王 進(jìn)，尤晶晶，于承躍

（1. 豐滿發(fā)電廠，吉林省吉林市 132108；2. 吉林省第二松花機(jī)動(dòng)防汛搶險(xiǎn)隊(duì)，吉林省吉林市 132108）

GIS系統(tǒng)在豐滿水庫調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)水文分析計(jì)算中的應(yīng)用

王 進(jìn)1，尤晶晶2，于承躍1

（1. 豐滿發(fā)電廠，吉林省吉林市 132108；2. 吉林省第二松花機(jī)動(dòng)防汛搶險(xiǎn)隊(duì)，吉林省吉林市 132108）

豐滿水庫是一個(gè)以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、供水、航運(yùn)等綜合利用的大型水庫，是東北松花江流域一個(gè)重要的水利樞紐節(jié)點(diǎn)。而水庫調(diào)度的效果在發(fā)揮防洪、發(fā)電、灌溉、旅游諸方面效益上起到關(guān)鍵作用，那么及時(shí)掌握水庫的可調(diào)水量，也即把“水文分析計(jì)算”準(zhǔn)確性是做好水庫調(diào)度工作的重中之重。GIS 系統(tǒng)在豐滿水庫調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中以數(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，實(shí)現(xiàn)了空間、地理分布及其屬性數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、查詢、分析和圖形交互顯示，為地理研究和決策服務(wù)做出了突出貢獻(xiàn)，大大提高了水文分析和流域內(nèi)人類活動(dòng)影響下的洪水預(yù)報(bào)水平，同時(shí)對(duì)流域內(nèi)站網(wǎng)布置起到了關(guān)鍵作用。

地理信息系統(tǒng)；水文分析計(jì)算；水庫調(diào)度；發(fā)電效益；防洪效益

0 引言

豐滿發(fā)電廠水庫調(diào)度綜合自動(dòng)化系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、日常業(yè)務(wù)管理、洪水預(yù)報(bào)、洪水調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、GIS雨水情查詢分析、會(huì)商數(shù)據(jù)發(fā)布、Web信息發(fā)布、備份系統(tǒng)九大子系統(tǒng)組成，其中地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）在雨水情查詢分析上的應(yīng)用是豐滿水庫調(diào)度系首次，它以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)硬件的支持下，對(duì)空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與組織、空間查詢與分析、圖形交互與顯示，并采用地理模型等分析方法，實(shí)時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息。它基于對(duì)歷史資料的收集整理和水電站流域的水文、氣象、水庫運(yùn)行和地理信息及時(shí)準(zhǔn)確的獲取，進(jìn)行在線水文預(yù)報(bào)、水文分析和水務(wù)管理等，它的應(yīng)用提高了水文分析計(jì)算精度，并能迅速為防洪和發(fā)電在內(nèi)的綜合決策方案打下基礎(chǔ)。

1 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理與制作

1.1 豐滿衛(wèi)星地圖的制作

豐滿衛(wèi)星地圖的制作在原始柵格衛(wèi)星地圖的基礎(chǔ)上通過應(yīng)用ARCMAP軟件進(jìn)行投影變化、拼接、配準(zhǔn)。然后將制作好的衛(wèi)星圖片作為一個(gè)圖層，同國家1∶25萬的水系圖及測站疊加后形成。衛(wèi)星地圖在系統(tǒng)中效果見圖1。

豐滿衛(wèi)星地圖采用墨卡托（Mercator）投影。該投影又名“等角正軸圓柱投影”，可以保證對(duì)象的形狀不變形，但越接近極地越會(huì)有很大的面積變形。由于人類生活區(qū)域大都遠(yuǎn)離極地。因此墨卡托投影也是國際常用的標(biāo)準(zhǔn)投影。該投影的示意圖見圖2。

1.2 豐滿高程地圖的制作

豐滿高程地圖的制作在利用豐滿流域90m分辨率的DEM數(shù)據(jù)。通過應(yīng)用ARCMAP軟件進(jìn)行高程渲染、配準(zhǔn)。然后將制作好的高程圖作為一個(gè)圖層，同水系、測站等其他圖層疊加后形成。豐滿高程地圖在系統(tǒng)中效果見圖3。

