基于MVC模式的水库施工期防洪度汛决策支持系统设计与开发

赵 乔，望建成，范正行，艾显明，徐 俊，王 琦

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710000)

0 引 言

水电工程施工度汛贯穿水电工程建设的全过程，施工期度汛系统的安全运行对工程的投资、管理以及人员和设备的安全等有重大影响[1]。梯级水电工程施工度汛水文条件直接受上游运行水库的控制，如何利用其防洪调度来减少下游在建工程施工期洪水流量，减少导流、度汛的风险，降低施工难度，节约工程量等问题就成为确保电站施工期安全所亟待解决和值得研究的重要内容[2，3]。

解决受上游梯级水库影响的工程施工期防洪度汛问题的关键在于确定工程所在位置处的流量及水位。本文在充分考虑上游梯级水文预报的情况下，实时分析计算工程各控制断面流量及其相应的水位，同时对于遭遇超标洪水时进行应急决策，提出防洪应急预案决策支持系统。

1 防洪应急预案决策支持系统的提出

水电开发过程中涉及到规划、设计、施工、运行及管理等多方面，水文气象对水电开发具有重要的指导作用，其不仅是规划设计的基础，也为运行调度与管理提供重要的决策支持。本文紧紧围绕电站设计、施工不同阶段的需求开展研究，满足流域水电站施工期防洪度汛的需求，切实发挥实际作用和效益[4]。

水电工程施工期一般较长，要经历几个汛期，其中遭遇洪水威胁的几率比较大。大坝上下游围堰、纵向围堰、厂房围堰是保护基坑施工和挡水的主要建筑物，导流洞或明渠是仅有的行洪通道，但是作为临时工程，其防汛标准一般不高。因此，工程施工期的防汛工作是重中之重，一是在发生度汛标准的洪水时，要确保施工安全，防止基坑进水，保证临时挡水和导流建筑物正常挡水泄洪；二是当发生超标准洪水，应有应急预案，防止加大下游洪水或造成围堰坍塌的溃决洪水[5]。因此，及时可靠的水文预报、切实可行的防洪度汛方案是工程施工期防洪度汛的基本保证和科学依据[6-7]。本次研究中，考虑上游梯级水库群在工程施工期联合调度运行方式以及流域内可靠的水、雨情预报信息，提出优化施工度汛分析的计算方法及成果，满足业主单位施工期优化的需要，即缩短工期，节省投资，创造效益。根据施工期不同状况下的应急分类，提出基于上述信息的防洪应急预案决策支持系统。

图1 基于水文预报的梯级水库群工程施工期防洪度汛支持系统结构

防洪应急预案决策支持系统的研究与开发，能为施工企业和业主提供有效的、可靠的施工期防洪度汛信息，在工程施工期选择可靠的防洪度汛措施，避免洪水灾害损失，并为提前做好应急预案提供决策、支持信息；对梯级水电站施工度汛提出标准化、程式化、系统化的解决方案。该系统的应用对提高梯级水电站施工度汛时应对突发事件的应急能力有着重大意义。

2 系统总体架构及功能模块设计

2.1 系统架构设计

防洪应急预案决策支持系统采用MVC三层框架模式进行设计。MVC是一种先进的设计模式，它可以将功能模块和显示模块进行分离，从而增强系统的可维护性、可扩展性、可移植性和组件的可复用性。MVC的主要思想是将应用程序分为模型(Model)，视图(View)和控制器(Controller)[8-9]3个部分。三者之间的协作关系如下：视图即与用户交互的界面，控制器接收视图的请求后，交给某一个模型来处理，模型在控制器的控制下，将处理的结果送给某个视图来显示，视图再将结果显示给用户。

该系统中所有的JSP页面都是在浏览器上运行的，当用户访问JSP页面时，浏览器向Web服务器发出请求，服务器将请求信息发送至控制器，再由控制器调用相应的封装方法去访问数据库并进行数据处理，而SQL Server数据库是由封装好的JavaBean进行连接[10]。

采用MVC设计模式，可以减弱业务逻辑接口和数据接口之间的耦合性并让视图层更富于变化，且有利于软件工程化管理。由于不同的层各司其职，每一层不同的应用具有某些相同的特征，有利于通过工程化、工具化产生管理程序代码。系统总体结构如图1所示。

图2 基于水文预报的梯级水库群工程施工期防洪度汛支持系统功能

2.2 系统功能模块设计

根据需求分析，得出系统完成的主要功能包括：实时显示、历史数据、查询、打印、导出文件、设置、预测、预警、决策等。系统功能如图2所示。

(1)数据设置。包括公用数据库的查询和专用数据设置，其中公用数据库主要查询流域内相关电站信息，包括电站位置及特征参数的查询。专用数据库的设置主要用于设置模型运行需要的参数，包括河道计算参数、调洪计算参数、溃堰计算参数等。

