文/范創(chuàng)剛 詹志剛 何祥（湖北省鄂州市水文水資源勘測(cè)局）

傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)側(cè)重于單點(diǎn)預(yù)報(bào)的洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間，不能直觀地反應(yīng)洪水過程與流域的地形地貌、水利工程以及堤岸之間的關(guān)系，這就要求決策者具有較強(qiáng)的空間分析能力。目前水文在防汛決策中的支持主要體現(xiàn)在水文預(yù)報(bào)技術(shù)[1]和技術(shù)表現(xiàn)形式兩個(gè)方面。其中技術(shù)表現(xiàn)形式方面，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，防汛決策支持體系逐漸向基于3S技術(shù)、三維可視化技術(shù)的空間多層次、立體模式發(fā)展，水利信息的展示方式也逐步從二維開始向三維轉(zhuǎn)變[2]。三維可視的流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)可為流域防汛指揮的科學(xué)決策提供全方位、多層次和多維度的決策支持信息[3]。本文對(duì)三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)開展研究，具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

一、流域基本情況

梁子湖流域位于湖北省東南部，流域主體梁子湖集水面積為2085km2，湖泊總長132.4km，其中入湖河流高橋河長64.4km，出湖河流長港46.6km，水面面積304km2，是湖北省第二、全國第八大淡水湖[4]。流域內(nèi)長5km以上河流85條，較大支流主要有高橋河、渠首河、金牛河、張橋湖港、保安湖、車灣港、小港、薛家溝、新港、長港等。梁子湖流域?yàn)殚L江中游南岸一級(jí)支流，地處長江中游下段南岸，位于東經(jīng)114°20′-114°50′，北緯29°45′-30°35′，包括梁子湖、鴨兒湖、三山湖、保安湖等湖泊組成獨(dú)立的水系，大小湖泊均匯流于長港，并于樊口注入長江，梁子湖與武漢、鄂州、黃石、咸寧四市交匯，防洪地位尤為突出。因此，長港流域三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)和研究具有重要意義。

二、研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)利用多源水文數(shù)據(jù)同化空間數(shù)據(jù)集作為數(shù)據(jù)輸入，建立能夠反映現(xiàn)實(shí)世界的三維、立體、多角度、動(dòng)態(tài)水文多要素虛擬現(xiàn)實(shí)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)長港水文地理數(shù)據(jù)三維可視化展示以及長港隨時(shí)間推移下的洪水演進(jìn)情況。研究主要內(nèi)容包括：（1）數(shù)據(jù)三維可視化展示分析，包括地理信息三維全景展示、洪水預(yù)報(bào)成果三維展示等；（2）洪水演進(jìn)分析，依據(jù)長港特征，建立洪水演進(jìn)展示平臺(tái)，模擬不同雨水情情況下洪水傳播時(shí)間、流量和水位，仿真在不同時(shí)段、不同地點(diǎn)的洪水演進(jìn)情況，通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)生成洪水三維演進(jìn)過程。

三、研究背景、目的及意義

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，洪水災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響與日俱增，利用非工程手段進(jìn)行防洪減災(zāi)備受重視。梁子湖流域湖泊眾多，河網(wǎng)密集，而長港是連接這些湖泊和長江的水沖要道，關(guān)乎沿岸人口、農(nóng)田以及武九鐵路、316國道、武黃高速公路的防洪安全，防洪地位突出。目前長港流域的預(yù)報(bào)方案基本為傳統(tǒng)意義的單點(diǎn)預(yù)報(bào)，即通過流域產(chǎn)匯流技術(shù)計(jì)算出單點(diǎn)洪峰和峰現(xiàn)時(shí)間，但是與流域地形、堤岸以及水利工程的關(guān)系并不能直觀地反映出來。

三維流域洪水預(yù)報(bào)基于三維建模、水文預(yù)報(bào)等多種信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雨水情、洪水預(yù)報(bào)結(jié)果等信息的多維展示，使洪水預(yù)報(bào)和演進(jìn)具有真實(shí)的三維可視化效果，推動(dòng)防汛指揮體系的信息化進(jìn)程。

