GIS系统在丰满水库调度自动化系统水文分析计算中的应用

王 进，尤晶晶，于承跃

（1. 丰满发电厂，吉林省吉林市 132108；2. 吉林省第二松花机动防汛抢险队，吉林省吉林市 132108）

GIS系统在丰满水库调度自动化系统水文分析计算中的应用

王 进1，尤晶晶2，于承跃1

（1. 丰满发电厂，吉林省吉林市 132108；2. 吉林省第二松花机动防汛抢险队，吉林省吉林市 132108）

丰满水库是一个以发电为主，兼顾防洪、灌溉、供水、航运等综合利用的大型水库，是东北松花江流域一个重要的水利枢纽节点。而水库调度的效果在发挥防洪、发电、灌溉、旅游诸方面效益上起到关键作用，那么及时掌握水库的可调水量，也即把“水文分析计算”准确性是做好水库调度工作的重中之重。GIS 系统在丰满水库调度自动化系统中以数据为核心，以可视化描述为特点，对空间数据进行定位、可视化与管理，实现了空间、地理分布及其属性数据的采集、存储、管理、查询、分析和图形交互显示，为地理研究和决策服务做出了突出贡献，大大提高了水文分析和流域内人类活动影响下的洪水预报水平，同时对流域内站网布置起到了关键作用。

地理信息系统；水文分析计算；水库调度；发电效益；防洪效益

0 引言

丰满发电厂水库调度综合自动化系统由数据采集、日常业务管理、洪水预报、洪水调度、发电调度、GIS雨水情查询分析、会商数据发布、Web信息发布、备份系统九大子系统组成，其中地理信息系统（Geographic Information System，GIS）在雨水情查询分析上的应用是丰满水库调度系首次，它以地理空间数据库为基础，在计算机硬件的支持下，对空间相关数据进行数据采集、数据处理、数据存储与组织、空间查询与分析、图形交互与显示，并采用地理模型等分析方法，实时提供多种空间和动态的地理信息。它基于对历史资料的收集整理和水电站流域的水文、气象、水库运行和地理信息及时准确的获取，进行在线水文预报、水文分析和水务管理等，它的应用提高了水文分析计算精度，并能迅速为防洪和发电在内的综合决策方案打下基础。

1 地理信息系统应用于基础数据的处理与制作

1.1 丰满卫星地图的制作

丰满卫星地图的制作在原始栅格卫星地图的基础上通过应用ARCMAP软件进行投影变化、拼接、配准。然后将制作好的卫星图片作为一个图层，同国家1∶25万的水系图及测站叠加后形成。卫星地图在系统中效果见图1。

丰满卫星地图采用墨卡托（Mercator）投影。该投影又名“等角正轴圆柱投影”，可以保证对象的形状不变形，但越接近极地越会有很大的面积变形。由于人类生活区域大都远离极地。因此墨卡托投影也是国际常用的标准投影。该投影的示意图见图2。

1.2 丰满高程地图的制作

丰满高程地图的制作在利用丰满流域90m分辨率的DEM数据。通过应用ARCMAP软件进行高程渲染、配准。然后将制作好的高程图作为一个图层，同水系、测站等其他图层叠加后形成。丰满高程地图在系统中效果见图3。

2 地理信息系统在数据展示中的应用

地理信息系统作为计算机技术的一种，生来就具有强大的数据展示能力。本次丰满系统采用美国MapInfo公司的MapX组件就提供了一个强大的桌面地图模块。在该模块的支持下搭建了水调系统的水雨情数据的GIS分析界面。一方面在地图上直观显示水雨情数据，另一方面也利用模块集成的一些基本功能控制地图、查询分析对比数据。

