長港三維洪水預報系統開發與應用

文/范創剛 詹志剛 何祥（湖北省鄂州市水文水資源勘測局）

傳統的洪水預報系統側重于單點預報的洪峰流量和峰現時間，不能直觀地反應洪水過程與流域的地形地貌、水利工程以及堤岸之間的關系，這就要求決策者具有較強的空間分析能力。目前水文在防汛決策中的支持主要體現在水文預報技術[1]和技術表現形式兩個方面。其中技術表現形式方面，隨著信息技術的快速發展，防汛決策支持體系逐漸向基于3S技術、三維可視化技術的空間多層次、立體模式發展，水利信息的展示方式也逐步從二維開始向三維轉變[2]。三維可視的流域洪水預報系統可為流域防汛指揮的科學決策提供全方位、多層次和多維度的決策支持信息[3]。本文對三維洪水預報系統開展研究，具有重要的理論意義與實際應用價值。

一、流域基本情況

梁子湖流域位于湖北省東南部，流域主體梁子湖集水面積為2085km2，湖泊總長132.4km，其中入湖河流高橋河長64.4km，出湖河流長港46.6km，水面面積304km2，是湖北省第二、全國第八大淡水湖[4]。流域內長5km以上河流85條，較大支流主要有高橋河、渠首河、金牛河、張橋湖港、保安湖、車灣港、小港、薛家溝、新港、長港等。梁子湖流域為長江中游南岸一級支流，地處長江中游下段南岸，位于東經114°20′-114°50′，北緯29°45′-30°35′，包括梁子湖、鴨兒湖、三山湖、保安湖等湖泊組成獨立的水系，大小湖泊均匯流于長港，并于樊口注入長江，梁子湖與武漢、鄂州、黃石、咸寧四市交匯，防洪地位尤為突出。因此，長港流域三維洪水預報系統的開發和研究具有重要意義。

二、研究目標及主要內容

三維洪水預報系統利用多源水文數據同化空間數據集作為數據輸入，建立能夠反映現實世界的三維、立體、多角度、動態水文多要素虛擬現實集成平臺，實現長港水文地理數據三維可視化展示以及長港隨時間推移下的洪水演進情況。研究主要內容包括：（1）數據三維可視化展示分析，包括地理信息三維全景展示、洪水預報成果三維展示等；（2）洪水演進分析，依據長港特征，建立洪水演進展示平臺，模擬不同雨水情情況下洪水傳播時間、流量和水位，仿真在不同時段、不同地點的洪水演進情況，通過虛擬現實系統生成洪水三維演進過程。

三、研究背景、目的及意義

隨著社會經濟的發展，洪水災害所造成的經濟損失和社會影響與日俱增，利用非工程手段進行防洪減災備受重視。梁子湖流域湖泊眾多，河網密集，而長港是連接這些湖泊和長江的水沖要道，關乎沿岸人口、農田以及武九鐵路、316國道、武黃高速公路的防洪安全，防洪地位突出。目前長港流域的預報方案基本為傳統意義的單點預報，即通過流域產匯流技術計算出單點洪峰和峰現時間，但是與流域地形、堤岸以及水利工程的關系并不能直觀地反映出來。

三維流域洪水預報基于三維建模、水文預報等多種信息化技術，實現實時雨水情、洪水預報結果等信息的多維展示，使洪水預報和演進具有真實的三維可視化效果，推動防汛指揮體系的信息化進程。

四、創新特色

長港三維洪水預報系統基于3S技術、計算機網絡、空間數據庫、虛擬現實等現代高新信息化技術[4]，同時結合水文預報技術，利用實時雨水情數據、無人機航測數據以及地形地貌數據，通過數據處理、三維建模等手段，在三維場景上展現基礎地理信息、洪水演進以及洪水預報結果，使洪水預報結果和洪水演進過程具有真實的可視化效果，預報結果的展現形式從圖表化、靜態化轉變為圖像化、動態化。長港三維洪水預報系統不僅展示了洪水時間變化過程，也展示了空間變化工程，有效地提高了防汛指揮系統的信息化水平，系統技術路線。

五、系統應用

（一）系統架構

長港三維洪水預報系統開發依據水情監測、洪水預報的經驗成果，結合梁子湖流域的特點，分析研究系統建設的關鍵問題，以洪水預報為核心，以三維可視化為重點，同時結合水文部門綜合業務管理和站網管理需要進行設計，將系統分為：基礎設施層、數據資源層、平臺支撐層、軟件服務層四層。體系結構層次清晰，具有較強的擴展性和安全性，便于后期維護和更新。

1.基礎設施層

基礎設施層利用已建設的計算資源、存儲資源、網絡通信資源，以及采集終端設備和數據接收，包括水文、水利工程等遙測自動終端采集設備、地理信息數據采集設備的接入和數據接收。

