基于MVC模式的水庫施工期防洪度汛決策支持系統設計與開發

趙 喬，望建成，范正行，艾顯明，徐 俊，王 琦

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽550081；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710000)

0 引 言

水電工程施工度汛貫穿水電工程建設的全過程，施工期度汛系統的安全運行對工程的投資、管理以及人員和設備的安全等有重大影響[1]。梯級水電工程施工度汛水文條件直接受上游運行水庫的控制，如何利用其防洪調度來減少下游在建工程施工期洪水流量，減少導流、度汛的風險，降低施工難度，節約工程量等問題就成為確保電站施工期安全所亟待解決和值得研究的重要內容[2，3]。

解決受上游梯級水庫影響的工程施工期防洪度汛問題的關鍵在于確定工程所在位置處的流量及水位。本文在充分考慮上游梯級水文預報的情況下，實時分析計算工程各控制斷面流量及其相應的水位，同時對于遭遇超標洪水時進行應急決策，提出防洪應急預案決策支持系統。

1 防洪應急預案決策支持系統的提出

水電開發過程中涉及到規劃、設計、施工、運行及管理等多方面，水文氣象對水電開發具有重要的指導作用，其不僅是規劃設計的基礎，也為運行調度與管理提供重要的決策支持。本文緊緊圍繞電站設計、施工不同階段的需求開展研究，滿足流域水電站施工期防洪度汛的需求，切實發揮實際作用和效益[4]。

水電工程施工期一般較長，要經歷幾個汛期，其中遭遇洪水威脅的幾率比較大。大壩上下游圍堰、縱向圍堰、廠房圍堰是保護基坑施工和擋水的主要建筑物，導流洞或明渠是僅有的行洪通道，但是作為臨時工程，其防汛標準一般不高。因此，工程施工期的防汛工作是重中之重，一是在發生度汛標準的洪水時，要確保施工安全，防止基坑進水，保證臨時擋水和導流建筑物正常擋水泄洪；二是當發生超標準洪水，應有應急預案，防止加大下游洪水或造成圍堰坍塌的潰決洪水[5]。因此，及時可靠的水文預報、切實可行的防洪度汛方案是工程施工期防洪度汛的基本保證和科學依據[6-7]。本次研究中，考慮上游梯級水庫群在工程施工期聯合調度運行方式以及流域內可靠的水、雨情預報信息，提出優化施工度汛分析的計算方法及成果，滿足業主單位施工期優化的需要，即縮短工期，節省投資，創造效益。根據施工期不同狀況下的應急分類，提出基于上述信息的防洪應急預案決策支持系統。

圖1 基于水文預報的梯級水庫群工程施工期防洪度汛支持系統結構

防洪應急預案決策支持系統的研究與開發，能為施工企業和業主提供有效的、可靠的施工期防洪度汛信息，在工程施工期選擇可靠的防洪度汛措施，避免洪水災害損失，并為提前做好應急預案提供決策、支持信息；對梯級水電站施工度汛提出標準化、程式化、系統化的解決方案。該系統的應用對提高梯級水電站施工度汛時應對突發事件的應急能力有著重大意義。

2 系統總體架構及功能模塊設計

2.1 系統架構設計

防洪應急預案決策支持系統采用MVC三層框架模式進行設計。MVC是一種先進的設計模式，它可以將功能模塊和顯示模塊進行分離，從而增強系統的可維護性、可擴展性、可移植性和組件的可復用性。MVC的主要思想是將應用程序分為模型(Model)，視圖(View)和控制器(Controller)[8-9]3個部分。三者之間的協作關系如下：視圖即與用戶交互的界面，控制器接收視圖的請求后，交給某一個模型來處理，模型在控制器的控制下，將處理的結果送給某個視圖來顯示，視圖再將結果顯示給用戶。

該系統中所有的JSP頁面都是在瀏覽器上運行的，當用戶訪問JSP頁面時，瀏覽器向Web服務器發出請求，服務器將請求信息發送至控制器，再由控制器調用相應的封裝方法去訪問數據庫并進行數據處理，而SQL Server數據庫是由封裝好的JavaBean進行連接[10]。

采用MVC設計模式，可以減弱業務邏輯接口和數據接口之間的耦合性并讓視圖層更富于變化，且有利于軟件工程化管理。由于不同的層各司其職，每一層不同的應用具有某些相同的特征，有利于通過工程化、工具化產生管理程序代碼。系統總體結構如圖1所示。

圖2 基于水文預報的梯級水庫群工程施工期防洪度汛支持系統功能

2.2 系統功能模塊設計

根據需求分析，得出系統完成的主要功能包括：實時顯示、歷史數據、查詢、打印、導出文件、設置、預測、預警、決策等。系統功能如圖2所示。

(1)數據設置。包括公用數據庫的查詢和專用數據設置，其中公用數據庫主要查詢流域內相關電站信息，包括電站位置及特征參數的查詢。專用數據庫的設置主要用于設置模型運行需要的參數，包括河道計算參數、調洪計算參數、潰堰計算參數等。

