北京市南沙河流域三维防汛辅助系统设计与开发

靳燕国，柴福鑫，曹大岭

（1. 南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）



北京市南沙河流域三维防汛辅助系统设计与开发

靳燕国1，柴福鑫2，曹大岭2

（1. 南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

摘 要：三维仿真技术在流域防汛辅助决策中发挥着重要作用。基于 Skyline，DEM，GIS 等技术，构建北京市南沙河流域大场景仿真三维场景，利用 Microsoft Visual Studio 2005 平台的 C# .Net 语言进行二次开发，开发流域三维防汛辅助管理系统，实现包括三维信息服务、三维展示、空间分析、内涝分析、洪水演进、灾情评估等功能，可为流域防汛决策管理提供支撑平台。

关键词：三维仿真；防汛辅助系统；南沙河流域；决策

0　引言

南沙河为北运河上游温榆河的主要支流，流域面积为 263 km2，其中山丘区占 24%，主河道长度为30.6 km，河道比降在 2%～4% 之间。南沙河流域多年平均年降水量为 596.5 mm，年水面蒸发量为1 260 mm，降水量年内分布不均，6—9 月的汛期降水量占全年降水量的 83%。南沙河为北京市海淀区北部主要排水河道，流域径流主要有雨洪、山前泉水和城市排水组成。近年来，极端降雨事件频发，如 2012 年“7.21”特大自然灾害中，流域平均降雨 174 mm，造成大面积城市内涝和山洪暴发，给流域防汛管理提出了新的要求。随着信息化的快速发展，三维仿真技术不断应用于流域管理中[1-6]，极大地提高了流域管理的直观性和空间分析能力。为此，利用 Skyline 系列软件，构建了北京市南沙河流域大场景仿真三维场景，并在 .net 框架下开发了南沙河流域三维防汛辅助管理系统，为科学合理地预报、调度流域洪水提供技术支持手段，提高南沙河流域管理和防汛决策的直观性及立体性。

1　总体设计

1.1整体架构

南沙河流域三维防汛辅助系统采用 3 层结构设计，具体分析如下:

1）数据层。在已有的实时监控、预报调度 2 个数据库基础上，建设基础和空间数据库，并在此基础上实现数据的汇集、处理和交换，为系统提供数据支撑。

2）应用基础层。作为数据层和应用层的中间层，为数据访问层和应用层提供接口和桥梁作用，采用 .net 框架作为整体容器，运用数据 COM 接口和API 及数据库操作服务作为业务和数据库访问接口，实现应用层和数据层之间的信息交互。

3）应用层。作为系统可视化展示和人机交互的平台，实现三维仿真和淹没分析等服务的可视化表达，主要实现三维空间查询与浏览、淹没分析（含内涝分析）、洪水演进和灾情评估等功能。系统人机交互提供了 3D GIS 地图互操作的方式，展示结果以图形、报表、地图等多种方式进行。

系统整体架构如图 1 所示。

1.2关键技术

开发语言采用 C#，开发工具采用 Visual Studio .net 2008；数据库采用 SQL Server 2005；辅助环境为TerraExplorer Pro6.1.1，Arc Engine 9.3。

图1　系统整体架构图

2　主要功能

2.1淹没分析

1）淹没分析。城市积水内涝是城市防洪最常见的问题，本研究利用北京市实时积水深度采集的数据，据根 DEM 建模计算，实现某一点（道路或下凹式立交桥）有实测淹没水深的区域进行淹没范围的分析计算；同时也可以实现在地图上选定一点或输入经纬度，并给定淹没水深，系统自动生成淹没范围和面积，具体功能界面如图 2 所示。

图2　淹没分析功能界面

2）内涝分析。受城市管网数据及实际过水能力等多方面的制约，要想构建城市地表与地下联合排水模型难度较大，本研究根据排水分区的概念，构建了基于水量平衡的排水单元内涝分析模型。具体是通过输入或导入一定区域的降水过程，然后给定该区域排水管网的综合排水能力，通过模型计算得到各个时段的累计积水量，最后利用三维仿真平台给出积水范围和深度。实现了在给定某一区域降水系列及排水能力的情况下，给出最大的淹没范围及水深，并且可以查询任一点的淹没水深，功能设计界面如图 3 所示。

