GIS系統在豐滿水庫調度自動化系統水文分析計算中的應用

王 進，尤晶晶，于承躍

（1. 豐滿發電廠，吉林省吉林市 132108；2. 吉林省第二松花機動防汛搶險隊，吉林省吉林市 132108）

GIS系統在豐滿水庫調度自動化系統水文分析計算中的應用

王 進1，尤晶晶2，于承躍1

（1. 豐滿發電廠，吉林省吉林市 132108；2. 吉林省第二松花機動防汛搶險隊，吉林省吉林市 132108）

豐滿水庫是一個以發電為主，兼顧防洪、灌溉、供水、航運等綜合利用的大型水庫，是東北松花江流域一個重要的水利樞紐節點。而水庫調度的效果在發揮防洪、發電、灌溉、旅游諸方面效益上起到關鍵作用，那么及時掌握水庫的可調水量，也即把“水文分析計算”準確性是做好水庫調度工作的重中之重。GIS 系統在豐滿水庫調度自動化系統中以數據為核心，以可視化描述為特點，對空間數據進行定位、可視化與管理，實現了空間、地理分布及其屬性數據的采集、存儲、管理、查詢、分析和圖形交互顯示，為地理研究和決策服務做出了突出貢獻，大大提高了水文分析和流域內人類活動影響下的洪水預報水平，同時對流域內站網布置起到了關鍵作用。

地理信息系統；水文分析計算；水庫調度；發電效益；防洪效益

0 引言

豐滿發電廠水庫調度綜合自動化系統由數據采集、日常業務管理、洪水預報、洪水調度、發電調度、GIS雨水情查詢分析、會商數據發布、Web信息發布、備份系統九大子系統組成，其中地理信息系統（Geographic Information System，GIS）在雨水情查詢分析上的應用是豐滿水庫調度系首次，它以地理空間數據庫為基礎，在計算機硬件的支持下，對空間相關數據進行數據采集、數據處理、數據存儲與組織、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，實時提供多種空間和動態的地理信息。它基于對歷史資料的收集整理和水電站流域的水文、氣象、水庫運行和地理信息及時準確的獲取，進行在線水文預報、水文分析和水務管理等，它的應用提高了水文分析計算精度，并能迅速為防洪和發電在內的綜合決策方案打下基礎。

1 地理信息系統應用于基礎數據的處理與制作

1.1 豐滿衛星地圖的制作

豐滿衛星地圖的制作在原始柵格衛星地圖的基礎上通過應用ARCMAP軟件進行投影變化、拼接、配準。然后將制作好的衛星圖片作為一個圖層，同國家1∶25萬的水系圖及測站疊加后形成。衛星地圖在系統中效果見圖1。

豐滿衛星地圖采用墨卡托（Mercator）投影。該投影又名“等角正軸圓柱投影”，可以保證對象的形狀不變形，但越接近極地越會有很大的面積變形。由于人類生活區域大都遠離極地。因此墨卡托投影也是國際常用的標準投影。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數據。通過應用ARCMAP軟件進行高程渲染、配準。然后將制作好的高程圖作為一個圖層，同水系、測站等其他圖層疊加后形成。豐滿高程地圖在系統中效果見圖3。

2 地理信息系統在數據展示中的應用

地理信息系統作為計算機技術的一種，生來就具有強大的數據展示能力。本次豐滿系統采用美國MapInfo公司的MapX組件就提供了一個強大的桌面地圖模塊。在該模塊的支持下搭建了水調系統的水雨情數據的GIS分析界面。一方面在地圖上直觀顯示水雨情數據，另一方面也利用模塊集成的一些基本功能控制地圖、查詢分析對比數據。

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

（2）提供了常規地圖（等值線地圖）、面雨量視圖（泰森多邊形）、等值面地圖、衛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）通過預設的子流域，在地圖上繪制標線將地圖分區顯示。