（1）在地图上显示每个测站的坐标位置，并与底图的河流水系行政区划分层显示。地图可以放大缩小和测量测站间的距离。

（2）提供了常规地图（等值线地图）、面雨量视图（泰森多边形）、等值面地图、卫星影像图及高程图五种方式显示流域地图并可相互切换。

（3）通过预设的子流域，在地图上绘制标线将地图分区显示。

（4）列表与地图同步显示相关数据。

（5）地图与列表测站记录可以交互定位，以便数据显示直观。

水雨情数据的GIS分析界面见图4。

3 地理信息系统在雨情分析中的应用

地理信息系统的特长是强大的空间分析能力。在本次丰满系统中将GIS与降雨分析结合取得了不错的成果。具体表现在面平均雨量的计算、等值面的绘制、暴雨中心分析等方面。

3.1 面平均雨量的计算

本次系统中采用了泰森多边形面积权重方法计算流域或分区的面平均雨量。该方法原理见图5。

图上各个多边形就是各个测站的泰森多边形。泰森多边形必须满足以下三个特性：①每个泰森多边形内仅含有一个雨量测点；②泰森多边形内的任何点到相应雨量测点的距离最近；③位于泰森多边形边上的点到其两边的雨量测点的距离相等。

根据式（1）计算面平均雨量时每个测点雨量的权重就是该测点所在泰森多边形的面积点流域总面积的比。

式中：Pavg——面平均雨量，mm；

Pi——第i个测站的点雨量，mm；

Ai——第i个测站的泰森多边形面积，m2；

n——雨量测站总个数。

这种方法相比算术平均法计算面平均雨量更科学，但由于这种计算方法复杂、手工计算难度大，所以一直只在研究领域中应用。在本次系统中利用GIS空间分析技术引入了这种面平均雨量计算方法。在洪水预报的参数率定、方案制定及实时预报中也应用了这种面平均雨量的计算方法。本次丰白区间遥测雨量站的雨量权重如表1所示，在系统中面平均雨量的计算结果见图6。

3.2 等值线/等值面的绘制

本次系统中应用GIS技术绘制雨量等值线采用了两种方法：一种反距离加权法（IDW），另一种是三角形网格法（TIN）。

反距离加权法是在流域内划分出若干矩形网格，将各测站的雨量值按距离的平方的倒数转换到网格节点上。节点与节点之间的雨量值按线性分布。然后将矩形按一定顺序分成两个三角形。从三角网格的某一条边开始向相邻的各边追踪。只到追踪到起点或追踪到边界边为止。根据式（2）计算各网格点雨量

式中：Pavg——节点平均雨量，mm；

Pi——第i个测站的点雨量，mm；

Di——第i个测站到节点的距离，km；

n——雨量测站总个数。

计算方法示意见图7，在系统中的等值面效果见图8。

3.3 雨情时空演进

雨情时空演进，包括暴雨中心移动图、暴雨累积过程图等，是水文分析中最需要了解的一个重要方面。本系统中，首次将丰满流域雨情时空演进利用GIS技术在地图上演示出来，大大提高了系统的水文分析水平。

本次雨情时空演进，展示丰满流域暴雨中心的移动过程及降雨的时空分布过程，通过设置时段及模型、绘制单独等值面图、确定等值面的颜色分类。显示雨情时空变化的基础地图见图9。

地图可通过右上角工具条进行平移、放大及缩小。在窗体右下方点击制作按钮，程序按时段生成一定数量的图层，并在列表中一一列出。在生成的同时一并播放。也可等全部生成结束后点击播放按钮进行播放。如果点击保存按钮可将所有图层生成图片，保存在指定的文件夹下。雨情时空演进的输出成果见图10。

4 GIS系统在丰满洪水预报中新安江洪水预报模型上的应用

4.1 水文特征信息的提取

丰满数字流域模型以90m分辨率的DEM数据为基础，采用GIS技术提取水系、划分子流域。利用1∶250000比例尺的土地利用栅格资料用于分析优化不同土地覆盖条件下的地面产流、下渗参数。本次丰满流域水文特征信息在前人研究成果的基础上采用GIS手段。建立丰满数字流域模型，这个过程包括DEM提取河网、划分子流域提取各单元进行单元分块。

