陳立華，滕 翔，嚴 誠，黃舒萍，甘富萬

(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004；2. 廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧 530004；3. 廣西大學工程防災與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，南寧 530004)

0 引 言

水資源優(yōu)化調(diào)度模型的基礎(chǔ)工作之一是構(gòu)建水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖[1]。水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖具有普適通用性，能起到簡化流域系統(tǒng)、降低難度、減少重復工作量的作用[2]，因此將其應(yīng)用于流域水系系統(tǒng)，能清晰的得到流域時空分布信息，且能夠充分表現(xiàn)河網(wǎng)的層次關(guān)系且便于計算機實現(xiàn)，對流域適應(yīng)性強。

任洪玉等[3]利用Arc/Info基于DEM 水文分析生成流域圖和河網(wǎng)圖后，根據(jù)流域和河段的對應(yīng)關(guān)系，人工進行流域拓撲關(guān)系的建立；劉先龍等[4]基于該方法將河段看作節(jié)點，將河段的拓撲關(guān)系看作節(jié)點的連接邊，從而利用ArcGIS圖表達河網(wǎng)結(jié)構(gòu)；雷曉輝等以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)利用ArcGIS開展海河流域劃分研究[5]；此類方法雖能構(gòu)建流域的拓撲關(guān)系，但形成的調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖是靜態(tài)的，且系統(tǒng)針對性較強，難以適應(yīng)調(diào)度程序動態(tài)變化的需求。唐勇等[6]提出了一個分析流域洪水計算的拓撲分析法，此方法的核心為通過建立流域概化圖，以深度優(yōu)先遍歷的遞歸原理為基礎(chǔ)，采用可視化編程技術(shù)，實現(xiàn)流域拓撲的建立；陳玉芬等[7]運用此方法基于計算機圖論的節(jié)點連接表描述各水源地之間的邏輯聯(lián)系；此種方法能較好地建立流域拓撲關(guān)系，搜索精確，但搜索量相對較低，更適用于中小型流域。魏傳江等[8]詳細論述了水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖的基本原理，提出繪制水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)是水量平衡原理，并針對水資源配置供需平衡分析和耗水平衡分析，將經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境、水資源系統(tǒng)簡化和抽象為節(jié)點、計算單元水傳輸系統(tǒng)、流域單元水傳輸系統(tǒng)三類元素，并進行了實例應(yīng)用[9,10]。

西江流域是一個需同時滿足防洪、發(fā)電、生態(tài)等各類調(diào)度目標的復雜流域系統(tǒng)，構(gòu)建水資源調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖是解決不同調(diào)度目標之間的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)問題的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作。因此，針對西江流域構(gòu)建水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖，主要以點、線兩大要素構(gòu)成各個水庫、水文站、控制斷面及河段邊線之間的網(wǎng)絡(luò)圖形，利用庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計來存儲節(jié)點與邊線信息，并采用遍歷關(guān)聯(lián)法識別各要素之間拓撲關(guān)系，基于unity3D平臺動態(tài)繪制水網(wǎng)圖，形成以西江流域為基礎(chǔ)的水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖。

1 分析思路

(1)將流域內(nèi)的骨干水庫群、水文站點、控制斷面及河段邊線概化和抽象為由點、線組成的水網(wǎng)拓撲圖，該拓撲圖需滿足一個條件：即每個節(jié)點只能連接一個下游節(jié)點，而一個節(jié)點會有一個或多個上游節(jié)點，使得拓撲圖以直觀的方式展示流域內(nèi)的基礎(chǔ)信息。

(2)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過關(guān)聯(lián)屬性字段來實現(xiàn)節(jié)點、河段邊線庫表之間的相互關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)成完整的流域水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)；并采用遍歷關(guān)聯(lián)法，即對各河段邊線的匯出節(jié)點及匯入節(jié)點進行遍歷篩選，若某一河段的匯出節(jié)點正好等于另一河段的匯入節(jié)點，則兩條河段邊線構(gòu)成上下游關(guān)系，依據(jù)這一方法可確定流域內(nèi)各河段邊線之間的相互關(guān)聯(lián)；最后基于unity3D平臺動態(tài)繪制西江流域水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖。其設(shè)計流程圖如1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)圖設(shè)計流程圖Fig.1 Network diagram design flow chart