(2)上游梯级电站入库洪水预报。对上游入库洪水进行预报，包括常规预报和非常规预报。

(3)防洪度汛及应急决策。该功能提供了各方案信息的列表，可自定义添加方案，同时可绘制上游围堰最大流量过程线图。

(4)超标洪水下预警方案。该功能主要是编制预警短信，选择不同人员发送应急短信。

(5)小流域洪水预警方案。通过上游降雨的检测，对洪水进行计算，并发布预警。

(6)实时监控。不同方案上游水库下泄流量，下泄流量中分为实测值和预报值，并绘制图表；不同方案上游围堰的洪水过程，洪水过程中分为实测值和预报值，并绘制图表；不同方案上游围堰的水位过程，水位过程中分为实测值和预报值，并绘制图表。

(7)用户管理。用户管理层，根据需要对用户信息进行更新及管理。包括用户注册及登陆。在角色管理层，可对每个进入系统人员的权限进行设置。同时，界面中还集成了调洪计算、溃堰计算、回水计算、河道演算4个计算模块。

2.3 数据库设计

当前主流的商业数据库有Oracle、微软SQL Server、IBM DB2和Sybase Adaptive SQL Server，开源数据库有MySQL、PostgreSQL和Ingres[9，11]。系统开发方面使用最多的是SQL Server、Oracle和MySQL数据库，这三种数据库优缺点分析见表1。

表1 几种常见数据库比较

综上，根据各数据库特点及系统功能需要，选用SQL Server数据库[11]作为系统数据库。考虑系统功能及扩展性，共设计数据表45张，其中，主要包括各计算模块输入参数表和输出成果表、应急决策损失表以及应急人员信息表等。各计算模块参数见表2。

表2 专用数据库参数设置

3 系统核心功能实现

3.1 应急决策功能实现

应急决策功能主要是在防洪度汛流量及水位的计算下，通过对不同方案损失及经济性进行分析计算提出合理的度汛方案。在基于上游水库水文预报基础上的上游梯级入库洪水过程，通过调用调洪模块计算该入库洪水过程下的出库过程，通过调用河道演进模块(马斯京根法)演算至围堰处；在建工程围堰处的洪水过程除上游水库的泄流量外，还包括上游水库到围堰区间的预报洪水过程，区间洪水通过区间洪水预报模块得到；导流围堰断面处的水位依据导流设施的泄流曲线及围堰前库容曲线，调用调洪模块计算得出堰前水位；若计算的堰前水位超过设计水位则调用超标洪水预警应急模块。

当发生超标洪水时采取的应急方案包括：加高围堰、上游水库帮忙以及不同方案的组合。其中加高围堰需要调用回水计算模块计算由于回水影响带来的损失，同时调用调洪计算模块，复核围堰加高后堰前水位是否满足防洪度汛的要求；上游水电站水库帮忙一般是通过降低运行水位，达到蓄水削峰的目的，但需要计算上游水电站相较正常调度情况下的发电损失；组合方案时需同时计算两种措施带来的新增损失及堰前水位。预警应急模块通过建立定量、定性分析应急决策成果表，对比分析不同方案经济、工期、社会影响、环境影响等因素，计算不同方案下的损失和方案实施后对水位的影响优选出最优方案，供决策者选择。

拆除围堰方案为次不利工况，应急决策成果表中根据预置的数据，展示采用此方案带来的围堰重建、工期延长等费用。

溃堰方案为方案中最不利工况，根据围堰工程特征参数等，调用溃堰计算模块，在应急决策成果表中展示溃堰发生后的溃堰流量、水位及工程区溃堰损失。

预警应急模块同时提供预警短信发送功能，能根据需要及时通知政府、设计单位、施工单位等相关人员，调用相关的应急预案、逃生路线图等。

3.2 界面设计

界面是系统与用户交互的媒介，友好的界面设计，不但可以给用户以良好的视觉感官，而且可以提供给用户简易、规范的交互过程，从而引导用户逐渐形成良好的操作习惯，提高用户操作系统的效率[12-13]。

Swing作为新一代的图形界面工具，完全采用Java实现，具有较好的跨平台能力。Swing提供6种不同布局类型，分别为BorderLayout(边框布局管理器)、FlowLayout(流式布局管理器)、CardLayout(卡片布局管理器)、GridLayout(网格布局管理器)、GridBagLayout(网格包布局管理器)和BoxLayout(盒布局管理器)[9]。本系统采用功能分区清晰的BorderLayout(边框布局)。

本系统主界面分为4部分，即上部的菜单栏、左侧的功能栏、中部的图形显示栏和下侧的实时监控栏。

4 结 语

本文提出的基于MVC模式的水库施工期防洪度汛决策支持系统具有较好的可视性、实时性和较强的可扩展性，可以与其他系统进行数据传输，提供计算服务。该系统是在中国电建集团水电工程水文气象重大关键技术应用研究科技课题的资助下完成的，水库施工期防洪度汛决策支持系统的实现，使得围堰施工期安全管理从事后分析型向事前预防性进行战略转变，从而尽可能地降低围堰失事的发生概率。