4.2 DEM预处理

对DEM资料进行洼地填充。受DEM空间分辨率及DEM生成过程中的系统误差的影响造成DEM中洼地水流方向不正确，对跟踪水流线和确定流域边界线带来困难。但是并非所有洼地都是由数据误差造成的，有些洼地是地表形态的真实反映。因此在进行洼地填充前必须计算洼地深度，设置合理的填充阈值。深度小于填充阈值的洼地被填平，深度大于阈值的洼地将被视为合理存在而不被处理。该阈值由全部洼地的深度、贡献度的统计而确定。

4.3 河道水系提取

在DEM基础上根据水流方向、地形起伏生成了数字河网。通过试验发现在流域内在地势起伏较大的丘陵、高山地区生成的河网与数字高程模型吻合程度好而在山谷平原有些河道位置发生偏差出现伪河道特别是坡度3°的平坦地区生成的河网与自然水系偏差较大。通过与1∶50000比例尺的电子地图比较生成的河网与数字化河网吻合性很好能够反映水系的走向变化。基于DEM的模拟河网与实际河网的对比见图11、图12。

4.4 计算单元的划分

根据丰满流域的特点以及流域内水文站的布置，将流域进行分块；再根据分块内雨量站的布设情况，将分块进行单元划分，设置单元内各个雨量站的权重；为各个分块配置预报模型，并调试确定模型的参数；根据分块信息以及配置的预报模型等设置预报方案。利用流域DEM构建的数字流域自动划分子流域方法完全以流域分水线为界每一个单元界限都足分水线同时考虑雨量站的分布保证每一个单元内有一个雨量站。在进行实时预报时，采用遥测数据、报汛数据、遥测与报汛综合数据作为预报的数据源，对预报成果进行实时校正，提高预报的精度，保证了流域径流形成过程的完整性物理概念更加清晰保证了流域径流形成过程的完整性。

5 GIS系统在流域人类活动影响分析上的应用

典型子流域附加洪量类推法：基于地理信息系统，构建流域降雨等值面图；在等值面图上，按产生附加洪量、有出口控制水文站的标准，选取典型子流域，并进行代表性审查；进行典型子流域附加洪量计算；按次洪降雨量等值面图分区，以典型子流域控制流域面积占同标准分区的面积比类推次洪附加洪量（用GIS系统量算流域面积）。

5.1 典型子流域—民立站基本情况及代表性问题

民立站，位于辉发河支流金沙河上，距河口距离12km，控制流域面积1037km2。该流域的大部分面积处于200～300mm之间，部分面积大于400mm，能很好地代表大于200 mm的流域面积。从图中求取大于200 mm的流域面积14100km2，占丰白区间流域面积的60%。降雨计算如表2所示。

5.2 民立站流域在“20100729”次洪中附加洪量计算

（1）民立流域内有民立和八道河子两个雨量站，本次洪水两站场次平均降雨255mm。

（2）出口断面民立站，为控制站，7月21日，典型流域开始降大暴雨，流量开始加大；7月28日次洪爆发，产生2620 m3/s，比历史最大洪峰1953-8-20的1910 m3/s多37%；至8月5日，次洪结束，期间断面过水量3.2亿m3。具体计算结果见表3所示

（3）民立站流域在“20100729”次洪中附加洪量计算。以流域平均255mm、过程水量3.2亿m3控制流域面积1037 km2计算，产流系数1.21。按产流系数突变法的基本原理，计算结果超过1，则超出的部分是人类活动的附加洪量。依此计算，产流系数为1时，来水2.64亿m3，则附加洪水0.56亿m3。

5.3 典型子流域民立站流域附加洪量类推法评估 “20100729”次洪中附加洪量

用典型子流域民立站控制流域面积1037 km2来代表大于300 mm的流域面积14100km2之进行评估：

6 地理信息系统在站网论证上的应用

按照《水文站网规划技术导则》，面雨量站的控制面积为300km2。当前丰满流域红石—丰满区间的遥测雨量站总共有42站。远远达不到标准。丰满流域的雨量站网还有很大的调整空间。