（4）列表與地圖同步顯示相關數據。

（5）地圖與列表測站記錄可以交互定位，以便數據顯示直觀。

水雨情數據的GIS分析界面見圖4。

3 地理信息系統在雨情分析中的應用

地理信息系統的特長是強大的空間分析能力。在本次豐滿系統中將GIS與降雨分析結合取得了不錯的成果。具體表現在面平均雨量的計算、等值面的繪制、暴雨中心分析等方面。

3.1 面平均雨量的計算

本次系統中采用了泰森多邊形面積權重方法計算流域或分區的面平均雨量。該方法原理見圖5。

圖上各個多邊形就是各個測站的泰森多邊形。泰森多邊形必須滿足以下三個特性：①每個泰森多邊形內僅含有一個雨量測點；②泰森多邊形內的任何點到相應雨量測點的距離最近；③位于泰森多邊形邊上的點到其兩邊的雨量測點的距離相等。

根據式（1）計算面平均雨量時每個測點雨量的權重就是該測點所在泰森多邊形的面積點流域總面積的比。

式中：Pavg——面平均雨量，mm；

Pi——第i個測站的點雨量，mm；

Ai——第i個測站的泰森多邊形面積，m2；

n——雨量測站總個數。

這種方法相比算術平均法計算面平均雨量更科學，但由于這種計算方法復雜、手工計算難度大，所以一直只在研究領域中應用。在本次系統中利用GIS空間分析技術引入了這種面平均雨量計算方法。在洪水預報的參數率定、方案制定及實時預報中也應用了這種面平均雨量的計算方法。本次豐白區間遙測雨量站的雨量權重如表1所示，在系統中面平均雨量的計算結果見圖6。

3.2 等值線/等值面的繪制

本次系統中應用GIS技術繪制雨量等值線采用了兩種方法：一種反距離加權法（IDW），另一種是三角形網格法（TIN）。

反距離加權法是在流域內劃分出若干矩形網格，將各測站的雨量值按距離的平方的倒數轉換到網格節點上。節點與節點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三角形。從三角網格的某一條邊開始向相鄰的各邊追蹤。只到追蹤到起點或追蹤到邊界邊為止。根據式（2）計算各網格點雨量

式中：Pavg——節點平均雨量，mm；

Pi——第i個測站的點雨量，mm；

Di——第i個測站到節點的距離，km；

n——雨量測站總個數。

計算方法示意見圖7，在系統中的等值面效果見圖8。

3.3 雨情時空演進

雨情時空演進，包括暴雨中心移動圖、暴雨累積過程圖等，是水文分析中最需要了解的一個重要方面。本系統中，首次將豐滿流域雨情時空演進利用GIS技術在地圖上演示出來，大大提高了系統的水文分析水平。

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

地圖可通過右上角工具條進行平移、放大及縮小。在窗體右下方點擊制作按鈕，程序按時段生成一定數量的圖層，并在列表中一一列出。在生成的同時一并播放。也可等全部生成結束后點擊播放按鈕進行播放。如果點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。雨情時空演進的輸出成果見圖10。

4 GIS系統在豐滿洪水預報中新安江洪水預報模型上的應用

4.1 水文特征信息的提取

豐滿數字流域模型以90m分辨率的DEM數據為基礎，采用GIS技術提取水系、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化不同土地覆蓋條件下的地面產流、下滲參數。本次豐滿流域水文特征信息在前人研究成果的基礎上采用GIS手段。建立豐滿數字流域模型，這個過程包括DEM提取河網、劃分子流域提取各單元進行單元分塊。

4.2 DEM預處理

對DEM資料進行洼地填充。受DEM空間分辨率及DEM生成過程中的系統誤差的影響造成DEM中洼地水流方向不正確，對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據誤差造成的，有些洼地是地表形態的真實反映。因此在進行洼地填充前必須計算洼地深度，設置合理的填充閾值。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、貢獻度的統計而確定。

4.3 河道水系提取

在DEM基礎上根據水流方向、地形起伏生成了數字河網。通過試驗發現在流域內在地勢起伏較大的丘陵、高山地區生成的河網與數字高程模型吻合程度好而在山谷平原有些河道位置發生偏差出現偽河道特別是坡度3°的平坦地區生成的河網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與數字化河網吻合性很好能夠反映水系的走向變化。基于DEM的模擬河網與實際河網的對比見圖11、圖12。

