长港三维洪水预报系统开发与应用

文/范创刚 詹志刚 何祥（湖北省鄂州市水文水资源勘测局）

传统的洪水预报系统侧重于单点预报的洪峰流量和峰现时间，不能直观地反应洪水过程与流域的地形地貌、水利工程以及堤岸之间的关系，这就要求决策者具有较强的空间分析能力。目前水文在防汛决策中的支持主要体现在水文预报技术[1]和技术表现形式两个方面。其中技术表现形式方面，随着信息技术的快速发展，防汛决策支持体系逐渐向基于3S技术、三维可视化技术的空间多层次、立体模式发展，水利信息的展示方式也逐步从二维开始向三维转变[2]。三维可视的流域洪水预报系统可为流域防汛指挥的科学决策提供全方位、多层次和多维度的决策支持信息[3]。本文对三维洪水预报系统开展研究，具有重要的理论意义与实际应用价值。

一、流域基本情况

梁子湖流域位于湖北省东南部，流域主体梁子湖集水面积为2085km2，湖泊总长132.4km，其中入湖河流高桥河长64.4km，出湖河流长港46.6km，水面面积304km2，是湖北省第二、全国第八大淡水湖[4]。流域内长5km以上河流85条，较大支流主要有高桥河、渠首河、金牛河、张桥湖港、保安湖、车湾港、小港、薛家沟、新港、长港等。梁子湖流域为长江中游南岸一级支流，地处长江中游下段南岸，位于东经114°20′-114°50′，北纬29°45′-30°35′，包括梁子湖、鸭儿湖、三山湖、保安湖等湖泊组成独立的水系，大小湖泊均汇流于长港，并于樊口注入长江，梁子湖与武汉、鄂州、黄石、咸宁四市交汇，防洪地位尤为突出。因此，长港流域三维洪水预报系统的开发和研究具有重要意义。

二、研究目标及主要内容

三维洪水预报系统利用多源水文数据同化空间数据集作为数据输入，建立能够反映现实世界的三维、立体、多角度、动态水文多要素虚拟现实集成平台，实现长港水文地理数据三维可视化展示以及长港随时间推移下的洪水演进情况。研究主要内容包括：（1）数据三维可视化展示分析，包括地理信息三维全景展示、洪水预报成果三维展示等；（2）洪水演进分析，依据长港特征，建立洪水演进展示平台，模拟不同雨水情情况下洪水传播时间、流量和水位，仿真在不同时段、不同地点的洪水演进情况，通过虚拟现实系统生成洪水三维演进过程。

三、研究背景、目的及意义

随着社会经济的发展，洪水灾害所造成的经济损失和社会影响与日俱增，利用非工程手段进行防洪减灾备受重视。梁子湖流域湖泊众多，河网密集，而长港是连接这些湖泊和长江的水冲要道，关乎沿岸人口、农田以及武九铁路、316国道、武黄高速公路的防洪安全，防洪地位突出。目前长港流域的预报方案基本为传统意义的单点预报，即通过流域产汇流技术计算出单点洪峰和峰现时间，但是与流域地形、堤岸以及水利工程的关系并不能直观地反映出来。

三维流域洪水预报基于三维建模、水文预报等多种信息化技术，实现实时雨水情、洪水预报结果等信息的多维展示，使洪水预报和演进具有真实的三维可视化效果，推动防汛指挥体系的信息化进程。

四、创新特色

长港三维洪水预报系统基于3S技术、计算机网络、空间数据库、虚拟现实等现代高新信息化技术[4]，同时结合水文预报技术，利用实时雨水情数据、无人机航测数据以及地形地貌数据，通过数据处理、三维建模等手段，在三维场景上展现基础地理信息、洪水演进以及洪水预报结果，使洪水预报结果和洪水演进过程具有真实的可视化效果，预报结果的展现形式从图表化、静态化转变为图像化、动态化。长港三维洪水预报系统不仅展示了洪水时间变化过程，也展示了空间变化工程，有效地提高了防汛指挥系统的信息化水平，系统技术路线。

五、系统应用

（一）系统架构

长港三维洪水预报系统开发依据水情监测、洪水预报的经验成果，结合梁子湖流域的特点，分析研究系统建设的关键问题，以洪水预报为核心，以三维可视化为重点，同时结合水文部门综合业务管理和站网管理需要进行设计，将系统分为：基础设施层、数据资源层、平台支撑层、软件服务层四层。体系结构层次清晰，具有较强的扩展性和安全性，便于后期维护和更新。

1.基础设施层

基础设施层利用已建设的计算资源、存储资源、网络通信资源，以及采集终端设备和数据接收，包括水文、水利工程等遥测自动终端采集设备、地理信息数据采集设备的接入和数据接收。

