儲(chǔ)華平，章薛棟，王春樹(shù)，張曉麗，蔣建業(yè)

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3.宜興市油車(chē)水庫(kù)管理所，江蘇 宜興 214200；4.甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊河水利管理處，甘肅 武威 733006；5.廣西興安縣水利局，廣西 興安 541300）

基于?GIS?技術(shù)的油車(chē)水庫(kù)三維防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)

儲(chǔ)華平1,2，章薛棟3，王春樹(shù)1,2，張曉麗4，蔣建業(yè)5

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；
2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；
3.宜興市油車(chē)水庫(kù)管理所，江蘇 宜興 214200；
4.甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊河水利管理處，甘肅 武威 733006；
5.廣西興安縣水利局，廣西 興安 541300）

為實(shí)現(xiàn)油車(chē)水庫(kù)數(shù)字化、信息化、現(xiàn)代化的科學(xué)管理，采用地理信息系統(tǒng)、虛擬仿真、網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)庫(kù)等信息技術(shù)，開(kāi)發(fā)了與各應(yīng)用子系統(tǒng)相互獨(dú)立、信息共享、聯(lián)合運(yùn)用的油車(chē)水庫(kù)三維仿真及防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)，為水庫(kù)防洪調(diào)度方案分析與決策等方面提供輔助支持。

GIS；水庫(kù)；防洪調(diào)度；三維仿真

0 引言

水庫(kù)大多涉及到防洪、灌溉、發(fā)電、供水等應(yīng)用。而水庫(kù)究竟有多少水可調(diào)，在發(fā)揮防洪、發(fā)電、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖諸方面效益的同時(shí)，及時(shí)掌握可調(diào)水量，也即把“水帳”算清是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。庫(kù)容是水庫(kù)調(diào)度不可忽視的問(wèn)題，而庫(kù)容又與水庫(kù)的橫、縱斷面及水位和水深有關(guān)，由于泥沙淤積、降水量多少等原因，水庫(kù)水量是動(dòng)態(tài)的，不對(duì)水庫(kù)水量正確調(diào)度，會(huì)在大洪水時(shí)，造成水庫(kù)堤壩漫溢甚至垮壩。水庫(kù)失事的原因多為水文資料不足，未及時(shí)掌握水庫(kù)相關(guān)的水文情況；信息滯后，選用的防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低；運(yùn)行多年，庫(kù)內(nèi)泥沙淤積使有效庫(kù)容大幅度減少而管理者對(duì)此又未及時(shí)掌握等。

近年來(lái)我國(guó)逐漸提出從傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變的治水新思路，大壩安全管理已逐步走上法制化、正規(guī)化軌道，正朝信息化方向邁進(jìn)。目前水庫(kù)三維防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)等水庫(kù)信息化相關(guān)的系統(tǒng)功能日趨強(qiáng)大，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還處于中等甚至偏下的水平。三維防洪調(diào)度管理信息化相對(duì)滯后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、三維防洪模擬調(diào)度、淹沒(méi)分析等功能，嚴(yán)重制約了水庫(kù)運(yùn)行管理水平，特別在遇到洪水及地震等自然災(zāi)害時(shí)難以及時(shí)、準(zhǔn)確和全面了解掌握大壩安全狀況和發(fā)展變化趨勢(shì)。

GIS 技術(shù)是 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科集成的空間信息系統(tǒng)，是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)的支持下，以空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)與空間和地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、分析和描述，以數(shù)據(jù)為核心，以可視化描述為特點(diǎn)，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、可視化與管理，為地理研究和決策服務(wù)的空間信息集成系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著 GIS 技術(shù)的發(fā)展，在水利信息化建設(shè)中，水利基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)時(shí)信息的三維模擬、水文水利模型的模擬仿真等為水利信息化管理工作提供了新的技術(shù)手段和方法。基于此， 研究開(kāi)發(fā)了基于 GIS 技術(shù)的油車(chē)水庫(kù)三維防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