對所有的患者進行GE64排螺旋CT肺部掃描,先進行平掃,再使用高壓注射器推注對比劑。將掃描結果傳輸到工作站,進行數據處理分析。

2.數據資源層

數據資源層通過綜合數據庫的建設，實現雨水情數據、空間數據、三維影像數據等相關數據資源的接入、接收與運行、維護、管理，實現數據資源的統一標準、統一存儲、統一管理的數據資源運行模式。

3.平臺支撐層

平臺支撐層提供統一的平臺應用支撐服務，為長港三維洪水預報系統提供統一的基礎數據訪問、數據分析、界面表現等系統公共服務支持。

4.軟件服務層

軟件服務層建立實時信息查詢、三維展示、洪水預報等業務應用功能，為用戶提供統一的業務功能管理、三維洪水分析等應用軟件服務與信息查詢服務。

（二）系統主要功能

針對流域的特點和需求，同時考慮系統的可擴展性、靈活性以及開發、使用的高效性，針對水文數據共享與決策需求，設計四大功能模塊：實時信息模塊、洪水預報模塊、三維展示模塊和系統管理模塊。

洪水預報模塊：用于創建洪水預報方案，并對方案參數進行調整與修改。同時系統支持預報時可選擇需要進行調度的水閘，通過選擇相應的出流公式并輸入相關參數進行出流計算，計算完成后進行保存，以備洪水預報計算時選用調度后的流量數據進行計算。

三維展示模塊：流域三維建模基于WEBGIS和虛擬現實技術，根據無人機航測數據、數字高程模型（DEM）和遙感數據，對地理信息進行加工拼接，并結合流域內重要的水工建筑物，建立關鍵斷面3D模型。三維展示模塊為系統提供形象直觀的視覺效果，為防洪決策提供重要依據。

三維洪水演進：根據梁子湖流域特征，建立預報斷面的洪水演進模型，模擬不同時段、不同雨水情情況下的洪水傳播演進情況。系統通過虛擬現實技術生成洪水三維演進過程、水位上漲過程及仿真淹沒區域，提供流域中洪水運動的動態三維模擬仿真。

系統管理模塊：提供用戶管理、權限管理、菜單管理、系統日志等常規管理功能。

（三）水情預報技術線路

本次主要對磨刀磯閘上、磨刀磯閘下和樊口大閘上三個斷面的水位流量進行三維洪水預報。

1.磨刀磯閘上斷面預報方案

采用蓄滿產流方法進行計算，即產流量可用簡單的水量平衡方程式表示：

式中：R—一次降雨形成的徑流深（mm）。它包括地面徑流、表層徑流和淺層地下徑流；P—一次降雨總量（mm）；Wm—流域平均最大蓄水量（mm）；W—降雨開始時流域平均實際蓄水量（mm）；Z—雨期蒸發量。

根據式（1）中各參數的物理意義，可進一步推出：

式中：P—為一時段的降雨量（mm）；Pa—前期影響水量（mm）；K—土壤含水量折算系數（采用原方案確定值）。

由于式（2）中P為實測值，K為系數，Pa可經過計算得到，Pa是徑流深R的最大影響因素。如果按照不同Pa值分析計算得出它對R的影響程度——即產流系數C便可計算一次降雨所形成的徑流深：

2.磨刀磯閘下斷面預報方案

磨刀磯閘下水位流量主要受磨刀磯閘上水位以及磨刀磯閘出流影響。磨刀磯閘下洪水按照閘門出流計算出閘下流量。

磨刀磯節制閘有四種流態出流：自由式堰流、淹沒式堰流、自由式孔流、淹沒式孔流，各流態計算公式如下：

式中：B—閘門開啟寬度（m）；σ—淹沒系數；e—閘門開啟高度（m）；hu—閘門水頭（m）；C1、C2—自由、淹沒堰流流量系數；M1、M2—自由、淹沒孔流流量系數。

3.樊口大閘上預報方案

樊口大閘上水位除了受磨刀磯閘和流域降水影響外，還需要考慮長港閘調水情況影響。樊口大閘上產流計算時借用磨刀磯站產流方案，計算產流時需扣除磨刀磯站控制的流域面積（2085km2）和流域內其他湖泊湖面面積（103.65km2）。流域匯流計算時采用瞬時單位線法，地表徑流計算時，計算時段取2h，瞬時單位線和10mm。地下徑流計算根據水量平衡關系采用經驗公式進行計算。

最終流域匯流計算的洪水過程、磨刀磯河道流量演算的洪水過程疊加，再加上新港閘排水、樊口大閘抽水量，即為預報的樊口大閘上流量數據。

六、結束語

長港三維洪水預報系統基于無人機航測成果、實時雨水情監測數據和洪水預報成果，綜合采用數字流域、三維可視化等技術實現了多源數據在空間上、視覺上的直觀展示，在三維洪水預報和洪水三維演進方面進行了實用化的探索。長港三維洪水預報系統的開發與應用為防洪調度決策的制定以及防洪搶險方案的實施提供了一定的依據，同時也提高了長港流域的運行管理與防洪調度的信息化水平，為相關水文部門提供借鑒。