□劉繼鋒□殷同生□劉 箴□汪立東

（1信陽水文水資源勘測(cè)局；2信陽市水利設(shè)計(jì)院）

0 引言

淮河流域位于中國(guó)東部，地跨三省，處于長(zhǎng)江和黃河流域之間，是中國(guó)重要的南北氣候分界線。流域平均年降水量約920 mm，且降水量時(shí)間與空間分配不均衡，時(shí)間上多集中在主汛期，空間上多在流域南部，遇極端降水或長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性降水極易引發(fā)洪澇災(zāi)害。1949年以來，淮河流域已發(fā)生大小10余次流域暴雨洪澇災(zāi)害，給人民的利益帶來不少損失[1]。長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域水文等的監(jiān)測(cè)主要由長(zhǎng)臺(tái)關(guān)水文站完成。長(zhǎng)臺(tái)關(guān)水文站位于信陽市以北23km，京廣鐵路淮河橋下游約500m處，位于東經(jīng)114°04‘，北緯32°19‘。長(zhǎng)臺(tái)關(guān)水文站主要測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、降水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、土壤墑情、水資源調(diào)查、冰情等。長(zhǎng)臺(tái)關(guān)水文站管理16個(gè)委托雨量站的測(cè)報(bào)工作，擔(dān)負(fù)著向國(guó)家、淮委、河南省、信陽市等多個(gè)部門提供水文情報(bào)的重要任務(wù)。因此開發(fā)長(zhǎng)臺(tái)關(guān)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件有著非常重要的意義。本文基于ERSI公司的二次開發(fā)工具ArcEngine和微軟公司的MicrosoftVisualStudio.NET集成開發(fā)環(huán)境，結(jié)合SQLServer2008數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)代水文信息技術(shù)開發(fā)了長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地圖各要素的空間和屬性信息的精確管理，提供了方便快捷的信息查詢、數(shù)據(jù)管理和及時(shí)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)的淹沒模擬等功能。

1 基本概念

1.1 洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)

洪水預(yù)報(bào)是水文預(yù)報(bào)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，將獲取的氣象水文、徑流等與洪水發(fā)生有關(guān)的各類數(shù)據(jù)，運(yùn)用水文規(guī)律進(jìn)行一系列分析，預(yù)測(cè)未來洪水要素變化的一門科學(xué)。

洪水預(yù)報(bào)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到流域氣象、水位、徑流資料、植被、流域下墊面及流域內(nèi)土地利用和水土保持等多種因素。通過分析研究洪水特點(diǎn)及河床變形規(guī)律，結(jié)合多種方法如水文學(xué)、水力學(xué)等，首先建立實(shí)用的洪水預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)方案和數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型；其次輸入實(shí)時(shí)雨情、水情、工情等各類實(shí)時(shí)信息，然后啟動(dòng)預(yù)報(bào)模型，最后對(duì)洪峰水位、洪水總量、洪水過程等要素進(jìn)行預(yù)報(bào)。以上步驟都需基于計(jì)算機(jī)，所以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)聯(lián)機(jī)作業(yè)的運(yùn)行系統(tǒng)稱為洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

1.2 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、計(jì)算、分析、建模和顯示的綜合技術(shù)系統(tǒng)。GIS可以包含有河流位置、流域面積、邊界條件、地形、土壤、植被、土地利用信息等，為水文模型提供了較全面的各種要素，保證了洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度。

利用GIS技術(shù)可以將各水庫(kù)采集到的降雨、徑流資料等，運(yùn)用一定的洪水預(yù)報(bào)模型對(duì)洪水洪峰、峰現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行模擬。地理信息系統(tǒng)技術(shù)與洪水預(yù)報(bào)模型的結(jié)合是當(dāng)今洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要的突破。

2 長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境

基于GIS洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)屬與應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)的開發(fā)，采用GIS的二次開發(fā)工具即AreEngine實(shí)現(xiàn)GIS基本功能，再根據(jù)流域特點(diǎn)與實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)的相關(guān)功能。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)

開發(fā)基于GIS的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要目的是將地理信息與洪水預(yù)報(bào)緊密的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)。系統(tǒng)的目標(biāo)是開發(fā)出集GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和水文水資源等多項(xiàng)技術(shù)為一體的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)以下具體功能:

2.2.1 查詢流域內(nèi)基本地理信息。對(duì)每幅地圖,可以放大、縮小、漫游、查看各地物的屬性、控制各個(gè)圖層的顯示、查詢自己感興趣的圖層。另外，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶的查詢條件進(jìn)行基礎(chǔ)定位查詢以及緩沖區(qū)查詢。

2.2.2 水文氣象信息查詢分析。對(duì)實(shí)時(shí)和歷史水雨情，不僅可以實(shí)現(xiàn)單站水文氣象數(shù)據(jù)、徑流數(shù)據(jù)信息查詢,并能實(shí)現(xiàn)與歷史同時(shí)期數(shù)據(jù)對(duì)比?？筛鶕?jù)用戶的需求對(duì)單個(gè)氣象水文要素進(jìn)行查詢，并可在時(shí)間上分段。