四、創(chuàng)新特色

長港三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于3S技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、空間數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代高新信息化技術(shù)[4]，同時(shí)結(jié)合水文預(yù)報(bào)技術(shù)，利用實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)、無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)以及地形地貌數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理、三維建模等手段，在三維場景上展現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息、洪水演進(jìn)以及洪水預(yù)報(bào)結(jié)果，使洪水預(yù)報(bào)結(jié)果和洪水演進(jìn)過程具有真實(shí)的可視化效果，預(yù)報(bào)結(jié)果的展現(xiàn)形式從圖表化、靜態(tài)化轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像化、動(dòng)態(tài)化。長港三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)不僅展示了洪水時(shí)間變化過程，也展示了空間變化工程，有效地提高了防汛指揮系統(tǒng)的信息化水平，系統(tǒng)技術(shù)路線。

五、系統(tǒng)應(yīng)用

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

長港三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)開發(fā)依據(jù)水情監(jiān)測(cè)、洪水預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)成果，結(jié)合梁子湖流域的特點(diǎn)，分析研究系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵問題，以洪水預(yù)報(bào)為核心，以三維可視化為重點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合水文部門綜合業(yè)務(wù)管理和站網(wǎng)管理需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺(tái)支撐層、軟件服務(wù)層四層。體系結(jié)構(gòu)層次清晰，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性和安全性，便于后期維護(hù)和更新。

1.基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層利用已建設(shè)的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)通信資源，以及采集終端設(shè)備和數(shù)據(jù)接收，包括水文、水利工程等遙測(cè)自動(dòng)終端采集設(shè)備、地理信息數(shù)據(jù)采集設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)接收。

對(duì)所有的患者進(jìn)行GE64排螺旋CT肺部掃描,先進(jìn)行平掃,再使用高壓注射器推注對(duì)比劑。將掃描結(jié)果傳輸?shù)焦ぷ髡?進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2.數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層通過綜合數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)雨水情數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、三維影像數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)資源的接入、接收與運(yùn)行、維護(hù)、管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)資源運(yùn)行模式。

3.平臺(tái)支撐層

平臺(tái)支撐層提供統(tǒng)一的平臺(tái)應(yīng)用支撐服務(wù)，為長港三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)分析、界面表現(xiàn)等系統(tǒng)公共服務(wù)支持。

4.軟件服務(wù)層

軟件服務(wù)層建立實(shí)時(shí)信息查詢、三維展示、洪水預(yù)報(bào)等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，為用戶提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)功能管理、三維洪水分析等應(yīng)用軟件服務(wù)與信息查詢服務(wù)。

（二）系統(tǒng)主要功能

針對(duì)流域的特點(diǎn)和需求，同時(shí)考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性以及開發(fā)、使用的高效性，針對(duì)水文數(shù)據(jù)共享與決策需求，設(shè)計(jì)四大功能模塊：實(shí)時(shí)信息模塊、洪水預(yù)報(bào)模塊、三維展示模塊和系統(tǒng)管理模塊。

洪水預(yù)報(bào)模塊：用于創(chuàng)建洪水預(yù)報(bào)方案，并對(duì)方案參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與修改。同時(shí)系統(tǒng)支持預(yù)報(bào)時(shí)可選擇需要進(jìn)行調(diào)度的水閘，通過選擇相應(yīng)的出流公式并輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行出流計(jì)算，計(jì)算完成后進(jìn)行保存，以備洪水預(yù)報(bào)計(jì)算時(shí)選用調(diào)度后的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

三維展示模塊：流域三維建?；赪EBGIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，根據(jù)無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）和遙感數(shù)據(jù)，對(duì)地理信息進(jìn)行加工拼接，并結(jié)合流域內(nèi)重要的水工建筑物，建立關(guān)鍵斷面3D模型。三維展示模塊為系統(tǒng)提供形象直觀的視覺效果，為防洪決策提供重要依據(jù)。

三維洪水演進(jìn)：根據(jù)梁子湖流域特征，建立預(yù)報(bào)斷面的洪水演進(jìn)模型，模擬不同時(shí)段、不同雨水情情況下的洪水傳播演進(jìn)情況。系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成洪水三維演進(jìn)過程、水位上漲過程及仿真淹沒區(qū)域，提供流域中洪水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)三維模擬仿真。

