蔣肇冰， 沈 逸， 楊萬紅

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司， 江蘇 揚州 225127； 2.揚州蘇水科技有限公司， 江蘇 揚州 225127)

白馬湖片防洪保護區(qū)位于洪澤湖大堤以東、蘇北灌溉總渠以南、里運河以西、老三河和S331省道以北，面積為1 091 km2。該區(qū)域降水量年內(nèi)分配不均，汛期6—9月降水量約占全年的70%。白馬湖是區(qū)域洪水的調(diào)蓄湖泊，總面積113.4 km2，汛限水位6.8 m，相應庫容1.40億m3；設(shè)計排澇水位7.50 m，相應庫容2.16億m3；設(shè)計防洪水位8.00 m，相應庫容2.71億m3，防洪庫容1.31億m3。白馬湖主要入湖河道有草澤河、潯河、望良河、花河等，主要在白馬湖西側(cè)，主要出湖河道有新河、運西河、阮橋河等，出湖口門分別為淮安站、北運西閘、阮橋閘。

白馬湖是區(qū)域洪澇的調(diào)蓄湖泊，區(qū)域暴雨與上游洪水經(jīng)常遭遇，由于地勢低洼，受四面高水圍困，澇水外排出路不暢，洪澇災害頻繁發(fā)生，1954年、1956年、1974年、1984年、1987年、1991年、2003年、2006年、2007年洪澇都造成了較大災害損失。因此，研究建設(shè)洪水風險實時預報預警系統(tǒng)對于白馬湖片防洪減災具有重大意義。

近年來，基于WebGIS開發(fā)的針對城市、河道、水庫等方面洪澇災害的預報預警系統(tǒng)較多，大多采用C/S(客戶端/服務器)和B/S(瀏覽器/服務器)相結(jié)合的架構(gòu)，純B/S架構(gòu)的較為少見[1-2]，開發(fā)語言多采用.NET，或者采用.NET與JavaScript相結(jié)合或借助Flex等[3-4]。本研究將白馬湖片一、二維耦合的水動力模型內(nèi)嵌于系統(tǒng)，采用純B/S架構(gòu)，采用Java語言進行系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了系統(tǒng)可視化操作、遠程操控、實時計算、實時預報預警的強大功能，能夠有效提高區(qū)域洪澇風險管控的數(shù)字化和智能化水平。

1 模型構(gòu)建

本研究利用MIKE 11、MIKE 21、MIKE FLOOD等系列軟件建立洪水分析模型并進行計算。結(jié)合雨量站分布和水系特點，在NAM模型中把保護區(qū)劃分為11個子流域，分別建立降雨徑流模型，模擬子流域的產(chǎn)匯流過程。

1.1 模型概況

根據(jù)原始地形資料生成地形DEM，然后把DEM導入MIKE Zero，構(gòu)建三角網(wǎng)格。對于一些因地形原因生成的面積太小或角度太小等不規(guī)則三角網(wǎng)格，利用MIKE Zero對其進行優(yōu)化調(diào)整，網(wǎng)格總數(shù)為52 485個(含白馬湖湖區(qū))。

由于白馬湖片防洪保護區(qū)內(nèi)的河網(wǎng)溝渠縱橫交錯、水系復雜，本研究用于建模的河道(河段)總數(shù)達272條(段)，斷面總數(shù)為1 717個。MIKE 21模型中采用概化的擋水構(gòu)筑物來模擬保護區(qū)內(nèi)高于地面0.5 m以上的道路、堤防等。

1.2 參數(shù)率定

模型參數(shù)主要包括NAM降雨徑流模型參數(shù)和河道糙率。由于白馬湖片入湖河道沒有流量監(jiān)測站，部分相鄰子流域之間河道相通，子流域匯水范圍隨水情和工情不同而變化，且該區(qū)域有坡地自流、圩區(qū)抽排和混合排水，為了準確模擬區(qū)域產(chǎn)匯流過程，在模型中適當增加圩區(qū)內(nèi)部的有關(guān)排澇溝，排澇站根據(jù)運行辦法和排澇站前水位進行控制，并按照排澇站位置和流量匯入圩外河道。由于各入湖河道的匯水區(qū)面積較小，選取典型區(qū)域利用經(jīng)過驗證的公式計算結(jié)果對NAM模型參數(shù)進行率定，合理地模擬入湖流量過程。根據(jù)入湖流量、出湖流量過程，計算白馬湖山陽站水位，將計算水位與實測水位進行對比，反復調(diào)整NAM模型相關(guān)參數(shù)，直至水位差小于允許值，且計算水位過程與實測過程一致為止。

