王 琦

(國務院南水北調工程建設委員會辦公室，北京市 100038)

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南水北調中線工程輸水模擬平臺開發(fā)及應用

王 琦

(國務院南水北調工程建設委員會辦公室，北京市 100038)

南水北調是我國目前在建的最大調水工程，其干線工程穿越多個省市、涉及面廣，且沿線建筑物眾多，運行工況復雜。開發(fā)南水北調中線工程輸水模擬平臺能為工程施工建設、調度運行、維護管理等提供一個數(shù)字化平臺，提高工程運行管理的信息化水平。該平臺以二維GIS為基礎，采用Oracle數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理各類數(shù)據(jù)，并集成水力學、水力控制、冰期輸水控制等模塊，可實現(xiàn)輸水系統(tǒng)特性分析、運行調度方案優(yōu)化、防冰措施研究和信息查詢管理等功能。圖4幅。

南水北調；輸水模擬平臺；GIS系統(tǒng)；專業(yè)模塊集成；開發(fā)應用

1 概 述

南水北調是我國目前在建的最大調水工程，主要是為解決黃淮海流域水資源分布不均的問題。工程起點在湖北省丹江口市，終點在北京市和天津市，其間橫跨湖北、河南、河北、天津、北京5省市，以自流為主，局部采用泵站加壓管道輸水組合方案。中線工程總干渠全長1 432 km，沿線設有61座節(jié)制閘、88個分水口以及51座退水閘。工程規(guī)模十分宏大，輸水流量大，沿線建筑物眾多，是一項十分復雜的輸水系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)(GIS)具有表達地理要素直觀等特點，并且可作為基礎平臺，在其上集成數(shù)學模型，可提供專業(yè)分析功能。目前，GIS系統(tǒng)廣泛應用于許多領域，尤其是國土、交通、能源等與地理要素具有密切聯(lián)系的行業(yè)，輸水工程也不例外。王曉輝等[1]利用基于ActiveX控件開發(fā)的TopMap系統(tǒng)，實現(xiàn)了南水北調中線工程二維GIS顯示、三維場景展示，并可從多視角展示工程概貌及相關信息。魏加華等[2]利用TGIS地理信息系統(tǒng)為基礎平臺，在其上開發(fā)了南水北調中線工程電子渠道平臺；該平臺采用Access作為數(shù)據(jù)庫，集成了一維水力學模擬模塊。張尚弘等[3]利用地物建模軟件Creator與自動建模程序terra vista，利用MySQL數(shù)據(jù)庫，展示了南水北調中線工程及沿線地形地貌，且實現(xiàn)了渠道中二維流場的動態(tài)展示。房玉龍等[4]將三維GIS技術應用于南水北調東線渠道，為渠道三維信息模型提供虛擬現(xiàn)實展示的平臺，實現(xiàn)渠道模型在真實坐標下和真實周邊環(huán)境中的飛行漫游展示。黃少華等[5]基于地理信息系統(tǒng)技術，建立大型人工輸水渠道空間數(shù)據(jù)庫，同時與工程水量分配模型、輸水調度模型、工程報警模型相結合，在GIS可視化環(huán)境中建立供水調度管理系統(tǒng)。北疆供水工程開發(fā)了工程管理信息系統(tǒng)，包括二維GIS和多媒體三維GIS系統(tǒng)以及統(tǒng)一全景Web系統(tǒng)，可提供覆蓋全流域信息的監(jiān)視、查詢和比較分析等決策支持功能[6]。

本文介紹的南水北調中線工程輸水模擬平臺以ArcMap為基礎，采用Oracle數(shù)據(jù)庫軟件，集成了水力學、水力控制、冰期輸水控制等模塊，實現(xiàn)了工程渠道輸水過程的動態(tài)模擬；同時具有工程信息查詢、管理的功能。

2 平臺的開發(fā)