油車(chē)水庫(kù)三維防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)采用 C/S和 B/S 混合架構(gòu)：C/S 結(jié)構(gòu)完成各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)控、安全監(jiān)測(cè)資料分析、洪水預(yù)報(bào)、閘門(mén)調(diào)度方案計(jì)算分析等功能；B/S 結(jié)構(gòu)對(duì)外提供信息瀏覽與查詢(xún)，通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)、操作系統(tǒng)平臺(tái)和操作界面，將各個(gè)子系統(tǒng)集成在一起，實(shí)現(xiàn)信息共享與統(tǒng)一管理。系統(tǒng)采用 SQL Server 2008 數(shù)據(jù)庫(kù)，架構(gòu)在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、硬件和軟件環(huán)境，以及已建成的水利信息調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分利用系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，為整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

1）水庫(kù)三維場(chǎng)景構(gòu)建。利用水庫(kù)周邊的遙感影像、水庫(kù)工程設(shè)施設(shè)計(jì)電子圖及地形圖等數(shù)據(jù)，創(chuàng)建水庫(kù)周邊的三維地形場(chǎng)景，并疊加大壩三維模型，構(gòu)建虛擬的水利三維場(chǎng)景。

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接?？梢耘c已建成的水庫(kù)水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的水、雨情等數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫連接，并可以根據(jù)獲取到的實(shí)時(shí)水、雨情數(shù)據(jù)，在水庫(kù)三維場(chǎng)景中模擬實(shí)時(shí)的水勢(shì)狀態(tài)。

3）三維視圖與操作。在三維虛擬仿真環(huán)境中，基于三維實(shí)體目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)樞紐工程的基本屬性信息管理與查詢(xún)。

4）三維漫游?？梢栽谌S水庫(kù)場(chǎng)景中進(jìn)行實(shí)時(shí)的瀏覽控制操作，操作人員可以隨意改變模擬演示的路徑、高度、角度、速度等。

5）水庫(kù)信息二三維無(wú)縫查詢(xún)。不僅能查詢(xún)場(chǎng)景中三維模型相關(guān)的屬性信息，而且能夠查詢(xún)二維 GIS數(shù)據(jù)中的屬性信息，用戶(hù)在三維漫游的過(guò)程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)不能在三維流域中表達(dá)的專(zhuān)題區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)能夠顯示或者查詢(xún)相關(guān)的屬性信息。

6）庫(kù)容計(jì)算。構(gòu)建規(guī)則格網(wǎng)（Grid）模型計(jì)算水庫(kù)容量和庫(kù)容曲線，并在操作界面上直觀地看到庫(kù)容的數(shù)據(jù)信息。

7）淹沒(méi)分析?？梢栽谒畮?kù)三維場(chǎng)景中，利用提供的起始和終止水位高程，在三維 DEM（數(shù)字地面高程模型）基礎(chǔ)上以指定水位漲幅步長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)模擬洪水淹沒(méi)的過(guò)程。

8）運(yùn)行模擬。對(duì)泄水閘按照單孔、固定或自由編組、全部等開(kāi)啟方式，實(shí)現(xiàn)樞紐泄水閘的日常運(yùn)行狀況模擬。

9）水庫(kù)泄洪三維模擬。可以在三維水庫(kù)場(chǎng)景中，通過(guò)設(shè)定相關(guān)的模擬參數(shù)，模擬水庫(kù)在泄洪時(shí)的水面動(dòng)態(tài)變化情況。

2 水庫(kù)三維建模技術(shù)路線

為了構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)的水庫(kù)三維場(chǎng)景，需要對(duì)地形、大壩模型等相關(guān)地物進(jìn)行三維建模，并利用三維場(chǎng)景管理技術(shù)對(duì)各種模型進(jìn)行無(wú)縫的組織和管理，以支持應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)[1]。在對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)三維模型的建模與空間分析中，如何高效地組織和管理三維模型數(shù)據(jù)是三維 GIS 中的核心問(wèn)題[2]。在比較現(xiàn)有三維數(shù)據(jù)模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮源數(shù)據(jù)的格式特點(diǎn)和三維開(kāi)發(fā)平臺(tái)的特征，將系統(tǒng)中的三維模型分為三維地形和大壩實(shí)體 2 種模型。三維地形模型主要包括大壩周邊的地形、重要的水系等，為此基于 DEM 和遙感影像數(shù)據(jù)建立三維地形模型，基于壩體建筑數(shù)據(jù)構(gòu)建三維大壩模型。水庫(kù)三維模型構(gòu)建的技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 水庫(kù)三維模型構(gòu)建技術(shù)路線圖