对所有的患者进行GE64排螺旋CT肺部扫描,先进行平扫,再使用高压注射器推注对比剂。将扫描结果传输到工作站,进行数据处理分析。

2.数据资源层

数据资源层通过综合数据库的建设，实现雨水情数据、空间数据、三维影像数据等相关数据资源的接入、接收与运行、维护、管理，实现数据资源的统一标准、统一存储、统一管理的数据资源运行模式。

3.平台支撑层

平台支撑层提供统一的平台应用支撑服务，为长港三维洪水预报系统提供统一的基础数据访问、数据分析、界面表现等系统公共服务支持。

4.软件服务层

软件服务层建立实时信息查询、三维展示、洪水预报等业务应用功能，为用户提供统一的业务功能管理、三维洪水分析等应用软件服务与信息查询服务。

（二）系统主要功能

针对流域的特点和需求，同时考虑系统的可扩展性、灵活性以及开发、使用的高效性，针对水文数据共享与决策需求，设计四大功能模块：实时信息模块、洪水预报模块、三维展示模块和系统管理模块。

洪水预报模块：用于创建洪水预报方案，并对方案参数进行调整与修改。同时系统支持预报时可选择需要进行调度的水闸，通过选择相应的出流公式并输入相关参数进行出流计算，计算完成后进行保存，以备洪水预报计算时选用调度后的流量数据进行计算。

三维展示模块：流域三维建模基于WEBGIS和虚拟现实技术，根据无人机航测数据、数字高程模型（DEM）和遥感数据，对地理信息进行加工拼接，并结合流域内重要的水工建筑物，建立关键断面3D模型。三维展示模块为系统提供形象直观的视觉效果，为防洪决策提供重要依据。

三维洪水演进：根据梁子湖流域特征，建立预报断面的洪水演进模型，模拟不同时段、不同雨水情情况下的洪水传播演进情况。系统通过虚拟现实技术生成洪水三维演进过程、水位上涨过程及仿真淹没区域，提供流域中洪水运动的动态三维模拟仿真。

系统管理模块：提供用户管理、权限管理、菜单管理、系统日志等常规管理功能。

（三）水情预报技术线路

本次主要对磨刀矶闸上、磨刀矶闸下和樊口大闸上三个断面的水位流量进行三维洪水预报。

1.磨刀矶闸上断面预报方案

采用蓄满产流方法进行计算，即产流量可用简单的水量平衡方程式表示：

式中：R—一次降雨形成的径流深（mm）。它包括地面径流、表层径流和浅层地下径流；P—一次降雨总量（mm）；Wm—流域平均最大蓄水量（mm）；W—降雨开始时流域平均实际蓄水量（mm）；Z—雨期蒸发量。

根据式（1）中各参数的物理意义，可进一步推出：

式中：P—为一时段的降雨量（mm）；Pa—前期影响水量（mm）；K—土壤含水量折算系数（采用原方案确定值）。

由于式（2）中P为实测值，K为系数，Pa可经过计算得到，Pa是径流深R的最大影响因素。如果按照不同Pa值分析计算得出它对R的影响程度——即产流系数C便可计算一次降雨所形成的径流深：

2.磨刀矶闸下断面预报方案

磨刀矶闸下水位流量主要受磨刀矶闸上水位以及磨刀矶闸出流影响。磨刀矶闸下洪水按照闸门出流计算出闸下流量。

磨刀矶节制闸有四种流态出流：自由式堰流、淹没式堰流、自由式孔流、淹没式孔流，各流态计算公式如下：

式中：B—闸门开启宽度（m）；σ—淹没系数；e—闸门开启高度（m）；hu—闸门水头（m）；C1、C2—自由、淹没堰流流量系数；M1、M2—自由、淹没孔流流量系数。

3.樊口大闸上预报方案

樊口大闸上水位除了受磨刀矶闸和流域降水影响外，还需要考虑长港闸调水情况影响。樊口大闸上产流计算时借用磨刀矶站产流方案，计算产流时需扣除磨刀矶站控制的流域面积（2085km2）和流域内其他湖泊湖面面积（103.65km2）。流域汇流计算时采用瞬时单位线法，地表径流计算时，计算时段取2h，瞬时单位线和10mm。地下径流计算根据水量平衡关系采用经验公式进行计算。

最终流域汇流计算的洪水过程、磨刀矶河道流量演算的洪水过程叠加，再加上新港闸排水、樊口大闸抽水量，即为预报的樊口大闸上流量数据。

六、结束语

长港三维洪水预报系统基于无人机航测成果、实时雨水情监测数据和洪水预报成果，综合采用数字流域、三维可视化等技术实现了多源数据在空间上、视觉上的直观展示，在三维洪水预报和洪水三维演进方面进行了实用化的探索。长港三维洪水预报系统的开发与应用为防洪调度决策的制定以及防洪抢险方案的实施提供了一定的依据，同时也提高了长港流域的运行管理与防洪调度的信息化水平，为相关水文部门提供借鉴。