2 水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計

水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖的庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計是在網(wǎng)絡(luò)圖繪制的基礎(chǔ)上，將各個節(jié)點及河段信息反映在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。節(jié)點信息主要包括水利工程節(jié)點、控制斷面節(jié)點及水文站點，為將這些節(jié)點信息存儲入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，需要建立節(jié)點屬性表，河流需要建立河段邊線表，兩種屬性表一般用屬性字段來描述要素的本身性質(zhì)。

流域水文的點線要素屬性表主要是通過河段邊線作為橋梁連接的，將它分別與水庫工程節(jié)點、控制斷面節(jié)點、水文站點進行關(guān)聯(lián)，即可把流域內(nèi)不同的水文要素間接地關(guān)聯(lián)在一起，以便構(gòu)建出不同類型要素之間的拓撲關(guān)系，數(shù)據(jù)庫表關(guān)聯(lián)字段結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫庫表關(guān)聯(lián)字段結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Database tables associated field structure

具體來說，圖2中河段邊線的匯入節(jié)點(F-node)和匯出節(jié)點(T-node)所記錄的是河段邊線端點，也就是水文節(jié)點的唯一標識碼，可以是水庫工程(RESVOIR)、水文測站(STNM)和控制斷面(XSNM)。流域上以水流流向來確定水流的匯流方向，分別以匯入河段邊線(RV-in)和匯出河段邊線(RV-out)來記錄，記錄該河段的唯一標識碼(RVNM)。

3 水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖的構(gòu)建分析

根據(jù)設(shè)計的庫表結(jié)構(gòu)，采用以下規(guī)則確定節(jié)點間的拓撲排序：根據(jù)前文圖2所知，河流的匯流關(guān)系是通過各河段邊線的匯入節(jié)點(F-node)和匯出節(jié)點(T-node)屬性來確定的，通過這一匯流規(guī)則，對每一條河段進行判斷，即可確定流域的匯流關(guān)系。具體來說，將按照以下步驟確定河段的匯流關(guān)系，其遍歷關(guān)聯(lián)法流程圖如圖3所示。

圖3 遍歷關(guān)聯(lián)法流程圖Fig.3 Traverse the correlation method of flow chart

(1)在確定匯流關(guān)系前，首先要對設(shè)計的數(shù)據(jù)庫庫表進行調(diào)用，可用MySqlConnection調(diào)用數(shù)據(jù)庫中水文節(jié)點及河段邊數(shù)信息，用receiveMessage()獲取數(shù)據(jù)庫信息函數(shù)。

(2)定義公共類public class getMessage，公共類中的成員表包括：水庫節(jié)點數(shù)據(jù)表、水文站及斷面節(jié)點數(shù)據(jù)表、河段邊線數(shù)據(jù)及水庫類別數(shù)據(jù)表；并用狀態(tài)變量數(shù)組ComputerOrderState(i)記錄第i河段是否已經(jīng)確定了匯流的順序，其狀態(tài)設(shè)置TURE

和FALSE，TURE表示已經(jīng)確定了順序，F(xiàn)ALSE表示未確定順序。

(3)確定河段順序：定義整型i、j，對所有河段進行循環(huán)(For i=0 To n)、(For j=0 To n)，依次對匯入河段數(shù)(branch)為0,1,2,3,4,5的河段進行判斷，如branch為0的河段即為初始河段，branch為2即為兩條branch為1的河段的匯入河段，branch為3、4、5河段以此類推；若同為branch為1的河段，第i個河段RVNum(i)的匯出節(jié)點(T-node)若為第j個河段RVNum(j)的匯入節(jié)點(F-node)，即RVNum(i).T-node =RVNum(j).F-node，則第i個河段RVNum(i)的下游河段(RV-out)是第j個河段RVNum(j)的唯一標識碼(RVNM)，此時狀態(tài)變?yōu)門RUE，并用Index(Index∈[1,n])來表示下一個要確定的河段，賦初值為1，設(shè)置狀態(tài)變量數(shù)組ComputerOrderState(i)=Index，并讓Index加1，再次重復上述循環(huán)，若狀態(tài)為TRUE，則Index再加1。