為確保NAM參數(shù)的準確性、合理性和適應性，選取兼有3種匯水區(qū)的草澤河片，按照其理論公式計算的洪水過程，先對NAM模型的部分參數(shù)進行初步調(diào)試，與水利工程規(guī)劃設(shè)計和實際排水狀況相適應，減少調(diào)試的難度和工作量，流量對比如圖1所示。

圖1 20年一遇NAM參數(shù)調(diào)試流量對比圖

在初步確定主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，選取典型年實測資料對NAM模型參數(shù)進行最終率定，客觀反映各條入湖河道的入湖流量過程。為了減小初始條件等對計算成果的影響，本研究選用資料較全且有代表性的完整次降雨過程進行模擬計算，選取2003年7月8—17日(10 d)、2006年6月30日至7月7日(8 d)進行參數(shù)率定，選取2007年7月6—13日(8 d)進行模型驗證。率定時先把白馬湖的初始水位分別設(shè)置為2003年7月8日、2006年6月30日的實測水位6.95 m、6.76 m，然后將計算時段內(nèi)的實測降水量、出湖流量導入模型進行調(diào)試計算，當計算山陽站水位和實測水位一致時，確定模型參數(shù)。水位對比見圖2～3。

圖2 2003年實測水位與計算水位對比

圖3 2006年白馬湖實測水位與計算水位對比

根據(jù)對比，計算的白馬湖山陽站最高水位與2003年、2006年實測水位相近，水位變化過程基本一致，最高洪水位到達時間相同，最大差值分別為0.16 m、0.11 m，小于允許值0.2 m，表明調(diào)試參數(shù)合理、準確。一維河道糙率結(jié)合以往區(qū)域內(nèi)河道設(shè)計采用的糙率，在MIKE 11河網(wǎng)模型中對河道糙率進行了概化處理，根據(jù)率定結(jié)果，糙率一般為0.0225，局部河段糙率略有調(diào)整，最小值為0.022，最大值為0.03。

1.3 模型驗證

選取2007年作為典型年對模型進行驗證。根據(jù)計算結(jié)果，白馬湖山陽站計算水位與2007年實測水位相近，水位變化過程基本一致、最高洪水位到達時間相同，最大水位差為0.1 m，小于允許值0.2 m(圖4)，參數(shù)和模型與實際情況基本相符，可以用該模型對白馬湖片防洪保護區(qū)的洪水風險進行各種工況的模擬計算。

圖4 2007年白馬湖水位實測值與計算值對比

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 功能設(shè)計

根據(jù)開發(fā)要求，系統(tǒng)設(shè)定的主要功能有：

(1)雨情、水情信息查詢。讀取數(shù)據(jù)庫中各站點的雨情、水情數(shù)據(jù)，提供點選、下拉菜單、文本輸入與地圖交互檢索等形式，供用戶查詢區(qū)域內(nèi)各站點當日、近3日內(nèi)的降水量、水位、流量等信息。

(2)洪水風險要素查詢。從模型實時計算結(jié)果中提取各網(wǎng)格最高水位、最大淹沒水深、最大洪水流速、最大淹沒歷時等洪水風險要素信息，在GIS圖中以分級色彩顯示，其中主要節(jié)點自動顯示，各網(wǎng)格通過點擊GIS圖可直接查詢。

(3)超標洪水預警。用戶設(shè)置邊界條件，包括初始水位、降雨過程等上邊界，鎮(zhèn)湖閘(或淮安站)、北運西閘、阮橋閘的出湖流量或水位流量關(guān)系等下邊界，Web服務器遠程驅(qū)動模型進行實時或模擬洪水計算后，主要節(jié)點洪水超標時自動發(fā)布超標洪水預警信息。