2 地理信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)展示中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種，生來就具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)展示能力。本次豐滿系統(tǒng)采用美國MapInfo公司的MapX組件就提供了一個(gè)強(qiáng)大的桌面地圖模塊。在該模塊的支持下搭建了水調(diào)系統(tǒng)的水雨情數(shù)據(jù)的GIS分析界面。一方面在地圖上直觀顯示水雨情數(shù)據(jù)，另一方面也利用模塊集成的一些基本功能控制地圖、查詢分析對(duì)比數(shù)據(jù)。

（1）在地圖上顯示每個(gè)測站的坐標(biāo)位置，并與底圖的河流水系行政區(qū)劃分層顯示。地圖可以放大縮小和測量測站間的距離。

（2）提供了常規(guī)地圖（等值線地圖）、面雨量視圖（泰森多邊形）、等值面地圖、衛(wèi)星影像圖及高程圖五種方式顯示流域地圖并可相互切換。

（3）通過預(yù)設(shè)的子流域，在地圖上繪制標(biāo)線將地圖分區(qū)顯示。

（4）列表與地圖同步顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）地圖與列表測站記錄可以交互定位，以便數(shù)據(jù)顯示直觀。

水雨情數(shù)據(jù)的GIS分析界面見圖4。

3 地理信息系統(tǒng)在雨情分析中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)的特長是強(qiáng)大的空間分析能力。在本次豐滿系統(tǒng)中將GIS與降雨分析結(jié)合取得了不錯(cuò)的成果。具體表現(xiàn)在面平均雨量的計(jì)算、等值面的繪制、暴雨中心分析等方面。

3.1 面平均雨量的計(jì)算

本次系統(tǒng)中采用了泰森多邊形面積權(quán)重方法計(jì)算流域或分區(qū)的面平均雨量。該方法原理見圖5。

圖上各個(gè)多邊形就是各個(gè)測站的泰森多邊形。泰森多邊形必須滿足以下三個(gè)特性：①每個(gè)泰森多邊形內(nèi)僅含有一個(gè)雨量測點(diǎn)；②泰森多邊形內(nèi)的任何點(diǎn)到相應(yīng)雨量測點(diǎn)的距離最近；③位于泰森多邊形邊上的點(diǎn)到其兩邊的雨量測點(diǎn)的距離相等。

根據(jù)式（1）計(jì)算面平均雨量時(shí)每個(gè)測點(diǎn)雨量的權(quán)重就是該測點(diǎn)所在泰森多邊形的面積點(diǎn)流域總面積的比。

式中：Pavg——面平均雨量，mm；

Pi——第i個(gè)測站的點(diǎn)雨量，mm；

Ai——第i個(gè)測站的泰森多邊形面積，m2；

n——雨量測站總個(gè)數(shù)。

這種方法相比算術(shù)平均法計(jì)算面平均雨量更科學(xué)，但由于這種計(jì)算方法復(fù)雜、手工計(jì)算難度大，所以一直只在研究領(lǐng)域中應(yīng)用。在本次系統(tǒng)中利用GIS空間分析技術(shù)引入了這種面平均雨量計(jì)算方法。在洪水預(yù)報(bào)的參數(shù)率定、方案制定及實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中也應(yīng)用了這種面平均雨量的計(jì)算方法。本次豐白區(qū)間遙測雨量站的雨量權(quán)重如表1所示，在系統(tǒng)中面平均雨量的計(jì)算結(jié)果見圖6。

3.2 等值線/等值面的繪制

本次系統(tǒng)中應(yīng)用GIS技術(shù)繪制雨量等值線采用了兩種方法：一種反距離加權(quán)法（IDW），另一種是三角形網(wǎng)格法（TIN）。

反距離加權(quán)法是在流域內(nèi)劃分出若干矩形網(wǎng)格，將各測站的雨量值按距離的平方的倒數(shù)轉(zhuǎn)換到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的雨量值按線性分布。然后將矩形按一定順序分成兩個(gè)三角形。從三角網(wǎng)格的某一條邊開始向相鄰的各邊追蹤。只到追蹤到起點(diǎn)或追蹤到邊界邊為止。根據(jù)式（2）計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)雨量