1）數(shù)據(jù)采集。三維 GIS 建模所需要的數(shù)據(jù)主要有平面數(shù)據(jù)（二維矢量數(shù)據(jù)）、影像數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)（主要是建筑物的高度數(shù)據(jù)）、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（用于地面建模）。

二維矢量數(shù)據(jù)中最重要的是建筑物周邊的地理要素?cái)?shù)據(jù)和建筑物的幾何要素?cái)?shù)據(jù)。建筑物的幾何要素?cái)?shù)據(jù)可以通過(guò)建筑物的規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙獲取，也可以從航空或高分辨率衛(wèi)星影像上獲取地面建筑物的特征線。

影像數(shù)據(jù)可以在遙感衛(wèi)星或者航空影像中采集獲得，建筑物的紋理影像可以通過(guò)航空攝影、衛(wèi)星遙感相片提取等方法獲取，建筑物頂部的紋理一般從遙感影像或者航測(cè)相片提取，側(cè)面的紋理主要通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍攝獲取，由于拍攝的照片會(huì)受到光線、拍攝角度、拍攝范圍、建筑物高度等影響，因此需要用 Photoshop 等圖像處理軟件進(jìn)行進(jìn)一步的加工處理，得到正射的紋理圖片。

建筑物的高度數(shù)據(jù)主要從建筑物的規(guī)劃圖紙和相關(guān)資料獲取。

數(shù)字高程模型目前主要的獲取方法有：通過(guò)航天、航空遙感影像立體像提取 DEM；利用現(xiàn)有的地形圖掃描數(shù)字化等高線，獲取高程數(shù)據(jù)生成 DEM。

2）三維建模。三維地形建模主要是把獲取到的數(shù)字高程模型和遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。建筑物實(shí)體模型主要是利用 3Dmax 軟件基于建筑物的長(zhǎng)度、寬度和高度等數(shù)據(jù)構(gòu)建三維實(shí)體模型，再把紋理數(shù)據(jù)貼到建筑物上。

3）數(shù)據(jù)管理。對(duì)獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)要進(jìn)行不同的處理，然后放入不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4）場(chǎng)景可視化。把構(gòu)建好的三維地形和建筑物的模型統(tǒng)計(jì)加載到 ArcScene 中，并設(shè)置好建筑物的朝向及光照角度。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 庫(kù)容計(jì)算

水庫(kù)庫(kù)容指在某一水位以下的蓄水容積大小[3]。庫(kù)容計(jì)算的復(fù)雜程度取決于水庫(kù)地形的復(fù)雜程度，目前常用的庫(kù)容計(jì)算模型有等高線法、斷面法、三角網(wǎng)和方格網(wǎng)的 DEM 法[4]，以及基于像素的三維水面模型[5]。本研究選用基于方格網(wǎng)數(shù)字地面模型計(jì)算水庫(kù)庫(kù)容。原理為，在一定的水深范圍內(nèi)形成三維立體表面，分別計(jì)算出每個(gè)四棱柱的體積，然后疊加即可確定這一高程下的庫(kù)容量；在上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成的規(guī)則格網(wǎng)立體模型中，分別用不同的高程面進(jìn)行切割，便可計(jì)算出各高程面下的庫(kù)容和相應(yīng)高程面的面積；將各高程面下的庫(kù)容數(shù)據(jù)繪制成圖，即為所求的庫(kù)容曲線。根據(jù)求取的庫(kù)容及水位、斷面面積等信息，利用水文學(xué)原理可計(jì)算出各因子之間的關(guān)系方程式或曲線。這種計(jì)算方法可消除傳統(tǒng)庫(kù)容計(jì)算中的繪制及量求面積等誤差，提高庫(kù)容計(jì)算的精度。系統(tǒng)采用這樣的計(jì)算思路實(shí)現(xiàn)庫(kù)容計(jì)算，可以在操作界面上直觀看到庫(kù)容的數(shù)據(jù)信息。