本次雨量站网论证同样也采用GIS空间分析工具。将各雨量站的控制区域按泰森多边形的方法画到丰满流域水系地图上，计算出每个测站的控制面积及区域。同时叠加新安江洪水预报的各个预报区间。确定每个区间的雨量站数目及控制面积。最后利用这些计算成果并结合当地的暴雨特性、下垫面情况对各个预报区间的雨量站分布情况进行评价。

可以说由于本次站网论证采用了GIS技术，使得站网论证的工作效率大大提高，研究更加深入、结果更加客观可信。

另外在具体的实际布站过程中，由于测站需要定期维护。因此要求测站位置不能离人类活动区域太远。因此在确定居民区后可以采用GIS技术缓冲区分析功能确保测站即能满足密度要求，又能离居民区在一定的范围之内，方便维护。

7 结束语

地理信息系统作为一项以计算机为基础的新兴技术，具有强大的空间分析功能及直观的数据展示能力。随着这种技术的成熟，应用也越来越广泛。基础数据的处理利用GIS技术提高了数据质量。其强大的桌面地图模块集成进系统也为系统增加了不少亮度。泰森多边形及等值线/面的自动生成及雨情时空变化演示大大提高了系统的水文分析能力。特别是雨情时空变化演示，在水情水调系统中应用。从DEM上提取新安江洪水预报模型需要的水文特征信息一方面为预报参数的率定提供了客观稳定的数据基础，另一方面也为未来参数的实时率定提供了技术支撑。

最后，随着国家电力部门对防汛工作的越来越重视，可以预见不久的将来，采用地理信息系统或组件展示、分析水电站流域的水雨情信息将成为水电站水调系统的标准配置。从而推动水调系统的水文分析水平更上一层楼。

[1]朱庆利，田质胜，乔婷．基于GIS的水库调度系统及其关键技术研究． 中国农村水利水电，2009，03．ZHU Qingli，TIAN Zhisheng，QIAO Ting． （2009）．Research of Reservior Regulation Calculation System and the Key Technology based on GIS．China Rural Water And Hydropower．No． 03．

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2017-05-30

2017-07-30

王 进（1983—），男，中级工程师，主要研究方向：水文水资源工程、水库调度及其自动化系统等。E-mail：446741904@qq．com

尤晶晶（1984—），女，中级工程师，主要研究方向：水文水资源工程、水利工程及其自动化系统等。E-mail：635262724@qq．com

于承跃（1989—），男，助理工程师，主要研究方向：水文水资源工程、水利工程及其自动化系统等。E-mail：1013435130@qq．com

Application of GIS system in the hydrological analysis and calculation of Fengman reservoir dispatching automation system

WANG Jin1，YOU Jingjing2，YU Chengyue1
（1.Fengman Hydro-power plant， Jilin 132108， China； 2.Jilin Province， the second songhuajiang motor flood control team， Jilin 132001， China）

Fengman reservoir is a large reservoir which is mainly used to generate electricity， combine flood control， irrigation，water supply， shipping and so on.And it is also an important hydro junction node of the northeast Song huajiang River basin.And how much water can regulated，at the same time to play the benefits of flood control， power generation， irrigation and tourism，to master the water quantity in time，also called“the hydrological analysis and calculation” is a crucial issue.GIS technology is a spatial information system of multi discipline integration，with the support of computer hardware and software systems，it can realize the data collection， storage， management， query， analysis and graphic interactive display of the data and the spatial and geographical distribution based on spatial database.The GIS system can also take the data as the core， take the visualization description as the characteristic， locate、visualize and manage the spatial data.It is a spatial information integration system that can provide services for geographical research and decision making，and has been widely used in reservoir dispatching system，greatly improve the level of hydrological analysis.

geographic information system；hydrological analysis and calculation；reservoir operation；generation benefit；flood control benefit

TK71

A学科代码：470．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．017