2.1 開發(fā)工具與數(shù)據(jù)庫設計

本平臺的開發(fā)選用了ArcEngine9.2組件，其組件作為目前功能最為強大的二次GIS開發(fā)組件之一，可以滿足用戶的任何復雜功能需要。與其他GIS開發(fā)組件相比，它能夠提供更多的功能控件、界面接口，為用戶在開發(fā)過程中提供更多選擇，實現(xiàn)所需功能。Visual C++是一個功能強大且適合圖形界面軟件的開發(fā)平臺，具有豐富的控件、良好的數(shù)據(jù)庫支持能力以及運行穩(wěn)定快速等優(yōu)點；尤其是VC6具有對ArcEngine組件的完全兼容性，在開發(fā)時只需安裝ArcEngine的Runtime，方便快捷、便于管理。

Oracle數(shù)據(jù)庫通過ArcEngine組件中的ArcSDE引擎訪問，可方便地實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的訪問、管理和維護。邏輯上，數(shù)據(jù)庫分為地理數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，訪問方法如下所示(見圖1)。

圖1 數(shù)據(jù)庫訪問方法

地理數(shù)據(jù)庫是本平臺的運行基礎，主要通過數(shù)據(jù)分層、拓撲處理、屬性編碼等步驟構建。地理數(shù)據(jù)庫根據(jù)內(nèi)容可分為基礎圖數(shù)據(jù)庫與專題圖數(shù)據(jù)庫。其中，基礎圖數(shù)據(jù)庫主要儲存地形地貌、行政區(qū)劃、高程等背景地理信息；專題圖數(shù)據(jù)庫以不同圖層方式儲存渠道、節(jié)制閘、分水口、退水閘等對象的空間信息以及其他相關數(shù)據(jù)。

屬性數(shù)據(jù)是對應于空間數(shù)據(jù)來說的。屬性數(shù)據(jù)庫中儲存了空間要素的非靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)，如渠道的長寬、坡度、糙率等，及與空間要素無關的其他數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中，通過建立索引表和鏈接關鍵字來表明屬性數(shù)據(jù)與其對應地理空間要素之間的關系(見圖2)。

圖2 某渠道參數(shù)屬性數(shù)據(jù)

2.2 基本GIS功能、信息查詢功能開發(fā)

平臺開發(fā)所采用的ArcEngine組件為用戶提供了地圖控件、頁面控件、目錄樹控件、工具條控件等，并通過一系列命令、工具條和菜單欄囊括在控件命令中，并可與控件交互使用。

平臺中基本GIS功能以VC6.0為開發(fā)工具。在單文檔工程中添加需要的地圖控件、目錄樹控件、工具條控件、頁面控件等，然后在地圖控件中導入已制作好的工程涉及范圍的電子地圖，并設為初始默認值。目錄樹控件屬性頁的Buddy列表框選中“地圖控件”，將目錄樹控件與地圖控件關聯(lián)起來；以類似操作，把工具條控件與地圖控件也關聯(lián)起來。完成后，拖過拖拽將常用GIS命令添加到工具條上，包括包括縮放、平移、全局瀏覽、文件打開等。通過代碼修改，可在初始化Onsize函數(shù)中設定地圖控件的初始大小。

信息查詢功能主要是指渠道參數(shù)的查詢。在地圖控件鼠標單擊事件OnMouseDownMapControl函數(shù)中，先切換當前圖層到需查詢的“渠道斷面”圖層，后根據(jù)鼠標位置獲得查詢點接口，并進行緩沖區(qū)查詢。當緩沖區(qū)中有多個查詢點時，可設置緩沖區(qū)大小來過濾那些非用戶所需的查詢點。最后，通過查詢點的屬性得到斷面樁號，在屬性數(shù)據(jù)庫中通過樁號查詢渠道斷面的參數(shù)。

2.3 專業(yè)模塊集成

專業(yè)數(shù)值模擬模塊是本平臺的重要功能。平臺上集成有水力學模型、水力控制模型、冰期輸水控制和冰情預測模型。由于各專業(yè)模塊采用不同開發(fā)工具實現(xiàn)，因此集成分別采用動態(tài)鏈接庫(DLL)、可執(zhí)行文件(EXE)、ActiveX控件(OCX)等方式實現(xiàn)。通過該平臺的開發(fā)，證明上述集成方式均能滿足系統(tǒng)開發(fā)的要求。