(2)上游梯級電站入庫洪水預報。對上游入庫洪水進行預報，包括常規預報和非常規預報。

(3)防洪度汛及應急決策。該功能提供了各方案信息的列表，可自定義添加方案，同時可繪制上游圍堰最大流量過程線圖。

(4)超標洪水下預警方案。該功能主要是編制預警短信，選擇不同人員發送應急短信。

(5)小流域洪水預警方案。通過上游降雨的檢測，對洪水進行計算，并發布預警。

(6)實時監控。不同方案上游水庫下泄流量，下泄流量中分為實測值和預報值，并繪制圖表；不同方案上游圍堰的洪水過程，洪水過程中分為實測值和預報值，并繪制圖表；不同方案上游圍堰的水位過程，水位過程中分為實測值和預報值，并繪制圖表。

(7)用戶管理。用戶管理層，根據需要對用戶信息進行更新及管理。包括用戶注冊及登陸。在角色管理層，可對每個進入系統人員的權限進行設置。同時，界面中還集成了調洪計算、潰堰計算、回水計算、河道演算4個計算模塊。

2.3 數據庫設計

當前主流的商業數據庫有Oracle、微軟SQL Server、IBM DB2和Sybase Adaptive SQL Server，開源數據庫有MySQL、PostgreSQL和Ingres[9，11]。系統開發方面使用最多的是SQL Server、Oracle和MySQL數據庫，這三種數據庫優缺點分析見表1。

表1 幾種常見數據庫比較

綜上，根據各數據庫特點及系統功能需要，選用SQL Server數據庫[11]作為系統數據庫。考慮系統功能及擴展性，共設計數據表45張，其中，主要包括各計算模塊輸入參數表和輸出成果表、應急決策損失表以及應急人員信息表等。各計算模塊參數見表2。

表2 專用數據庫參數設置

3 系統核心功能實現

3.1 應急決策功能實現

應急決策功能主要是在防洪度汛流量及水位的計算下，通過對不同方案損失及經濟性進行分析計算提出合理的度汛方案。在基于上游水庫水文預報基礎上的上游梯級入庫洪水過程，通過調用調洪模塊計算該入庫洪水過程下的出庫過程，通過調用河道演進模塊(馬斯京根法)演算至圍堰處；在建工程圍堰處的洪水過程除上游水庫的泄流量外，還包括上游水庫到圍堰區間的預報洪水過程，區間洪水通過區間洪水預報模塊得到；導流圍堰斷面處的水位依據導流設施的泄流曲線及圍堰前庫容曲線，調用調洪模塊計算得出堰前水位；若計算的堰前水位超過設計水位則調用超標洪水預警應急模塊。

當發生超標洪水時采取的應急方案包括：加高圍堰、上游水庫幫忙以及不同方案的組合。其中加高圍堰需要調用回水計算模塊計算由于回水影響帶來的損失，同時調用調洪計算模塊，復核圍堰加高后堰前水位是否滿足防洪度汛的要求；上游水電站水庫幫忙一般是通過降低運行水位，達到蓄水削峰的目的，但需要計算上游水電站相較正常調度情況下的發電損失；組合方案時需同時計算兩種措施帶來的新增損失及堰前水位。預警應急模塊通過建立定量、定性分析應急決策成果表，對比分析不同方案經濟、工期、社會影響、環境影響等因素，計算不同方案下的損失和方案實施后對水位的影響優選出最優方案，供決策者選擇。

拆除圍堰方案為次不利工況，應急決策成果表中根據預置的數據，展示采用此方案帶來的圍堰重建、工期延長等費用。

潰堰方案為方案中最不利工況，根據圍堰工程特征參數等，調用潰堰計算模塊，在應急決策成果表中展示潰堰發生后的潰堰流量、水位及工程區潰堰損失。

預警應急模塊同時提供預警短信發送功能，能根據需要及時通知政府、設計單位、施工單位等相關人員，調用相關的應急預案、逃生路線圖等。

3.2 界面設計

界面是系統與用戶交互的媒介，友好的界面設計，不但可以給用戶以良好的視覺感官，而且可以提供給用戶簡易、規范的交互過程，從而引導用戶逐漸形成良好的操作習慣，提高用戶操作系統的效率[12-13]。

Swing作為新一代的圖形界面工具，完全采用Java實現，具有較好的跨平臺能力。Swing提供6種不同布局類型，分別為BorderLayout(邊框布局管理器)、FlowLayout(流式布局管理器)、CardLayout(卡片布局管理器)、GridLayout(網格布局管理器)、GridBagLayout(網格包布局管理器)和BoxLayout(盒布局管理器)[9]。本系統采用功能分區清晰的BorderLayout(邊框布局)。

本系統主界面分為4部分，即上部的菜單欄、左側的功能欄、中部的圖形顯示欄和下側的實時監控欄。

4 結 語

本文提出的基于MVC模式的水庫施工期防洪度汛決策支持系統具有較好的可視性、實時性和較強的可擴展性，可以與其他系統進行數據傳輸，提供計算服務。該系統是在中國電建集團水電工程水文氣象重大關鍵技術應用研究科技課題的資助下完成的，水庫施工期防洪度汛決策支持系統的實現，使得圍堰施工期安全管理從事后分析型向事前預防性進行戰略轉變，從而盡可能地降低圍堰失事的發生概率。