式中：Pavg——節(jié)點(diǎn)平均雨量，mm；

Pi——第i個(gè)測站的點(diǎn)雨量，mm；

Di——第i個(gè)測站到節(jié)點(diǎn)的距離，km；

n——雨量測站總個(gè)數(shù)。

計(jì)算方法示意見圖7，在系統(tǒng)中的等值面效果見圖8。

3.3 雨情時(shí)空演進(jìn)

雨情時(shí)空演進(jìn)，包括暴雨中心移動(dòng)圖、暴雨累積過程圖等，是水文分析中最需要了解的一個(gè)重要方面。本系統(tǒng)中，首次將豐滿流域雨情時(shí)空演進(jìn)利用GIS技術(shù)在地圖上演示出來，大大提高了系統(tǒng)的水文分析水平。

本次雨情時(shí)空演進(jìn)，展示豐滿流域暴雨中心的移動(dòng)過程及降雨的時(shí)空分布過程，通過設(shè)置時(shí)段及模型、繪制單獨(dú)等值面圖、確定等值面的顏色分類。顯示雨情時(shí)空變化的基礎(chǔ)地圖見圖9。

地圖可通過右上角工具條進(jìn)行平移、放大及縮小。在窗體右下方點(diǎn)擊制作按鈕，程序按時(shí)段生成一定數(shù)量的圖層，并在列表中一一列出。在生成的同時(shí)一并播放。也可等全部生成結(jié)束后點(diǎn)擊播放按鈕進(jìn)行播放。如果點(diǎn)擊保存按鈕可將所有圖層生成圖片，保存在指定的文件夾下。雨情時(shí)空演進(jìn)的輸出成果見圖10。

4 GIS系統(tǒng)在豐滿洪水預(yù)報(bào)中新安江洪水預(yù)報(bào)模型上的應(yīng)用

4.1 水文特征信息的提取

豐滿數(shù)字流域模型以90m分辨率的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用GIS技術(shù)提取水系、劃分子流域。利用1∶250000比例尺的土地利用柵格資料用于分析優(yōu)化不同土地覆蓋條件下的地面產(chǎn)流、下滲參數(shù)。本次豐滿流域水文特征信息在前人研究成果的基礎(chǔ)上采用GIS手段。建立豐滿數(shù)字流域模型，這個(gè)過程包括DEM提取河網(wǎng)、劃分子流域提取各單元進(jìn)行單元分塊。

4.2 DEM預(yù)處理

對(duì)DEM資料進(jìn)行洼地填充。受DEM空間分辨率及DEM生成過程中的系統(tǒng)誤差的影響造成DEM中洼地水流方向不正確，對(duì)跟蹤水流線和確定流域邊界線帶來困難。但是并非所有洼地都是由數(shù)據(jù)誤差造成的，有些洼地是地表形態(tài)的真實(shí)反映。因此在進(jìn)行洼地填充前必須計(jì)算洼地深度，設(shè)置合理的填充閾值。深度小于填充閾值的洼地被填平，深度大于閾值的洼地將被視為合理存在而不被處理。該閾值由全部洼地的深度、貢獻(xiàn)度的統(tǒng)計(jì)而確定。

4.3 河道水系提取

在DEM基礎(chǔ)上根據(jù)水流方向、地形起伏生成了數(shù)字河網(wǎng)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在流域內(nèi)在地勢(shì)起伏較大的丘陵、高山地區(qū)生成的河網(wǎng)與數(shù)字高程模型吻合程度好而在山谷平原有些河道位置發(fā)生偏差出現(xiàn)偽河道特別是坡度3°的平坦地區(qū)生成的河網(wǎng)與自然水系偏差較大。通過與1∶50000比例尺的電子地圖比較生成的河網(wǎng)與數(shù)字化河網(wǎng)吻合性很好能夠反映水系的走向變化?；贒EM的模擬河網(wǎng)與實(shí)際河網(wǎng)的對(duì)比見圖11、圖12。