(4)在數(shù)據(jù)輸入端口設(shè)計保留了自動接入功能的接口，可實現(xiàn)雨情、水情、工情的實時自動接入。

2.2 工作流程

系統(tǒng)充分利用WebGIS強大的空間表達、空間分析及動態(tài)預測功能，管理GIS要素，將地圖或地形數(shù)據(jù)入系統(tǒng)中，通過瀏覽器實現(xiàn)與用戶的動態(tài)交互，為用戶展現(xiàn)更加及時、全面、直接的動態(tài)洪水信息。選用WebGIS技術(shù)進行開發(fā)，利用ArcGIS Server將地理信息發(fā)布為各類服務，借助ArcGIS API for JavaScript調(diào)用這些服務，從而在系統(tǒng)中集成地圖及GIS功能。當用戶訪問地圖數(shù)據(jù)時，GIS服務器接收Web服務器發(fā)送的請求，通過接口驅(qū)動模型進行計算，將計算成果更新至數(shù)據(jù)庫，通過GIS服務器對計算成果進行可視化表達。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程框架

2.3 架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體采用典型的MVC[模型(model)—視圖(view)—控制(controller)]3層結(jié)構(gòu)。在模型層的支持下，利用控制層的組件和核心引擎進行預報預警流程中的信息處理、模擬計算和結(jié)果分析，在視圖層中顯示地圖數(shù)據(jù)、統(tǒng)計查詢模擬計算結(jié)果。

模型層集成了地理信息數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫和洪水模擬模型。將水文模型和一維、二維水動力模型與數(shù)據(jù)庫進行連接，經(jīng)由控制層的事務處理后，集成到視圖層。模型、數(shù)據(jù)庫之間通過外部接口相連接，進行數(shù)據(jù)流、控制流的信號傳輸。

視圖層負責前端頁面和后臺控制層的交互，由信息管理、風險圖管理、預報預警和系統(tǒng)管理四大模塊構(gòu)成，采用純B/S架構(gòu)與松散耦合結(jié)構(gòu)——利用GIS服務進行地理信息處理及空間分析，利用洪水模型進行數(shù)值計算[5]。系統(tǒng)在信息數(shù)據(jù)庫和模型數(shù)據(jù)庫的支持下，以GIS服務作為內(nèi)核支撐，通過核心服務層各模塊進行數(shù)據(jù)處理、模擬計算，并展示地圖、計算結(jié)果和統(tǒng)計分析。

控制層負責系統(tǒng)與使用者的交互，提供了統(tǒng)一的信息接口，支持多種瀏覽器向核心服務層推送請求以遠程操作并驅(qū)動系統(tǒng)工作流程，分為數(shù)據(jù)管理模塊、洪水模型接口模塊、Web信息發(fā)布模塊、GIS信息處理模塊與系統(tǒng)配置模塊等。通過REST架構(gòu)的HTML.數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)跨平臺、跨模塊之間的數(shù)據(jù)支持，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心、各功能模塊互操作的媒介。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式與規(guī)范下，根據(jù)數(shù)據(jù)入庫方式，將數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫和地理信息數(shù)據(jù)庫?；A(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫包括洪水數(shù)據(jù)庫、算法數(shù)據(jù)庫。洪水數(shù)據(jù)庫主要存儲白馬湖地區(qū)的數(shù)據(jù)資料，包括：(1)歷史水文、社會經(jīng)濟和洪災損失等數(shù)據(jù)；(2)實時雨情、水情和工情，包括實時雨量、水位、流量等數(shù)據(jù)；(3)模型邊界、參數(shù)等。算法數(shù)據(jù)庫包含模型計算所需算法和數(shù)據(jù)圖形轉(zhuǎn)換等，用來支撐對數(shù)據(jù)的分析和計算，以及數(shù)據(jù)和可視化元素之間的映射轉(zhuǎn)換[6]。