(4)判斷Index總數(shù)是否與河段數(shù)相等，若滿足條件即可退出循環(huán)，若不滿足即繼續(xù)從第三步繼續(xù)循環(huán)，直至滿足條件。

4 優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖的動態(tài)繪制

基于unity3D平臺將線段與節(jié)點依次顯示，以西江流域為例，其主要步驟為：

(1)定義開始面板public GameObject mainImage，面板中包括okButton(開始)與exitButton(退出)，其運行結(jié)果如圖4(a)所示；定義數(shù)據(jù)顯示面板public GameObject dataImage，面板中包括Image[](圖形)與Text[](數(shù)據(jù))。

(2)逐次顯示河段邊線for(int i = 0; i < manyRiver.Length; i++)，其運行結(jié)果如圖4(b)所示；逐次顯示水庫工程節(jié)點for(int i = 0; i < 95; i++)，給95個水庫工程節(jié)點替換顏色image[i].sprite = ABCDlist[i].ToString()，其運行結(jié)果如圖4(c)所示；逐次顯示水文站網(wǎng)節(jié)點for(int i = 0; i < 70; i++)，其運行結(jié)果如圖4(d)所示。

(3)面向西江流域水資源網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建，涉及眾多的水文節(jié)點及河段邊線。共包含95個水利樞紐(水庫及電站)，其中18個年、季調(diào)節(jié)水庫、70水文站、21個防洪控制斷面、12個生態(tài)控制斷面，節(jié)點間實線為河段邊線。

5 應(yīng)用實例

通過以上步驟，可構(gòu)建出西江流域優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖，為更清晰展示節(jié)點與河段關(guān)系和便于肉眼分析，對西江流域的右上角部分進行了放大，詳見圖5(a)。對桂江流域川江水庫嵌套一個DP動態(tài)規(guī)劃算法，以削峰最大準則對歷史一場洪水過程進行調(diào)洪演算，其計算結(jié)果詳見圖5(b)。

圖4 拓撲排序運行結(jié)果圖Fig.4 Topological sort run results

圖5 水庫調(diào)度運行結(jié)果圖Fig.5 Reservoir operation result diagram

按照表1的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)存儲流域各河段的參數(shù)，然后將水庫的出庫流量以二維數(shù)組的方式存儲。從數(shù)據(jù)庫中提取各河段的起始節(jié)點F-node，終止節(jié)點T-node，流量比重因素X，傳播時間K，演算時段長度T，并通過以下公式計算各河段的C0，C1，C2：

(1)

表1 LJ_CC_MSJG_B(馬斯京根場次預報參數(shù)表)Tab.1 Table of forecast parameters for Muskingum field

根據(jù)調(diào)洪演算的水庫出流量數(shù)據(jù)Q[N,T]，代入公式計算出的各河段的C0，C1，C2以及確定的節(jié)點間計算順序，即可進行馬斯京根河道演算，得到各河段出口的匯流量Qt+Δt。公式如下所示：

Qt+Δt=C0It+Δt+C1It+C2Qt

(2)

以川江至大榕江為例，其演算結(jié)果詳見圖6。

圖6 河道演算結(jié)果圖Fig.6 River course diagram

6 結(jié) 論

本文借鑒水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖的思想，將水庫、電站、水文站、控制斷面等簡化和抽象為節(jié)點(點)，河道簡化為河段邊線(線)，對西江流域進行概化，運用遍歷關(guān)聯(lián)法識別節(jié)點及河段邊線間的拓撲關(guān)系，基于unity3d平臺動態(tài)繪制西江流域水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖，并在水庫調(diào)度及河道演算中進行實例應(yīng)用。該方法可自動生成的水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖，能夠較真實地反映流域內(nèi)的基礎(chǔ)信息，具有直觀、清晰、易懂、接近實際地理位置等優(yōu)點，通過西江流域水資源優(yōu)化調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖動態(tài)構(gòu)建使水資源優(yōu)化調(diào)度更趨于通用性和復用性。

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