3.2 淹沒(méi)分析

淹沒(méi)分析主要是對(duì)洪水淹沒(méi)后所造成的影響進(jìn)行評(píng)估，主要包括淹沒(méi)面積、水深計(jì)算及淹沒(méi)評(píng)估分析[6]。

淹沒(méi)面積的計(jì)算包括無(wú)源和有源淹沒(méi)計(jì)算[7]，本研究采用基于方格網(wǎng) DEM 的無(wú)源分析，即不考慮區(qū)域是否連通和洼地是否為偽洼地，只判斷高程值，高程值低于給定水位值的點(diǎn)計(jì)入淹沒(méi)區(qū)。

洪水淹沒(méi)水深是度量洪災(zāi)嚴(yán)重程度的一個(gè)重要指針，是評(píng)估洪水災(zāi)害損失的一個(gè)重要因子。要獲取淹沒(méi)水深，需要高精度的 DEM 支持，通過(guò)水面高程與地面高程之差計(jì)算水深：

式中：D 為某點(diǎn)淹沒(méi)水深；Ew為該點(diǎn)的水面高程；Eg為該點(diǎn)的地面高程，且 Ew＞ Eg。

由公式得到的水面高程是離散的，要獲取連續(xù)性的水面高程需要采用空間插值技術(shù)，一般采用線性插值方法。

淹沒(méi)評(píng)估分析過(guò)程，指從社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中提取淹沒(méi)區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息，根據(jù)確定的淹沒(méi)范圍計(jì)算淹沒(méi)損失，對(duì)于區(qū)域統(tǒng)計(jì)量，按淹沒(méi)區(qū)占全區(qū)總面積的比例進(jìn)行分?jǐn)?。淹沒(méi)評(píng)估如圖3 所示。

3.3 水庫(kù)防洪調(diào)度模擬

防洪調(diào)度模擬系統(tǒng)由一組洪水預(yù)報(bào)、演進(jìn)等水利學(xué)模型，及模型運(yùn)算前、后處理模塊和洪水演進(jìn)三維可視化模擬功能組成。

油車(chē)水庫(kù)位于江蘇省宜興市湖滏鎮(zhèn)西南的丘陵山區(qū)，是洑西澗的攔蓄工程，壩址以上控制流域面積 37.4 km2，總庫(kù)容 3 324 萬(wàn)m3，是一座以防洪和城鎮(zhèn)生活供水為主的中型水庫(kù)。以確保水庫(kù)大壩工程安全為前提，水庫(kù)調(diào)度方案以興利服從防洪，局部服從整體，下級(jí)服從上級(jí)為原則。

圖3 淹沒(méi)評(píng)估界面

3.3.1 遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以下洪水（暴雨）的調(diào)度

在遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以下洪水，以庫(kù)水位確定泄洪流量時(shí)，在確保水庫(kù)大壩安全的前提下，溢洪閘的泄流量應(yīng)小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水的下泄流量，并應(yīng)充分發(fā)揮水庫(kù)的供水職能，以最大限度地發(fā)揮水庫(kù)的水資源效益。溢洪閘最大下泄流量應(yīng)控制在 108 m3/s 以?xún)?nèi)，以防止漫灘泄洪對(duì)溢洪河道周?chē)罕姷纳?cái)產(chǎn)造成危害。具體調(diào)度方案如下：

1）汛期限制水位 37.0 m，汛期根據(jù)氣象預(yù)報(bào)，在臺(tái)風(fēng)和暴雨來(lái)臨前 24 h 預(yù)降水位至 36.5 m；