借助GIS創(chuàng)建企業(yè)級地理信息數(shù)據(jù)庫，主要存儲雨量站、水位站、水利設(shè)施等矢量點數(shù)據(jù)；道路、河道、圩堤等矢量線數(shù)據(jù)；行政區(qū)劃、湖泊水面、土地利用等矢量面數(shù)據(jù)。洪水風險要素按節(jié)點或網(wǎng)格存儲，要素字段包括節(jié)點或網(wǎng)格編碼、最高水位、最大淹沒水深、最大淹沒歷時、最大洪水流速、洪水到達時間和標記字段等。

2.5 預報預警

通過人工或自動接入獲取過去3 d內(nèi)的實測雨量過程及山陽站、鎮(zhèn)湖閘(或淮安站)、北運西閘等水位、流量過程，可以模擬復核過去72 h以內(nèi)的洪水過程。通過輸入未來3 d內(nèi)的預報雨量，按照出湖流量控制要求，能夠模擬計算白馬湖及主要入出湖河道的最高水位；或者按照最高水位控制要求，能夠模擬計算所需的出湖流量，為區(qū)域防汛調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)通過接口調(diào)用模型層內(nèi)置的洪澇模型，在后臺進行洪水演進計算，按照計算結(jié)果將地理信息數(shù)據(jù)庫中存儲的洪水風險要素的屬性進行更新，利用GIS服務將實時洪水風險要素顯示于GIS圖上。主要節(jié)點洪水超標時，系統(tǒng)會以特定圖標和聲音自動發(fā)布超標洪水預警信息。

2.6 系統(tǒng)測試和管理

選擇江蘇省防汛防旱指揮部辦公室計算機網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺計算機，對系統(tǒng)進行了測試。經(jīng)測試，系統(tǒng)完全實現(xiàn)了遠程驅(qū)動、實時計算和預報預警功能，留用雨情、水情和工情的自動接口，可人工或自動接入有關(guān)信息，系統(tǒng)業(yè)務、界面、兼容性、安全性、適用性、操作性均滿足系統(tǒng)開發(fā)要求。

系統(tǒng)管理包括用戶管理、幫助文檔。用戶管理子模塊的功能有添加、刪除、修改用戶及設(shè)置用戶的使用、訪問權(quán)限等。

3 結(jié) 論

白馬湖片是江蘇省洪澇災害多發(fā)地區(qū)和重點防洪區(qū)域，被列入全國重點地區(qū)洪水風險圖編制項目，洪水預報預警系統(tǒng)研究是該項目的重要組成部分。研究得到如下結(jié)論：

(1)構(gòu)建的一維河道與二維湖面、淹沒區(qū)相耦合的洪水演進模型，經(jīng)驗證，與歷史洪澇擬合較好，用于洪澇風險模擬計算和預報預警是適宜的。

(2)采用純B/S架構(gòu)，與傳統(tǒng)的基于C/S或者B/S與C/S相結(jié)合的架構(gòu)相比，其優(yōu)點體現(xiàn)在：①系統(tǒng)通用性、兼容性、可移植性好；②系統(tǒng)模塊化、結(jié)構(gòu)化，可擴充性強；③客戶端不需布置系統(tǒng)及相關(guān)軟件，利用授權(quán)的登錄密碼可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問，遠程操控系統(tǒng)動行，系統(tǒng)布置和后期維護費用低；④系統(tǒng)操作性強、界面簡潔，適用于基層水利工作人員。

(3)基于WebGIS技術(shù)，依托洪水信息庫與模型開發(fā)了洪澇風險預報預警系統(tǒng)，可對白馬湖片未來3 d內(nèi)洪澇風險進行模擬計算，實現(xiàn)了遠程驅(qū)動、實時計算和預報預警功能，操作過程與風險查詢均為可視化展示，有助于決策者快速、準確地預估洪水風險，合理制定避洪策略。研究證明，WebGIS是一種高效的數(shù)據(jù)管理和分析手段，在防災減災、洪水預報預警等方面具有良好的應用前景。今后在系統(tǒng)應用過程中，應根據(jù)實測成果，進一步驗證、修改、完善和提升本系統(tǒng)。