基于GIS的長臺關流域洪水預報系統淺析

□劉繼鋒□殷同生□劉 箴□汪立東

（1信陽水文水資源勘測局；2信陽市水利設計院）

0 引言

淮河流域位于中國東部，地跨三省，處于長江和黃河流域之間，是中國重要的南北氣候分界線。流域平均年降水量約920 mm，且降水量時間與空間分配不均衡，時間上多集中在主汛期，空間上多在流域南部，遇極端降水或長時間持續性降水極易引發洪澇災害。1949年以來，淮河流域已發生大小10余次流域暴雨洪澇災害，給人民的利益帶來不少損失[1]。長臺關流域水文等的監測主要由長臺關水文站完成。長臺關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114°04‘，北緯32°19‘。長臺關水文站主要測驗項目有：水位、流量、降水量、水質監測、土壤墑情、水資源調查、冰情等。長臺關水文站管理16個委托雨量站的測報工作，擔負著向國家、淮委、河南省、信陽市等多個部門提供水文情報的重要任務。因此開發長臺關洪水預報系統軟件有著非常重要的意義。本文基于ERSI公司的二次開發工具ArcEngine和微軟公司的MicrosoftVisualStudio.NET集成開發環境，結合SQLServer2008數據庫和現代水文信息技術開發了長臺關流域洪水預報系統，實現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、數據管理和及時準確的洪水預報、動態的淹沒模擬等功能。

1 基本概念

1.1 洪水預報系統

洪水預報是水文預報的一項重要內容，將獲取的氣象水文、徑流等與洪水發生有關的各類數據，運用水文規律進行一系列分析，預測未來洪水要素變化的一門科學。

洪水預報是一項復雜的系統工程，涉及到流域氣象、水位、徑流資料、植被、流域下墊面及流域內土地利用和水土保持等多種因素。通過分析研究洪水特點及河床變形規律，結合多種方法如水文學、水力學等，首先建立實用的洪水預報經驗方案和數學預報模型；其次輸入實時雨情、水情、工情等各類實時信息，然后啟動預報模型，最后對洪峰水位、洪水總量、洪水過程等要素進行預報。以上步驟都需基于計算機，所以在計算機上實現洪水預報聯機作業的運行系統稱為洪水預報系統。

1.2 地理信息系統

地理信息系統（GeographicInformationSystem）是一種特定的十分重要的空間信息系統。它是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關地理分布的數據進行采集、儲存、管理、計算、分析、建模和顯示的綜合技術系統。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，保證了洪水預報的準確程度。

利用GIS技術可以將各水庫采集到的降雨、徑流資料等，運用一定的洪水預報模型對洪水洪峰、峰現時間進行模擬。地理信息系統技術與洪水預報模型的結合是當今洪水預報系統發展的一個重要的突破。

2 長臺關流域洪水預報系統的總體設計

2.1 開發環境

基于GIS洪水預報系統屬與應用型地理信息系統的開發，采用GIS的二次開發工具即AreEngine實現GIS基本功能，再根據流域特點與實際需要實現洪水預報的相關功能。

2.2 系統開發的目標

開發基于GIS的洪水預報系統的主要目的是將地理信息與洪水預報緊密的結合起來，實現及時準確的洪水預報。系統的目標是開發出集GIS技術、數據庫技術和水文水資源等多項技術為一體的綜合預報系統，并實現以下具體功能:

2.2.1 查詢流域內基本地理信息。對每幅地圖,可以放大、縮小、漫游、查看各地物的屬性、控制各個圖層的顯示、查詢自己感興趣的圖層。另外，可實現根據用戶的查詢條件進行基礎定位查詢以及緩沖區查詢。

2.2.2 水文氣象信息查詢分析。對實時和歷史水雨情，不僅可以實現單站水文氣象數據、徑流數據信息查詢,并能實現與歷史同時期數據對比。可根據用戶的需求對單個氣象水文要素進行查詢，并可在時間上分段。

2.2.3 數據管理功能。能對不同類型的數據分別建立存儲和查詢機制，對實時水雨情數據能實現日時段數據的統計。可逐日地更新數據，并加以存儲。

2.2.4 預報功能。將降水數據與通過彭曼公式得到蒸發量的數據聯合SWIM水文模型，對長臺關流域進行洪水過程模擬或實時預報，查詢結果展示包括流量預報過程圖，洪峰、洪量等特征值統計，并能對水文過程變量實現空間分布狀態查詢。也可根據歷史數據完成上述功能，并可將模擬出的洪峰曲線與實際的

2.2.5 淹沒模擬功能。能實現以水位數據為基礎的無源淹沒、輸入漫堤點坐標的漫堤式淹沒以及選擇水庫的潰壩式淹沒，且這三種淹沒都可動態地顯示淹沒過程。

另外，由于計算機應用技術升級速度很快，為保證開發后的系統能在實踐中進行應用，為防汛部門提供實時信息指導，需要在系統的功能、可靠性、完整性、安全性、運行環境等方面都要提出較高的要求。

3 系統實現的關鍵技術

3.1 洪水預報模型的建立

通過對趙莊水庫年歷年汛期洪水資料分析得到：蓄滿產流是該水庫的主要產流方式，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。基于以上結論，本研究決定主要采用SWIM水文模型來進行洪水的預報。