2.2.3 數(shù)據(jù)管理功能。能對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)分別建立存儲(chǔ)和查詢機(jī)制，對(duì)實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)日時(shí)段數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)?？芍鹑盏馗聰?shù)據(jù)，并加以存儲(chǔ)。

2.2.4 預(yù)報(bào)功能。將降水?dāng)?shù)據(jù)與通過彭曼公式得到蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)聯(lián)合SWIM水文模型，對(duì)長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域進(jìn)行洪水過程模擬或?qū)崟r(shí)預(yù)報(bào)，查詢結(jié)果展示包括流量預(yù)報(bào)過程圖，洪峰、洪量等特征值統(tǒng)計(jì)，并能對(duì)水文過程變量實(shí)現(xiàn)空間分布狀態(tài)查詢。也可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)完成上述功能，并可將模擬出的洪峰曲線與實(shí)際的

2.2.5 淹沒模擬功能。能實(shí)現(xiàn)以水位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的無源淹沒、輸入漫堤點(diǎn)坐標(biāo)的漫堤式淹沒以及選擇水庫(kù)的潰壩式淹沒，且這三種淹沒都可動(dòng)態(tài)地顯示淹沒過程。

另外，由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)升級(jí)速度很快，為保證開發(fā)后的系統(tǒng)能在實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用，為防汛部門提供實(shí)時(shí)信息指導(dǎo)，需要在系統(tǒng)的功能、可靠性、完整性、安全性、運(yùn)行環(huán)境等方面都要提出較高的要求。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 洪水預(yù)報(bào)模型的建立

通過對(duì)趙莊水庫(kù)年歷年汛期洪水資料分析得到：蓄滿產(chǎn)流是該水庫(kù)的主要產(chǎn)流方式，徑流量包括地表徑流、壤中徑流和地下徑流，其中以地表徑流為主，其他的為輔，且所占比例較小?；谝陨辖Y(jié)論，本研究決定主要采用SWIM水文模型來進(jìn)行洪水的預(yù)報(bào)。

SWIM模型，需要調(diào)用的參數(shù)較多，但通過技術(shù)的運(yùn)用，它很大地程度上改善了以往率定參數(shù)的過程，以下是運(yùn)算過程中的關(guān)鍵步驟：

統(tǒng)計(jì)各單元面積：主要用于計(jì)算各個(gè)雨量站所控制單元的集雨面積。

計(jì)算各個(gè)單元到出口的距離：各個(gè)單元沿河道到石頭口門水庫(kù)水文站的距離，即單元匯流至流域出口的距離，主要用于計(jì)算匯流的時(shí)間。

掌握土地利用類型：土地利用類型不同，匯流、產(chǎn)流等受到的影響也不同。根據(jù)ArcGIS處理過的土地類型利用圖，采用地統(tǒng)計(jì)功能，分別獲取各個(gè)單元中不同土地利用面積所占的百分比數(shù)據(jù)。

3.2 連接數(shù)據(jù)庫(kù)

本系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，需要不斷地對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，但為了方便數(shù)據(jù)庫(kù)的移植，需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立標(biāo)準(zhǔn)化的方法類以及簡(jiǎn)化代碼等操作。首先分析了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的類別，包括數(shù)據(jù)庫(kù)連接、更新數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)等；其次，調(diào)用VS.NET中關(guān)于SQL的空間里的基本數(shù)據(jù)庫(kù)操作類以及一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類如DataSet等，分別構(gòu)建出Connect、GetDataSet和GetDataRow等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)操作方法類。

4 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能

長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)主界面如圖1。該界面上側(cè)為菜單欄，包括查詢統(tǒng)計(jì)、洪水預(yù)報(bào)、淹沒模擬等功能；界面左側(cè)為圖層窗口，可選擇要顯示的要查看的圖層，包括的圖層有水文站、國(guó)道、鐵路、河流、湖泊等；該界面左下角的小視圖框稱為鷹眼，其主要作用是可全局顯示當(dāng)前瀏覽位置在整個(gè)流域的大致位置，對(duì)用戶細(xì)致的了解地圖的各個(gè)區(qū)域會(huì)起到重要的幫助。系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)以下4部分的功能:

4.1 GIS空間基本操作模塊實(shí)現(xiàn)

圖1 長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)主界面圖

作為一款基于應(yīng)用的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最基本的空間操作功能，如圖形數(shù)據(jù)的顯示、放大、縮小、漫游；圖層管理功能；方便靈活的基礎(chǔ)定位查詢功能；緩沖區(qū)分析查詢功能；利用二維地圖工具對(duì)圖上距離、面積等量測(cè)功能。

4.2 查詢統(tǒng)計(jì)模塊的實(shí)現(xiàn)

