流成分，用1个具有有限容积和侧孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分为饱和地面、壤中水和地下水等径流。采用单位线法进行汇流计算，河道汇流采用分段连续演算的 Muskingum 法，新安江模型主体流程[4]如图2所示。

图2 新安江模型主体流程

图中方框内为状态变量，方框外为参数。1）蒸散发参数：K 蒸散发能力折算系数；UM 上层张力水容量；LM 下层张力水容量；DM 深层张力水容量；C 深层蒸散发系数。2）产流参数：WM 张力水容量；B 张力水蓄水容量曲线系数；IM 不透水面积比例。3）分水源参数：SM表土自由水容量；EX 表土自由水容量曲线系数；KG 自由水蓄水库对地下水的出流系数；KI 自由水蓄水库对壤中流的出流系数。4）汇流参数：CG 地下水库的消退系数；CI 壤中流的消退系数；UH 为地表径流的汇流单位线。其中 WM，UM，LM，DM，SM 的单位为 mm，其它参数为无量纲系数。

2.2 流域数字化处理

流域数字化处理是分布式预报模型的基础，要求划分的各子流域为相对独立的地理单元，雨量站分布较均匀，能够控制暴雨中心。基于流域 DEM（1:50000），利用 ARCGIS 软件处理流域数字高程资料，将整个流域在水平方向划分成2km×2km 网格，垂直方向上根据产流机理之差别将土壤—植被—大气系统分层。运用 ARE/INFO 的 GRID 模块，对流域进行水文分析，包括洼地的填充、水流方向的产生、河网的提取、流域界线的划定、子流域的划分等。

1）提取 DEM 地理信息数据。ARC/INFO 平台中将 ASC 码数据文件按所需网格大小转化为栅格文件，为提取地理信息做准备。

2）数据洼地（沉陷点）填充。由 DEM 提取流域数字特征，必须对数据进行处理，包括数据的平滑、洼地（沉陷点）的填充。洼地为高程小于相邻周边的地点，是进行水文分析的一大障碍，在确定水流方向前必须将洼地填充。

3）水流方向分析。水流方向是指水流离开网格时的指向，它决定地表径流方向及网格单元间流量分配。采用 D8（8方向）算法按最陡坡度原则确定单元格的流向。

4）流水累积量计算与河流网络模拟分析。区域流水累积量矩阵表示区域地形每点的流水累积量，可用区域地形曲面的流水模拟法获得。流水模拟利用区域数字地面高程模型的水流方向数字矩阵进行。流水累积量可用于提取地表水分布图，是水网提取的基础。水网密度根据地表的水流方向数字矩阵，确定河流的最小长度，显示区域内水系分布的密集程度。给定河流的越短长度值越小，水系分布越密集。ARC／INFO GRID 模块中，在水流流向分析的基础上，计算水流累计量、水系栅格图和生成河网。

5）界线确定及子流域划分。首先确定流域出口断面，勾画流域边界，获得1个定义流域内外的数阵；再运用 ARC/INFO 中的 Selectpoint 函数选择子流域出水点。考虑到支流分布的需要，本研究大多以支干流交汇处为子流域出口进行子流域的划分。根据水流方向、流水累积量和水网分布图层，运用 Water-shed 进行子流域的生成。

2.3 信息服务功能

2.3.1 实时监测信息服务

实时监测信息服务设计了分布式显示和图表信息查询功能，集成了全球眼监测实时视频信息，使用电子地图可交互式查询测站实时监测、水库基本资料、水文站基本资料等信息。

分布式显示是在地理信息系统中根据测站的地理位置将信息显示于地图上，使得监测信息与空间位置结合，形成具有空间分布特征的信息表达方式[5]。地图空间数据中有测站与空间位置对应关系表，实测数据库中有测站监测数据关系表，利用站码对应关系实现监测数据与空间位置关联，使用GIS 功能结合 Windows 系统编程实现水雨情信息在电子地图上显示。另外，这些数据可按照测站的重要性在电子地图上分层次显示，可选择同时显示各类测站水雨情或仅显示当前选择类型的测站信息。分布式信息查询功能结构如图3所示。

图3 分布式信息查询功能结构

图表信息查询分析模块分为雨情、水情信息查询分析。雨情有单站逐日降雨过程、单站逐时降雨过程、多站多日累计雨量等分析功能；水情有逐日水位流量（蓄量）过程、逐时水位流量（蓄量）过程，河道站为水位流量过程，水库站为水位蓄量过程。各查询分析模块均使用图形与表格进行展示，并将分析出的特征点使用文本或亮颜色进行突出显示。

2.3.2 预报信息服务

系统开发了水库群洪水预报模型，基本预报方式有实时自动、人工干预、已知未来降雨等洪水预报及历史洪水资料模拟计算，各预报结果分别存储于专用数据库，可供查询信息服务。

预报结果展示方式以数据、表格、过程线图为主，在预报结果综合分析模块中，使用表格显示预报时段内各时间的断面水位，预报断面包括霍童溪流域内7座大中型水库代表站、河道站洋中板等断面，使用过程线图形展示每一断面水位变化趋势。在预报结果查询中可分别对各预报方式的计算结果进行查询，并为信息发布提供了数据输出功能。

3 结语

综上所述，该系统采用了 GIS 技术对水雨情监测信息进行分布式显示处理，使用多数据库集成开发技术，对水雨情实时报汛、历史、系统专用等数据集成分析；充分利用计算机软件开发技术将霍童溪流域以概化图形式显示，帮助用户利用分析系统功能全面掌握流域内水雨情形势，通过系统集成技术将水雨情信息服务与洪水预报模型集成为防洪信息系统。目前该系统正在试运行，在运行过程中将进一步修正完善，使之成为流域防洪中的重要技术支持。

[1] 郑华锋.宁德市水电开发[M].北京：水利水电出版社，2008: 130-155.

[2] 赵勇，裴源生，于福亮，等.黑河流域水资源实时调度系统[J].水利学报，2006,37（1）: 82-89.

[3] 薛伟.MapObjects 地理信息系统程序设计[M].北京：国防工业出版社，2004: 29-45.

[4] 赵人俊.流域水文模拟—新安江模型和陕北模型[M].北京：水利水电出版社，1984: 106-131.

[5] 雷四华，朱建英，吴永祥，等.苏北地区水雨情形势分析系统[J].水利水文自动化，2007（2）: 47-50.