4.4 計(jì)算單元的劃分

根據(jù)豐滿流域的特點(diǎn)以及流域內(nèi)水文站的布置，將流域進(jìn)行分塊；再根據(jù)分塊內(nèi)雨量站的布設(shè)情況，將分塊進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，設(shè)置單元內(nèi)各個(gè)雨量站的權(quán)重；為各個(gè)分塊配置預(yù)報(bào)模型，并調(diào)試確定模型的參數(shù)；根據(jù)分塊信息以及配置的預(yù)報(bào)模型等設(shè)置預(yù)報(bào)方案。利用流域DEM構(gòu)建的數(shù)字流域自動(dòng)劃分子流域方法完全以流域分水線為界每一個(gè)單元界限都足分水線同時(shí)考慮雨量站的分布保證每一個(gè)單元內(nèi)有一個(gè)雨量站。在進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)時(shí)，采用遙測數(shù)據(jù)、報(bào)汛數(shù)據(jù)、遙測與報(bào)汛綜合數(shù)據(jù)作為預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)源，對(duì)預(yù)報(bào)成果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，提高預(yù)報(bào)的精度，保證了流域徑流形成過程的完整性物理概念更加清晰保證了流域徑流形成過程的完整性。

5 GIS系統(tǒng)在流域人類活動(dòng)影響分析上的應(yīng)用

典型子流域附加洪量類推法：基于地理信息系統(tǒng)，構(gòu)建流域降雨等值面圖；在等值面圖上，按產(chǎn)生附加洪量、有出口控制水文站的標(biāo)準(zhǔn)，選取典型子流域，并進(jìn)行代表性審查；進(jìn)行典型子流域附加洪量計(jì)算；按次洪降雨量等值面圖分區(qū)，以典型子流域控制流域面積占同標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)的面積比類推次洪附加洪量（用GIS系統(tǒng)量算流域面積）。

5.1 典型子流域—民立站基本情況及代表性問題

民立站，位于輝發(fā)河支流金沙河上，距河口距離12km，控制流域面積1037km2。該流域的大部分面積處于200～300mm之間，部分面積大于400mm，能很好地代表大于200 mm的流域面積。從圖中求取大于200 mm的流域面積14100km2，占豐白區(qū)間流域面積的60%。降雨計(jì)算如表2所示。

5.2 民立站流域在“20100729”次洪中附加洪量計(jì)算

（1）民立流域內(nèi)有民立和八道河子兩個(gè)雨量站，本次洪水兩站場次平均降雨255mm。

（2）出口斷面民立站，為控制站，7月21日，典型流域開始降大暴雨，流量開始加大；7月28日次洪爆發(fā)，產(chǎn)生2620 m3/s，比歷史最大洪峰1953-8-20的1910 m3/s多37%；至8月5日，次洪結(jié)束，期間斷面過水量3.2億m3。具體計(jì)算結(jié)果見表3所示

（3）民立站流域在“20100729”次洪中附加洪量計(jì)算。以流域平均255mm、過程水量3.2億m3控制流域面積1037 km2計(jì)算，產(chǎn)流系數(shù)1.21。按產(chǎn)流系數(shù)突變法的基本原理，計(jì)算結(jié)果超過1，則超出的部分是人類活動(dòng)的附加洪量。依此計(jì)算，產(chǎn)流系數(shù)為1時(shí)，來水2.64億m3，則附加洪水0.56億m3。

5.3 典型子流域民立站流域附加洪量類推法評(píng)估 “20100729”次洪中附加洪量

用典型子流域民立站控制流域面積1037 km2來代表大于300 mm的流域面積14100km2之進(jìn)行評(píng)估：

6 地理信息系統(tǒng)在站網(wǎng)論證上的應(yīng)用

按照《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》，面雨量站的控制面積為300km2。當(dāng)前豐滿流域紅石—豐滿區(qū)間的遙測雨量站總共有42站。遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。豐滿流域的雨量站網(wǎng)還有很大的調(diào)整空間。

