基于GIS的长台关流域洪水预报系统浅析

□刘继锋□殷同生□刘 箴□汪立东

（1信阳水文水资源勘测局；2信阳市水利设计院）

0 引言

淮河流域位于中国东部，地跨三省，处于长江和黄河流域之间，是中国重要的南北气候分界线。流域平均年降水量约920 mm，且降水量时间与空间分配不均衡，时间上多集中在主汛期，空间上多在流域南部，遇极端降水或长时间持续性降水极易引发洪涝灾害。1949年以来，淮河流域已发生大小10余次流域暴雨洪涝灾害，给人民的利益带来不少损失[1]。长台关流域水文等的监测主要由长台关水文站完成。长台关水文站位于信阳市以北23km，京广铁路淮河桥下游约500m处，位于东经114°04‘，北纬32°19‘。长台关水文站主要测验项目有：水位、流量、降水量、水质监测、土壤墒情、水资源调查、冰情等。长台关水文站管理16个委托雨量站的测报工作，担负着向国家、淮委、河南省、信阳市等多个部门提供水文情报的重要任务。因此开发长台关洪水预报系统软件有着非常重要的意义。本文基于ERSI公司的二次开发工具ArcEngine和微软公司的MicrosoftVisualStudio.NET集成开发环境，结合SQLServer2008数据库和现代水文信息技术开发了长台关流域洪水预报系统，实现了地图各要素的空间和属性信息的精确管理，提供了方便快捷的信息查询、数据管理和及时准确的洪水预报、动态的淹没模拟等功能。

1 基本概念

1.1 洪水预报系统

洪水预报是水文预报的一项重要内容，将获取的气象水文、径流等与洪水发生有关的各类数据，运用水文规律进行一系列分析，预测未来洪水要素变化的一门科学。

洪水预报是一项复杂的系统工程，涉及到流域气象、水位、径流资料、植被、流域下垫面及流域内土地利用和水土保持等多种因素。通过分析研究洪水特点及河床变形规律，结合多种方法如水文学、水力学等，首先建立实用的洪水预报经验方案和数学预报模型；其次输入实时雨情、水情、工情等各类实时信息，然后启动预报模型，最后对洪峰水位、洪水总量、洪水过程等要素进行预报。以上步骤都需基于计算机，所以在计算机上实现洪水预报联机作业的运行系统称为洪水预报系统。

1.2 地理信息系统

地理信息系统（GeographicInformationSystem）是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布的数据进行采集、储存、管理、计算、分析、建模和显示的综合技术系统。GIS可以包含有河流位置、流域面积、边界条件、地形、土壤、植被、土地利用信息等，为水文模型提供了较全面的各种要素，保证了洪水预报的准确程度。

利用GIS技术可以将各水库采集到的降雨、径流资料等，运用一定的洪水预报模型对洪水洪峰、峰现时间进行模拟。地理信息系统技术与洪水预报模型的结合是当今洪水预报系统发展的一个重要的突破。

2 长台关流域洪水预报系统的总体设计

2.1 开发环境

基于GIS洪水预报系统属与应用型地理信息系统的开发，采用GIS的二次开发工具即AreEngine实现GIS基本功能，再根据流域特点与实际需要实现洪水预报的相关功能。

2.2 系统开发的目标

开发基于GIS的洪水预报系统的主要目的是将地理信息与洪水预报紧密的结合起来，实现及时准确的洪水预报。系统的目标是开发出集GIS技术、数据库技术和水文水资源等多项技术为一体的综合预报系统，并实现以下具体功能:

2.2.1 查询流域内基本地理信息。对每幅地图,可以放大、缩小、漫游、查看各地物的属性、控制各个图层的显示、查询自己感兴趣的图层。另外，可实现根据用户的查询条件进行基础定位查询以及缓冲区查询。

2.2.2 水文气象信息查询分析。对实时和历史水雨情，不仅可以实现单站水文气象数据、径流数据信息查询,并能实现与历史同时期数据对比。可根据用户的需求对单个气象水文要素进行查询，并可在时间上分段。

2.2.3 数据管理功能。能对不同类型的数据分别建立存储和查询机制，对实时水雨情数据能实现日时段数据的统计。可逐日地更新数据，并加以存储。

2.2.4 预报功能。将降水数据与通过彭曼公式得到蒸发量的数据联合SWIM水文模型，对长台关流域进行洪水过程模拟或实时预报，查询结果展示包括流量预报过程图，洪峰、洪量等特征值统计，并能对水文过程变量实现空间分布状态查询。也可根据历史数据完成上述功能，并可将模拟出的洪峰曲线与实际的

2.2.5 淹没模拟功能。能实现以水位数据为基础的无源淹没、输入漫堤点坐标的漫堤式淹没以及选择水库的溃坝式淹没，且这三种淹没都可动态地显示淹没过程。

另外，由于计算机应用技术升级速度很快，为保证开发后的系统能在实践中进行应用，为防汛部门提供实时信息指导，需要在系统的功能、可靠性、完整性、安全性、运行环境等方面都要提出较高的要求。

3 系统实现的关键技术

3.1 洪水预报模型的建立

通过对赵庄水库年历年汛期洪水资料分析得到：蓄满产流是该水库的主要产流方式，径流量包括地表径流、壤中径流和地下径流，其中以地表径流为主，其他的为辅，且所占比例较小。基于以上结论，本研究决定主要采用SWIM水文模型来进行洪水的预报。