2）當(dāng)壩址以上發(fā)生 20 年一遇以下的洪水（庫(kù)水位低于 20 年一遇最高洪水位 39.49 m）時(shí)，水庫(kù)與區(qū)間來(lái)水錯(cuò)峰下泄，即當(dāng)區(qū)間也發(fā)生洪水時(shí)水庫(kù)先關(guān)閘滯洪，待區(qū)間洪峰過(guò)后再按不超過(guò) 108 m3/s泄洪；

3）當(dāng)壩址以上發(fā)生 20～100 年一遇洪水（庫(kù)水位超過(guò) 20 年一遇最高洪水位 39.49 m，而低于100 年一遇洪水位 40.67 m）時(shí)，溢洪道控泄 108 m3/s（下游防洪控制斷面安全泄量的一半）。

3.3.2 遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及超標(biāo)準(zhǔn)洪水（暴雨）的調(diào)度

當(dāng)壩址以上發(fā)生 100 年一遇以上的洪水（庫(kù)水位超過(guò) 100 年一遇最高洪水位 40.67 m）時(shí)，溢洪道敞泄；在洪水回落、庫(kù)水位不再上漲時(shí)，應(yīng)及時(shí)泄出滯蓄在庫(kù)內(nèi)的洪水，最大流量盡可能不使湖滏鎮(zhèn)區(qū)河道超過(guò)安全泄量 216 m3/s，直至庫(kù)水位回落至汛期限制水位。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)三維防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)是水利信息化建設(shè)的重要組成部分。針對(duì)油車(chē)水庫(kù)的研究和開(kāi)發(fā)需求，結(jié)合 GIS 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水庫(kù)調(diào)度的三維模擬。應(yīng)用結(jié)果表明，三維防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)在水庫(kù)防洪調(diào)度方法的制定、分析與決策方面為管理決策部門(mén)提供了科學(xué)的輔助支持。但是由于模型的計(jì)算精度依賴(lài)于 DEM 的分辨率，以及水情等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，另外模型的選取及參數(shù)設(shè)置也會(huì)影響計(jì)算精度。因此，需要進(jìn)一步進(jìn)行以下幾方面的研發(fā)：

1）根據(jù)近幾年水雨情的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整洪水預(yù)報(bào)的參數(shù)，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，可根據(jù)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行水庫(kù)的防洪調(diào)度。

2）引入精確測(cè)量的地形圖及更多的庫(kù)容計(jì)算模型，并研究這些模型的計(jì)算精度和參數(shù)調(diào)用機(jī)制，為用戶(hù)提供簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速的計(jì)算功能，并對(duì)淹沒(méi)情況進(jìn)行精確分析。

3）根據(jù)近幾年大壩安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)建立大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析模型，在運(yùn)行管理系統(tǒng)中對(duì)變形、滲流情況實(shí)現(xiàn)可視化。

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3D Flood-Prevention System based on GIS of Youche Reservoir

CHU Huaping1,2,ZHANG Xuedong3, WANG Chunshu1,2, ZHANG Xiaoli4,JIANG Jianye5

(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology,the Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,China;
2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring,the Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,China;
3.Youche Reservoir Management of Yixing City,Yixing 214200,China;
4.Huangyang River Management office of WuWei City in Gansu province,Wuwei 733006,China;
5.Xing'an County Water Consevancy Bureau,Guangxi 541300,China )

In order to realize scientific management of featuring digitization,Informatization and modernization of Youche Reservoir,information technology of geological information system,virtual simulation,network communications,and database have been applied to develop the 3D simulation flood-prevention system on Youche reservoir.The system cooperates and shares information with mutual independent sub-systems,providing assistance to the analysis and decision-making on reservoir flood-prevention management.

GIS;reservoir;flood-prevention management;3D simulation

P208.2；TV697

A

1674-9405(2015)01-0058-05

2014-08-17

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目（Y913018）

儲(chǔ)華平（1969－），男，江蘇宜興人，高級(jí)工程師，從事水利工程自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)與管理工作。