基于Nwis水文數(shù)據(jù)庫(kù)模型的河南水文數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙 亮，王靜波

(南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 南陽(yáng) 473007)

利用水文數(shù)據(jù)庫(kù)模型可以簡(jiǎn)化自然環(huán)境中復(fù)雜的水文現(xiàn)象，為水文資源的研究提供幫助[1- 3]。國(guó)外學(xué)者在水文數(shù)據(jù)模型相關(guān)研究中已經(jīng)取得可觀的成就，開(kāi)發(fā)了許多實(shí)用的水文數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品和系統(tǒng)。自20世紀(jì)90年代末開(kāi)始，德克薩斯大學(xué)(University of Texas System)水資源研究中心與美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所公司(Environmengtal Systems Reserrch Institute，ESRI)聯(lián)合對(duì)Arc Hydro數(shù)據(jù)模型實(shí)行研究；進(jìn)入21世紀(jì)以后才首次提出Arc Gis Hydro Data Model模型與文檔草稿，至2002年才完全完成整體設(shè)計(jì)，提出該模型的David博士憑借該數(shù)據(jù)模型獲得國(guó)際GIS用戶(hù)大會(huì)的終身成就獎(jiǎng)[4]。Arc Hydro數(shù)據(jù)模型通過(guò)Arc GIS實(shí)現(xiàn)空間、時(shí)間、屬性數(shù)據(jù)等水文要素的存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)主要用來(lái)描述研究區(qū)流域的地形、地貌特征，由水流運(yùn)動(dòng)路徑呈現(xiàn)出各個(gè)要素之間的聯(lián)系[5]。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，近年來(lái)也從理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變，對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS、水文模型之間互相集成開(kāi)展原型研究，取得可觀的成果。

本文總結(jié)前人成果，將河南省作為研究對(duì)象區(qū)域，利用Nwis水文數(shù)據(jù)庫(kù)模型中的Arc Hydro數(shù)據(jù)模型實(shí)行水文數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 河南水文數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)概況

河南省位于我國(guó)中部，總面積16.7萬(wàn)km2，地跨四大水系(黃河、淮河、長(zhǎng)江、海河)，屬于地表水不豐富區(qū)域。平均全省年降水量約為767.4mm，6—9月(汛期)占全年降水量的65%，天然河川多年平均徑流量324億m3，折合為徑流深度約為18.5mm，其中海河、淮河、長(zhǎng)江、黃河等流域的多年平均徑流量分別為21億、189.6億、67.8億、48.5億m3。由于地形地貌的限制，地表水資源分布不均。徑流高低值區(qū)與降水情況區(qū)域相對(duì)應(yīng)。大氣環(huán)流對(duì)該地造成嚴(yán)重影響，地表水資源年內(nèi)分配呈現(xiàn)高度集中狀況。汛期雨量充沛經(jīng)常導(dǎo)致暴雨洪水情況出現(xiàn)。秋伏大汛時(shí)期容易出現(xiàn)洪水暴漲暴落，洪澇災(zāi)害頻發(fā)；而非汛期時(shí)期，降水量大幅度降低，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貥O易出現(xiàn)干旱情況，為預(yù)測(cè)洪澇災(zāi)害，具有良好統(tǒng)計(jì)性的水文數(shù)據(jù)庫(kù)就顯得尤為重要。冬季與春季的地表徑流為14%和6%～9%，冬季為枯水期，但是此時(shí)正是冬小麥等冬季作物大量需水的時(shí)期，地表徑流水位降低，造成農(nóng)業(yè)面臨旱災(zāi)。河南省地下水資源約為231億m3，淺層水與中深層水分別為203.6億m3與25.2億m3。淺層可開(kāi)采水量約為116億m3，主要分布地區(qū)為平原、山間盆地、山區(qū)河谷平原以及丘陵區(qū)域。淺層地下水具有埋藏淺、分布廣、強(qiáng)富水性以及高存儲(chǔ)條件、開(kāi)采容易的特點(diǎn)，已經(jīng)成為河南省主要地下水開(kāi)采對(duì)象[6- 8]。

1.2 Arc Hydro數(shù)據(jù)模型

對(duì)GeoDatabase空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型實(shí)行擴(kuò)展，得到Arc Hydro數(shù)據(jù)模型，可以監(jiān)測(cè)出水資源數(shù)據(jù)與水文數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以把由數(shù)據(jù)集成的水資源模型與水文模型向數(shù)據(jù)庫(kù)映射。Arc Hydro數(shù)據(jù)模型主要分為4種要素?cái)?shù)據(jù)集，分別為河道(Channel)、水文地理要素(Hydrrography)、水文網(wǎng)絡(luò)(Network)與匯流區(qū)(Drainage)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列(Time Series)也對(duì)模型造成重要影響，時(shí)間序列與各要素?cái)?shù)據(jù)集之間的關(guān)系就如同匯水區(qū)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水體和水利樞紐之間的關(guān)系。據(jù)此構(gòu)建Arc Hydro數(shù)據(jù)模型的框架，圍繞該框架開(kāi)展相對(duì)位置計(jì)算以及水流計(jì)算[9- 13]。