SWIM模型，需要调用的参数较多，但通过技术的运用，它很大地程度上改善了以往率定参数的过程，以下是运算过程中的关键步骤：

统计各单元面积：主要用于计算各个雨量站所控制单元的集雨面积。

计算各个单元到出口的距离：各个单元沿河道到石头口门水库水文站的距离，即单元汇流至流域出口的距离，主要用于计算汇流的时间。

掌握土地利用类型：土地利用类型不同，汇流、产流等受到的影响也不同。根据ArcGIS处理过的土地类型利用图，采用地统计功能，分别获取各个单元中不同土地利用面积所占的百分比数据。

3.2 连接数据库

本系统的大量数据都存储在数据库中，因此在系统的运行过程中，需要不断地对数据库进行操作，但为了方便数据库的移植，需要对数据库建立标准化的方法类以及简化代码等操作。首先分析了对数据库操作的类别，包括数据库连接、更新数据、删除数据等；其次，调用VS.NET中关于SQL的空间里的基本数据库操作类以及一些基础数据类如DataSet等，分别构建出Connect、GetDataSet和GetDataRow等标准数据库操作方法类。

4 实现的系统功能

长台关流域洪水预报系统主界面如图1。该界面上侧为菜单栏，包括查询统计、洪水预报、淹没模拟等功能；界面左侧为图层窗口，可选择要显示的要查看的图层，包括的图层有水文站、国道、铁路、河流、湖泊等；该界面左下角的小视图框称为鹰眼，其主要作用是可全局显示当前浏览位置在整个流域的大致位置，对用户细致的了解地图的各个区域会起到重要的帮助。系统主要能实现以下4部分的功能:

4.1 GIS空间基本操作模块实现

图1 长台关流域洪水预报系统主界面图

作为一款基于应用的计算机软件系统，该系统实现了最基本的空间操作功能，如图形数据的显示、放大、缩小、漫游；图层管理功能；方便灵活的基础定位查询功能；缓冲区分析查询功能；利用二维地图工具对图上距离、面积等量测功能。

4.2 查询统计模块的实现

查询统计模块可实现用户查询、水文气象数据查询、径流数据查询，其中的水文气象数据可根据用户选择的水文气象数据的类型以及时间段进行分类查询，径流数据的查询可根据用户选择的时间段进行查询。

4.3 基础数据管理模块实现

基础数据包括该地数据干（支）流河道矢量数据、水体湖泊、政界线、交通线路、水利专题图数据（水库、水文站、闸门、堤防工程）等遥感影像数据。本系统可实现用户管理功能，即可根据需求添加、删除、更新用户；水文气象数据管理功能，即可根据需求添加、删除、更新数据另外可根据日期不断地更新水文气象数据；径流数据管理功能，可实现水文气象数据相似的功能。

4.4 预报过程模块实现

系统可以在预报选择SWIM模型并确定符合流域特点的预报模型参数，利用历史数据率定参数开展洪水预报工作，这称之为“日模调参”；另外，可根据用户的需求编辑洪号即要查询出现洪峰的时间段，然后可根据洪号进行次洪模型的模拟，模拟出径流量曲线，然后与实际的径流量曲线进行对比，并可查看确定性系数，最后可输出报表，如图2。

图2 洪水预报功能的实现图

4.5 淹没模拟功能模块的实现

系统可根据用户编辑的洪号实现无源淹没；输入地理坐标实现漫堤式有源淹没；选择具体的水库，实现溃坝式有源淹没；如图3，另外，这三种淹没都可展现动态的淹没过程。

图3 淹没模拟功能的实现图

5 结语

文章研究了基于GIS的长台关流域洪水预报系统的总体设计与实现的关键技术以及系统主要实现的功能。SWIM水文模型评估流域内径流洪水过程方面具有独特的优势，基于ArcEngine的二次开发使该系统具备良好的移植性和可扩充性。所开发的长台关流域洪水预报系统实现了水文空间和属性信息的一体化管理，提供了方便的信息查询、精密数据管理以及及时准确的洪水预报等功能。随着系统的不断完善，该系统可望为长台关流域的防洪工程提供重要的技术基础。

随着地理信息技术应用领域的拓宽，社会需求的增大，已经与计算机、互联网等技术一样，成为信息技术的重要组成部分，为实现办公自动化、地理数据可视化提供了新的思路。将应用与洪水预报模型相结合，通过信息技术、数据库技术等集成开发相应的洪水预报系统，实现洪水信息的人际交互式管理、为进一步防洪减灾方案制定、防洪工程效益评价以及淮河各流域洪水调度提供了基础信息，同时促进了资源信息的共享，为防洪工作的准确性、及时性提供了现代化的防洪决策手段，减少洪涝灾害对人民财产造成的损失，另外能全面提升该流域洪水预报的科学管理水平。

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

[2]张建云.中国水文预报技术发展的回顾与思考[J].水科学进展,2010,04:435-443.

[3]宋洋.基于水资源开发效益的饮马河流域水资源优化配置研究[D].吉林大学,2008.

[4]张俊,郭生练,陈华,等.与MM5气象模式耦合的VIC分布式水文模型构建[J].人民长江,2008,39(8):92-95.

[5]吴银明,罗贤,许有鹏,等.受下游水位顶托下的太湖流域西苕溪中下游水位预报研究［J］.水利水电技术,2008,20(2):64-66．

[6]王丽学,林凤伟,郭彩银,等.大伙房水库洪水预报方案风险分析[J].人民黄河,2009,31(7):31-34．

[7]胡国建,丁涛,尤爱菊,等．钱塘江洪水顶托对浦阳江洪水位的影响研究［J］.水电能源科学,2011,29(17):11-14.