本次雨量站網(wǎng)論證同樣也采用GIS空間分析工具。將各雨量站的控制區(qū)域按泰森多邊形的方法畫到豐滿流域水系地圖上，計(jì)算出每個(gè)測站的控制面積及區(qū)域。同時(shí)疊加新安江洪水預(yù)報(bào)的各個(gè)預(yù)報(bào)區(qū)間。確定每個(gè)區(qū)間的雨量站數(shù)目及控制面積。最后利用這些計(jì)算成果并結(jié)合當(dāng)?shù)氐谋┯晏匦?、下墊面情況對(duì)各個(gè)預(yù)報(bào)區(qū)間的雨量站分布情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

可以說由于本次站網(wǎng)論證采用了GIS技術(shù)，使得站網(wǎng)論證的工作效率大大提高，研究更加深入、結(jié)果更加客觀可信。

另外在具體的實(shí)際布站過程中，由于測站需要定期維護(hù)。因此要求測站位置不能離人類活動(dòng)區(qū)域太遠(yuǎn)。因此在確定居民區(qū)后可以采用GIS技術(shù)緩沖區(qū)分析功能確保測站即能滿足密度要求，又能離居民區(qū)在一定的范圍之內(nèi)，方便維護(hù)。

7 結(jié)束語

地理信息系統(tǒng)作為一項(xiàng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新興技術(shù)，具有強(qiáng)大的空間分析功能及直觀的數(shù)據(jù)展示能力。隨著這種技術(shù)的成熟，應(yīng)用也越來越廣泛?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的處理利用GIS技術(shù)提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。其強(qiáng)大的桌面地圖模塊集成進(jìn)系統(tǒng)也為系統(tǒng)增加了不少亮度。泰森多邊形及等值線/面的自動(dòng)生成及雨情時(shí)空變化演示大大提高了系統(tǒng)的水文分析能力。特別是雨情時(shí)空變化演示，在水情水調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用。從DEM上提取新安江洪水預(yù)報(bào)模型需要的水文特征信息一方面為預(yù)報(bào)參數(shù)的率定提供了客觀穩(wěn)定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，另一方面也為未來參數(shù)的實(shí)時(shí)率定提供了技術(shù)支撐。

最后，隨著國家電力部門對(duì)防汛工作的越來越重視，可以預(yù)見不久的將來，采用地理信息系統(tǒng)或組件展示、分析水電站流域的水雨情信息將成為水電站水調(diào)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。從而推動(dòng)水調(diào)系統(tǒng)的水文分析水平更上一層樓。

[1]朱慶利，田質(zhì)勝，喬婷．基于GIS的水庫調(diào)度系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究． 中國農(nóng)村水利水電，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．

[2]儲(chǔ)華平，章薛棟，王春樹，張曉麗，蔣建業(yè)．基于 GIS 技術(shù)的油車水庫三維防洪調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)． 水利信息化，2015，1．CHU Huaping，ZHANG Xuedong，WANG Chunshu，ZHANG Xiaoli，JIANG Jianye． （2015）． 3D Flood-Prevention System based on GIS of Youche Reservior． Water Resources Informatization． No． 01．

[3]蔡哲，殷劍敏，黃絹，唐春燕． 基于GIS的新安江模型在潦河流域的應(yīng)用研究． 預(yù)報(bào)及防災(zāi)減災(zāi)分會(huì)場論文集，2009，10．CAI Zhe，YIN Jianmin，HUANG Juan，TANG Chunyan．（2009）． Application of Xinanjiang Hydrology Model Based on GIS in Liaohe River Watershed． Proceedings of Early Warning，F(xiàn)orecasting and Disaster Prevention and Mitigation of Severe Weather Events Session． No．10．

2017-05-30

2017-07-30

王 進(jìn)（1983—），男，中級(jí)工程師，主要研究方向：水文水資源工程、水庫調(diào)度及其自動(dòng)化系統(tǒng)等。E-mail：446741904@qq．com

尤晶晶（1984—），女，中級(jí)工程師，主要研究方向：水文水資源工程、水利工程及其自動(dòng)化系統(tǒng)等。E-mail：635262724@qq．com

于承躍（1989—），男，助理工程師，主要研究方向：水文水資源工程、水利工程及其自動(dòng)化系統(tǒng)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學(xué)科代碼：470．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．017