3 平臺的功能

3.1 數(shù)據(jù)庫功能

本平臺數(shù)據(jù)庫功能較為簡單，可根據(jù)需要進一步擴充。用戶只分成兩級：管理員與一般使用者。管理員有刪除、更改和管理各類數(shù)據(jù)的權限；而一般使用者僅有瀏覽數(shù)據(jù)的權限，無法修改數(shù)據(jù)。

3.2 基本GIS功能

基本的GIS功能主要是縮放、全局瀏覽、漫游、標注圖層、數(shù)據(jù)導入導出、屬性查詢等。

3.3 信息查詢功能

查詢渠道斷面參數(shù)：對渠道典型斷面進行查詢，將斷面形式圖繪在平面上，并以文字標注方式給出斷面尺寸參數(shù)(見圖3)。

圖3 渠道斷面參數(shù)查詢

工程點查詢：用戶通過鼠標單擊，可查詢各工程點屬性信息，以對話框的方式展示在地圖上。

查詢模型計算結果：通過用戶鼠標點擊某些過水建筑物，如節(jié)制閘、分水口、退水閘等，以曲線圖方式動態(tài)展示計算工況下該建筑物所在斷面的流速、流量等水力參數(shù)變化過程。

3.4 專業(yè)模塊功能

水力學、水力控制、冰期輸水控制等模塊與平臺實現(xiàn)了無縫集成，可模擬渠道輸水的各種運行方式、控制模式和調度方案，進行比選與優(yōu)化。

下面以水力學模塊為例，介紹專業(yè)模塊功能。

水力學模塊是由一維水力學數(shù)值模擬程序組成。該程序可模擬多種調水方案的過渡過程。通過工況計算，可動態(tài)展示過渡過程中水力學參數(shù)的變化過程，分析渠道輸水的穩(wěn)定性和響應特性；也可模擬控制模式下的水波傳播過程，通過閘門響應時間和范圍的分析，優(yōu)化調度方案；還可模擬應急工況下退水全過程，研究各退水閘的能力(見圖4)。

圖4 正常輸水工況下某區(qū)段水位、流量、流速

4 結 語

南水北調中線工程輸水模擬平臺以二維GIS為基礎，以數(shù)據(jù)庫為支撐，無縫集成了水力學、水力控制、冰期輸水控制等多個模塊，可形象表現(xiàn)南水北調中線干線渠道輸水過程的數(shù)字化平臺。同時，兼具工程數(shù)據(jù)管理功能，可為渠道輸水的調度方案、運行方式、控制模式等提供模擬分析、決策支持環(huán)境。所建數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，可為工程施工、運行和管理提供決策支持。

[1] 王曉輝,魏 明,解建倉. 南水北調工程仿真系統(tǒng)_GIS子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2002,12 (14)：1591_1594.

[2] 魏加華,王光謙,陳志祥，等. 南水北調中線電子渠道平臺建設[J]. 南水北調與水利科技, 2007,29 (5)：28_30.

[3] 張尚宏,趙 剛,宋 博，等. 南水北調中線工程三維仿真系統(tǒng)開發(fā)[J]. 南水北調與水利科技, 2007,29 (5)：31_34.

[4] 房玉龍,桑國慶,王旭波，等.基于GIS的渠道虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)研究[J].南水北調與水利科技,2009,7(6):224_227.

[5] 黃少華,黃會勇,吳澤宇，等.基于GIS的大型人工輸水渠道供水調度管理系統(tǒng)[J].南水北調與水利科技,2010,8(1):43_48.

[6] 周小兵,張立德,劉廣林.長距離調水工程管理信息系統(tǒng)[M].北京:中國水利水電出版社, 2007.

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責任編輯 吳 昊

2014-12-08

王 琦(1980-)，男，工程師，主要從事水利工程信息系統(tǒng)建設和維護管理工作。 E_mail：157526785@qq.com