4.4 計算單元的劃分

根據豐滿流域的特點以及流域內水文站的布置，將流域進行分塊；再根據分塊內雨量站的布設情況，將分塊進行單元劃分，設置單元內各個雨量站的權重；為各個分塊配置預報模型，并調試確定模型的參數；根據分塊信息以及配置的預報模型等設置預報方案。利用流域DEM構建的數字流域自動劃分子流域方法完全以流域分水線為界每一個單元界限都足分水線同時考慮雨量站的分布保證每一個單元內有一個雨量站。在進行實時預報時，采用遙測數據、報汛數據、遙測與報汛綜合數據作為預報的數據源，對預報成果進行實時校正，提高預報的精度，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系統在流域人類活動影響分析上的應用

典型子流域附加洪量類推法：基于地理信息系統，構建流域降雨等值面圖；在等值面圖上，按產生附加洪量、有出口控制水文站的標準，選取典型子流域，并進行代表性審查；進行典型子流域附加洪量計算；按次洪降雨量等值面圖分區，以典型子流域控制流域面積占同標準分區的面積比類推次洪附加洪量（用GIS系統量算流域面積）。

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，占豐白區間流域面積的60%。降雨計算如表2所示。

5.2 民立站流域在“20100729”次洪中附加洪量計算

（1）民立流域內有民立和八道河子兩個雨量站，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，產生2620 m3/s，比歷史最大洪峰1953-8-20的1910 m3/s多37%；至8月5日，次洪結束，期間斷面過水量3.2億m3。具體計算結果見表3所示

（3）民立站流域在“20100729”次洪中附加洪量計算。以流域平均255mm、過程水量3.2億m3控制流域面積1037 km2計算，產流系數1.21。按產流系數突變法的基本原理，計算結果超過1，則超出的部分是人類活動的附加洪量。依此計算，產流系數為1時，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之進行評估：

6 地理信息系統在站網論證上的應用

按照《水文站網規劃技術導則》，面雨量站的控制面積為300km2。當前豐滿流域紅石—豐滿區間的遙測雨量站總共有42站。遠遠達不到標準。豐滿流域的雨量站網還有很大的調整空間。

本次雨量站網論證同樣也采用GIS空間分析工具。將各雨量站的控制區域按泰森多邊形的方法畫到豐滿流域水系地圖上，計算出每個測站的控制面積及區域。同時疊加新安江洪水預報的各個預報區間。確定每個區間的雨量站數目及控制面積。最后利用這些計算成果并結合當地的暴雨特性、下墊面情況對各個預報區間的雨量站分布情況進行評價。

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

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

7 結束語

地理信息系統作為一項以計算機為基礎的新興技術，具有強大的空間分析功能及直觀的數據展示能力。隨著這種技術的成熟，應用也越來越廣泛。基礎數據的處理利用GIS技術提高了數據質量。其強大的桌面地圖模塊集成進系統也為系統增加了不少亮度。泰森多邊形及等值線/面的自動生成及雨情時空變化演示大大提高了系統的水文分析能力。特別是雨情時空變化演示，在水情水調系統中應用。從DEM上提取新安江洪水預報模型需要的水文特征信息一方面為預報參數的率定提供了客觀穩定的數據基礎，另一方面也為未來參數的實時率定提供了技術支撐。

最后，隨著國家電力部門對防汛工作的越來越重視，可以預見不久的將來，采用地理信息系統或組件展示、分析水電站流域的水雨情信息將成為水電站水調系統的標準配置。從而推動水調系統的水文分析水平更上一層樓。

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2017-05-30

2017-07-30

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

尤晶晶（1984—），女，中級工程師，主要研究方向：水文水資源工程、水利工程及其自動化系統等。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、水利工程及其自動化系統等。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學科代碼：470．30

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．017