Arc Hydro數(shù)據(jù)模型的框架內(nèi)，應(yīng)用對(duì)象類(lèi)描述時(shí)間這類(lèi)不存在幾何特征的對(duì)象；對(duì)象類(lèi)與要素類(lèi)之間的關(guān)系由關(guān)系類(lèi)描述。水文現(xiàn)象數(shù)據(jù)(水質(zhì)、徑流量以及水位等)會(huì)隨時(shí)間變更而出現(xiàn)改變，這種變化定期由監(jiān)測(cè)站以及其它相關(guān)設(shè)施觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)由對(duì)象類(lèi)時(shí)間序列(Time Series)完成存儲(chǔ)。經(jīng)特性ID/水電ID(Feature ID/Hydro ID)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(Monitoring Point，點(diǎn)要素類(lèi))與時(shí)間序列之間的連接，同時(shí)某個(gè)事件序列下某個(gè)空間范圍中檢測(cè)站的測(cè)量記錄查詢(xún)使用關(guān)系類(lèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間序列(Monitoring Point Hastime Series)實(shí)現(xiàn)。在橫斷面點(diǎn)(Cross Section Point，對(duì)象類(lèi))與橫斷面(Cross Section)之間建立關(guān)系類(lèi)(Cross Section HasPoint)關(guān)聯(lián)，假如表示剖面位置時(shí)僅有一個(gè)橫剖面，那么描述河道幾何特征時(shí)可以使用數(shù)個(gè)橫剖面點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)整體框架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)河南水文數(shù)據(jù)庫(kù)的目的是將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供給政府以及科研部門(mén)，同時(shí)向政府相關(guān)部門(mén)提供環(huán)境和資源的相關(guān)輔助決策。遵循“集中管理、分布應(yīng)用”原則應(yīng)對(duì)龐大數(shù)據(jù)量問(wèn)題，數(shù)據(jù)庫(kù)整體框架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫(kù)整體框架

該數(shù)據(jù)庫(kù)將標(biāo)準(zhǔn)性的3層結(jié)構(gòu)(應(yīng)用層、邏輯層和數(shù)據(jù)層)體系作為邏輯框架的基礎(chǔ)，整體網(wǎng)絡(luò)框架使用瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)結(jié)合客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器(Client/Server，C/S)，以下為具體內(nèi)容。

(1)應(yīng)用層：考慮到河南水文數(shù)據(jù)庫(kù)的業(yè)務(wù)需求，應(yīng)用層提供圖形管理、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)更新、空間分析等功能，全方位多角度管理數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。

(2)邏輯層：使用Arc Hydro數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)信息控制和事物邏輯控制，運(yùn)用Arc SDE調(diào)度空間數(shù)據(jù)，確保整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的業(yè)務(wù)邏輯能力[14- 16]，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)取、操作等功能，為應(yīng)用層提供調(diào)用、數(shù)據(jù)訪問(wèn)等服務(wù)，保證數(shù)據(jù)庫(kù)核心功能。

(3)數(shù)據(jù)層：在數(shù)據(jù)層中存在文本、空間及屬性等類(lèi)型的數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型不同分別管理和存儲(chǔ)。

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)建立

使用Arc GIS模型中包含的Arc Catalog能夠建立以Acess作為基礎(chǔ)的水文數(shù)據(jù)庫(kù)。水文數(shù)據(jù)庫(kù)能夠儲(chǔ)存河南省內(nèi)流域的時(shí)間序列數(shù)據(jù)和水文要素。要素集的空間域?yàn)楹幽鲜?nèi)各流域邊界區(qū)域。依據(jù)Arc Hydro數(shù)據(jù)模型中包含的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分類(lèi)規(guī)則，自水文數(shù)據(jù)庫(kù)中加載河南省內(nèi)流域的水文要素。河網(wǎng)(Hydro Edge)、匯流點(diǎn)(Hydro Junction)共同組成水文網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集；水電站(Structure)、水體(Waterbody)、坑孔(User Point)、水文監(jiān)測(cè)站(Monitoring Point)共同組成水文數(shù)據(jù)集；集水區(qū)(Catchment)與流域邊界(Wartershed)組成匯流區(qū)數(shù)據(jù)集；深泓線(Profile Line)與橫斷面(Cross Section)構(gòu)成河道數(shù)據(jù)集；國(guó)道、省界、省道等輔助地理要素共同構(gòu)成Geography數(shù)據(jù)集。

2 河南水文數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

針對(duì)潁河全流域的觀測(cè)包含氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)以及水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)以及水文觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行統(tǒng)一整編，歸入數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)[17- 24]。水文觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括2000—2020年之間近20年間潁河流域中每日的降水量、地表徑流量以及水位變化情況；氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)包含近20年間每日的蒸發(fā)量、降水情況以及平均溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)。

為驗(yàn)證本文數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以其近5年間實(shí)際測(cè)量潁川流域地表徑流量情況，與本文數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)的地表徑流量統(tǒng)計(jì)情況，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地表徑流量對(duì)比 單位：m3/d

從表3中能夠看出實(shí)際測(cè)量的地表徑流量數(shù)值與數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)的地表徑流量數(shù)值接近，說(shuō)明本文數(shù)據(jù)庫(kù)在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)具有良好的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

水文數(shù)據(jù)類(lèi)模型與GIS等新型技術(shù)相結(jié)合不斷發(fā)展獲取了很多新的研究成果。本文利用NWIS中的Arc Hydro數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)水文數(shù)據(jù)庫(kù)并且實(shí)際應(yīng)用于河南省內(nèi)的潁河流域中。