查詢統(tǒng)計(jì)模塊可實(shí)現(xiàn)用戶查詢、水文氣象數(shù)據(jù)查詢、徑流數(shù)據(jù)查詢，其中的水文氣象數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶選擇的水文氣象數(shù)據(jù)的類型以及時(shí)間段進(jìn)行分類查詢，徑流數(shù)據(jù)的查詢可根據(jù)用戶選擇的時(shí)間段進(jìn)行查詢。

4.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括該地?cái)?shù)據(jù)干（支）流河道矢量數(shù)據(jù)、水體湖泊、政界線、交通線路、水利專題圖數(shù)據(jù)（水庫(kù)、水文站、閘門、堤防工程）等遙感影像數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用戶管理功能，即可根據(jù)需求添加、刪除、更新用戶；水文氣象數(shù)據(jù)管理功能，即可根據(jù)需求添加、刪除、更新數(shù)據(jù)另外可根據(jù)日期不斷地更新水文氣象數(shù)據(jù)；徑流數(shù)據(jù)管理功能，可實(shí)現(xiàn)水文氣象數(shù)據(jù)相似的功能。

4.4 預(yù)報(bào)過程模塊實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)可以在預(yù)報(bào)選擇SWIM模型并確定符合流域特點(diǎn)的預(yù)報(bào)模型參數(shù)，利用歷史數(shù)據(jù)率定參數(shù)開展洪水預(yù)報(bào)工作，這稱之為“日模調(diào)參”；另外，可根據(jù)用戶的需求編輯洪號(hào)即要查詢出現(xiàn)洪峰的時(shí)間段，然后可根據(jù)洪號(hào)進(jìn)行次洪模型的模擬，模擬出徑流量曲線，然后與實(shí)際的徑流量曲線進(jìn)行對(duì)比，并可查看確定性系數(shù)，最后可輸出報(bào)表，如圖2。

圖2 洪水預(yù)報(bào)功能的實(shí)現(xiàn)圖

4.5 淹沒模擬功能模塊的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)可根據(jù)用戶編輯的洪號(hào)實(shí)現(xiàn)無源淹沒；輸入地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)漫堤式有源淹沒；選擇具體的水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)潰壩式有源淹沒；如圖3，另外，這三種淹沒都可展現(xiàn)動(dòng)態(tài)的淹沒過程。

圖3 淹沒模擬功能的實(shí)現(xiàn)圖

5 結(jié)語

文章研究了基于GIS的長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)以及系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能。SWIM水文模型評(píng)估流域內(nèi)徑流洪水過程方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，基于ArcEngine的二次開發(fā)使該系統(tǒng)具備良好的移植性和可擴(kuò)充性。所開發(fā)的長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水文空間和屬性信息的一體化管理，提供了方便的信息查詢、精密數(shù)據(jù)管理以及及時(shí)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)等功能。隨著系統(tǒng)的不斷完善，該系統(tǒng)可望為長(zhǎng)臺(tái)關(guān)流域的防洪工程提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著地理信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，社會(huì)需求的增大，已經(jīng)與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)一樣，成為信息技術(shù)的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化、地理數(shù)據(jù)可視化提供了新的思路。將應(yīng)用與洪水預(yù)報(bào)模型相結(jié)合，通過信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等集成開發(fā)相應(yīng)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)洪水信息的人際交互式管理、為進(jìn)一步防洪減災(zāi)方案制定、防洪工程效益評(píng)價(jià)以及淮河各流域洪水調(diào)度提供了基礎(chǔ)信息，同時(shí)促進(jìn)了資源信息的共享，為防洪工作的準(zhǔn)確性、及時(shí)性提供了現(xiàn)代化的防洪決策手段，減少洪澇災(zāi)害對(duì)人民財(cái)產(chǎn)造成的損失，另外能全面提升該流域洪水預(yù)報(bào)的科學(xué)管理水平。

[1]高超,金高潔.SWIM水文模型的DEM尺度效應(yīng).地理研究,2012,31(3):399-408.

[2]張建云.中國(guó)水文預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展的回顧與思考[J].水科學(xué)進(jìn)展,2010,04:435-443.

[3]宋洋.基于水資源開發(fā)效益的飲馬河流域水資源優(yōu)化配置研究[D].吉林大學(xué),2008.

[4]張俊,郭生練,陳華,等.與MM5氣象模式耦合的VIC分布式水文模型構(gòu)建[J].人民長(zhǎng)江,2008,39(8):92-95.

[5]吳銀明,羅賢,許有鵬,等.受下游水位頂托下的太湖流域西苕溪中下游水位預(yù)報(bào)研究［J］.水利水電技術(shù),2008,20(2):64-66．

[6]王麗學(xué),林鳳偉,郭彩銀,等.大伙房水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)方案風(fēng)險(xiǎn)分析[J].人民黃河,2009,31(7):31-34．

[7]胡國(guó)建,丁濤,尤愛菊,等．錢塘江洪水頂托對(duì)浦陽江洪水位的影響研究［J］.水電能源科學(xué),2011,29(17):11-14.