系統(tǒng)管理模塊：提供用戶管理、權(quán)限管理、菜單管理、系統(tǒng)日志等常規(guī)管理功能。

（三）水情預(yù)報(bào)技術(shù)線路

本次主要對(duì)磨刀磯閘上、磨刀磯閘下和樊口大閘上三個(gè)斷面的水位流量進(jìn)行三維洪水預(yù)報(bào)。

1.磨刀磯閘上斷面預(yù)報(bào)方案

采用蓄滿產(chǎn)流方法進(jìn)行計(jì)算，即產(chǎn)流量可用簡單的水量平衡方程式表示：

式中：R—一次降雨形成的徑流深（mm）。它包括地面徑流、表層徑流和淺層地下徑流；P—一次降雨總量（mm）；Wm—流域平均最大蓄水量（mm）；W—降雨開始時(shí)流域平均實(shí)際蓄水量（mm）；Z—雨期蒸發(fā)量。

根據(jù)式（1）中各參數(shù)的物理意義，可進(jìn)一步推出：

式中：P—為一時(shí)段的降雨量（mm）；Pa—前期影響水量（mm）；K—土壤含水量折算系數(shù)（采用原方案確定值）。

由于式（2）中P為實(shí)測(cè)值，K為系數(shù)，Pa可經(jīng)過計(jì)算得到，Pa是徑流深R的最大影響因素。如果按照不同Pa值分析計(jì)算得出它對(duì)R的影響程度——即產(chǎn)流系數(shù)C便可計(jì)算一次降雨所形成的徑流深：

2.磨刀磯閘下斷面預(yù)報(bào)方案

磨刀磯閘下水位流量主要受磨刀磯閘上水位以及磨刀磯閘出流影響。磨刀磯閘下洪水按照閘門出流計(jì)算出閘下流量。

磨刀磯節(jié)制閘有四種流態(tài)出流：自由式堰流、淹沒式堰流、自由式孔流、淹沒式孔流，各流態(tài)計(jì)算公式如下：

式中：B—閘門開啟寬度（m）；σ—淹沒系數(shù)；e—閘門開啟高度（m）；hu—閘門水頭（m）；C1、C2—自由、淹沒堰流流量系數(shù)；M1、M2—自由、淹沒孔流流量系數(shù)。

3.樊口大閘上預(yù)報(bào)方案

樊口大閘上水位除了受磨刀磯閘和流域降水影響外，還需要考慮長港閘調(diào)水情況影響。樊口大閘上產(chǎn)流計(jì)算時(shí)借用磨刀磯站產(chǎn)流方案，計(jì)算產(chǎn)流時(shí)需扣除磨刀磯站控制的流域面積（2085km2）和流域內(nèi)其他湖泊湖面面積（103.65km2）。流域匯流計(jì)算時(shí)采用瞬時(shí)單位線法，地表徑流計(jì)算時(shí)，計(jì)算時(shí)段取2h，瞬時(shí)單位線和10mm。地下徑流計(jì)算根據(jù)水量平衡關(guān)系采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

最終流域匯流計(jì)算的洪水過程、磨刀磯河道流量演算的洪水過程疊加，再加上新港閘排水、樊口大閘抽水量，即為預(yù)報(bào)的樊口大閘上流量數(shù)據(jù)。

六、結(jié)束語

長港三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于無人機(jī)航測(cè)成果、實(shí)時(shí)雨水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和洪水預(yù)報(bào)成果，綜合采用數(shù)字流域、三維可視化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)在空間上、視覺上的直觀展示，在三維洪水預(yù)報(bào)和洪水三維演進(jìn)方面進(jìn)行了實(shí)用化的探索。長港三維洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用為防洪調(diào)度決策的制定以及防洪搶險(xiǎn)方案的實(shí)施提供了一定的依據(jù)，同時(shí)也提高了長港流域的運(yùn)行管理與防洪調(diào)度的信息化水平，為相關(guān)水文部門提供借鑒。