SWIM模型，需要調用的參數較多，但通過技術的運用，它很大地程度上改善了以往率定參數的過程，以下是運算過程中的關鍵步驟：

統計各單元面積：主要用于計算各個雨量站所控制單元的集雨面積。

計算各個單元到出口的距離：各個單元沿河道到石頭口門水庫水文站的距離，即單元匯流至流域出口的距離，主要用于計算匯流的時間。

掌握土地利用類型：土地利用類型不同，匯流、產流等受到的影響也不同。根據ArcGIS處理過的土地類型利用圖，采用地統計功能，分別獲取各個單元中不同土地利用面積所占的百分比數據。

3.2 連接數據庫

本系統的大量數據都存儲在數據庫中，因此在系統的運行過程中，需要不斷地對數據庫進行操作，但為了方便數據庫的移植，需要對數據庫建立標準化的方法類以及簡化代碼等操作。首先分析了對數據庫操作的類別，包括數據庫連接、更新數據、刪除數據等；其次，調用VS.NET中關于SQL的空間里的基本數據庫操作類以及一些基礎數據類如DataSet等，分別構建出Connect、GetDataSet和GetDataRow等標準數據庫操作方法類。

4 實現的系統功能

長臺關流域洪水預報系統主界面如圖1。該界面上側為菜單欄，包括查詢統計、洪水預報、淹沒模擬等功能；界面左側為圖層窗口，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前瀏覽位置在整個流域的大致位置，對用戶細致的了解地圖的各個區域會起到重要的幫助。系統主要能實現以下4部分的功能:

4.1 GIS空間基本操作模塊實現

圖1 長臺關流域洪水預報系統主界面圖

作為一款基于應用的計算機軟件系統，該系統實現了最基本的空間操作功能，如圖形數據的顯示、放大、縮小、漫游；圖層管理功能；方便靈活的基礎定位查詢功能；緩沖區分析查詢功能；利用二維地圖工具對圖上距離、面積等量測功能。

4.2 查詢統計模塊的實現

查詢統計模塊可實現用戶查詢、水文氣象數據查詢、徑流數據查詢，其中的水文氣象數據可根據用戶選擇的水文氣象數據的類型以及時間段進行分類查詢，徑流數據的查詢可根據用戶選擇的時間段進行查詢。

4.3 基礎數據管理模塊實現

基礎數據包括該地數據干（支）流河道矢量數據、水體湖泊、政界線、交通線路、水利專題圖數據（水庫、水文站、閘門、堤防工程）等遙感影像數據。本系統可實現用戶管理功能，即可根據需求添加、刪除、更新用戶；水文氣象數據管理功能，即可根據需求添加、刪除、更新數據另外可根據日期不斷地更新水文氣象數據；徑流數據管理功能，可實現水文氣象數據相似的功能。

4.4 預報過程模塊實現

系統可以在預報選擇SWIM模型并確定符合流域特點的預報模型參數，利用歷史數據率定參數開展洪水預報工作，這稱之為“日模調參”；另外，可根據用戶的需求編輯洪號即要查詢出現洪峰的時間段，然后可根據洪號進行次洪模型的模擬，模擬出徑流量曲線，然后與實際的徑流量曲線進行對比，并可查看確定性系數，最后可輸出報表，如圖2。

圖2 洪水預報功能的實現圖

4.5 淹沒模擬功能模塊的實現

系統可根據用戶編輯的洪號實現無源淹沒；輸入地理坐標實現漫堤式有源淹沒；選擇具體的水庫，實現潰壩式有源淹沒；如圖3，另外，這三種淹沒都可展現動態的淹沒過程。

圖3 淹沒模擬功能的實現圖

5 結語

文章研究了基于GIS的長臺關流域洪水預報系統的總體設計與實現的關鍵技術以及系統主要實現的功能。SWIM水文模型評估流域內徑流洪水過程方面具有獨特的優勢，基于ArcEngine的二次開發使該系統具備良好的移植性和可擴充性。所開發的長臺關流域洪水預報系統實現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、精密數據管理以及及時準確的洪水預報等功能。隨著系統的不斷完善，該系統可望為長臺關流域的防洪工程提供重要的技術基礎。

隨著地理信息技術應用領域的拓寬，社會需求的增大，已經與計算機、互聯網等技術一樣，成為信息技術的重要組成部分，為實現辦公自動化、地理數據可視化提供了新的思路。將應用與洪水預報模型相結合，通過信息技術、數據庫技術等集成開發相應的洪水預報系統，實現洪水信息的人際交互式管理、為進一步防洪減災方案制定、防洪工程效益評價以及淮河各流域洪水調度提供了基礎信息，同時促進了資源信息的共享，為防洪工作的準確性、及時性提供了現代化的防洪決策手段，減少洪澇災害對人民財產造成的損失，另外能全面提升該流域洪水預報的科學管理水平。

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

[2]張建云.中國水文預報技術發展的回顧與思考[J].水科學進展,2010,04:435-443.

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

[4]張俊,郭生練,陳華,等.與MM5氣象模式耦合的VIC分布式水文模型構建[J].人民長江,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報研究［J］.水利水電技術,2008,20(2):64-66．

[6]王麗學,林鳳偉,郭彩銀,等.大伙房水庫洪水預報方案風險分析[J].人民黃河,2009,31(7):31-34．

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