图3　内涝分析界面

2.2洪水演进

南沙河流域已建或新建有 10 多座水文站或水位站，通过实测或预报的流量过程，系统通过水位-流量关系曲线自动计算断面水位过程，并进行差值计算，给出 1 km 间隔各个断面的水位变化过程，然后通过在三维系统中构建三维水体淹没范围，进行洪水淹没过程的三维仿真。具体功能包括选择数据或方案，设置动态演进时间间隔等，洪水演进界面如图 4 所示。

此外，三维防汛辅助系统还可以把生成的洪水演进成果，通过选择路径和输入文件名称将淹没范围保存为一个文本文件，包括所有边界点的经纬度和水位，便于其他系统调用。

2.3灾情评估

通过淹没、内涝和洪水演进分析及人工圈画等方式，确定内涝或洪水可能的影响范围，通过与社会经济信息（包括行政区划、土地利用、人口分布等信息）的叠加分析，可以评估出各个行政区划受影响的淹没、土地利用类型（居民地和耕地等）的面积及人口等，详细功能设计如图 5 所示。

图4　洪水演进界面

图5　灾情评估功能界面

2.4系统管理

三维防汛辅助系统管理功能主要包括三维场景设置、数据库配置及参数设置等。三维场景设置用来选择和配置三维场景；数据库配置功能用来设定数据库的服务器、用户名、密码等参数；参数设置功能用来管理洪水演进的水位流量关系、参考点的位置、差值的参数等数据。

3　结语

利用计算机和三维仿真技术、数字高程模型等构建数字流域，并结合实时监控数据和洪水预报调度等专业分析模型，进行流域防汛管理和辅助决策是防汛排涝研究的发展方向之一。本研究以北京市南沙河流域为例，通过对河流水系、行政区划、水利工程等矢量数据，以及 DEM、遥感影像和实时水文数据等各种信息的收集，分析与处理，建立了实时监控、预报调度等数据的调用，以及用于淹没分析、洪水演进和灾情评估的防汛辅助综合数据库，并在此基础上利用 Skyline 系列软件构建了流域大场景真三维场景，开发了集流域防汛空间展示与分析、数据服务、淹没分析、内涝分析、洪水演进、灾情评估等辅助分析和决策等功能于一体的北京市南沙河流域三维防汛辅助系统，为流域防汛和应急管理提供了支撑平台，为我国城市内涝分析、河道洪水三维仿真模拟提供了技术参考。但是，受到内涝监测点实时及数据地形资料等信息的限制，在城市内涝分析模拟模型和精细灾情评估方面还需要进一步研究。

参考文献：

[1] 柴福鑫，黄诗峰，程先云. 堰塞湖应急管理三维 GIS 系统开发及应用[J]. 中国水利水电科学研究院学报，2013，11 (3) : 221-225.

[2] 王韶玉. 基于 DEM 的坝堤溃决洪水淹没评价模型与方法研究[D]. 武汉：华中科技大学，2010: 27-28.

[3] 王德厚，谭德宝. 数字长江建设与水利科技发展[J]. 长江科学院院报，2001，18 (3): 43-46.

[4] 刘仁义，刘南. 基于 GIS 技术的淹没区确定方法及虚拟现实表达[J]. 浙江大学学报，2002，29 (5): 573-578.

[5] 张尚弘，姚仕明，曲兆松，等. 流域三维可视化与数值模拟的实时交互运行[J]. 清华大学学报：自然科学版，2004，44 (12): 1635-1641.

[6] 康玲，王学立，姜铁兵，等. 基于数字高程模型的流域变动等流时线方法[J]. 水利学报，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

作者简介：靳燕国（1983-），男，河北邢台人，工程师，从事水资源调度管理研究工作。

基金项目：国家水污染治理与保护重大专项（2012ZX07201-006）

收稿日期：2015-10-13

中图分类号：TV871.3

文献标识码：A

文章编号：1674-9405(2016)01 -0056-04