南水北调中线工程输水模拟平台开发及应用

王 琦

(国务院南水北调工程建设委员会办公室，北京市 100038)



南水北调中线工程输水模拟平台开发及应用

王 琦

(国务院南水北调工程建设委员会办公室，北京市 100038)

南水北调是我国目前在建的最大调水工程，其干线工程穿越多个省市、涉及面广，且沿线建筑物众多，运行工况复杂。开发南水北调中线工程输水模拟平台能为工程施工建设、调度运行、维护管理等提供一个数字化平台，提高工程运行管理的信息化水平。该平台以二维GIS为基础，采用Oracle数据库统一管理各类数据，并集成水力学、水力控制、冰期输水控制等模块，可实现输水系统特性分析、运行调度方案优化、防冰措施研究和信息查询管理等功能。图4幅。

南水北调；输水模拟平台；GIS系统；专业模块集成；开发应用

1 概 述

南水北调是我国目前在建的最大调水工程，主要是为解决黄淮海流域水资源分布不均的问题。工程起点在湖北省丹江口市，终点在北京市和天津市，其间横跨湖北、河南、河北、天津、北京5省市，以自流为主，局部采用泵站加压管道输水组合方案。中线工程总干渠全长1 432 km，沿线设有61座节制闸、88个分水口以及51座退水闸。工程规模十分宏大，输水流量大，沿线建筑物众多，是一项十分复杂的输水系统。

地理信息系统(GIS)具有表达地理要素直观等特点，并且可作为基础平台，在其上集成数学模型，可提供专业分析功能。目前，GIS系统广泛应用于许多领域，尤其是国土、交通、能源等与地理要素具有密切联系的行业，输水工程也不例外。王晓辉等[1]利用基于ActiveX控件开发的TopMap系统，实现了南水北调中线工程二维GIS显示、三维场景展示，并可从多视角展示工程概貌及相关信息。魏加华等[2]利用TGIS地理信息系统为基础平台，在其上开发了南水北调中线工程电子渠道平台；该平台采用Access作为数据库，集成了一维水力学模拟模块。张尚弘等[3]利用地物建模软件Creator与自动建模程序terra vista，利用MySQL数据库，展示了南水北调中线工程及沿线地形地貌，且实现了渠道中二维流场的动态展示。房玉龙等[4]将三维GIS技术应用于南水北调东线渠道，为渠道三维信息模型提供虚拟现实展示的平台，实现渠道模型在真实坐标下和真实周边环境中的飞行漫游展示。黄少华等[5]基于地理信息系统技术，建立大型人工输水渠道空间数据库，同时与工程水量分配模型、输水调度模型、工程报警模型相结合，在GIS可视化环境中建立供水调度管理系统。北疆供水工程开发了工程管理信息系统，包括二维GIS和多媒体三维GIS系统以及统一全景Web系统，可提供覆盖全流域信息的监视、查询和比较分析等决策支持功能[6]。

本文介绍的南水北调中线工程输水模拟平台以ArcMap为基础，采用Oracle数据库软件，集成了水力学、水力控制、冰期输水控制等模块，实现了工程渠道输水过程的动态模拟；同时具有工程信息查询、管理的功能。

2 平台的开发

2.1 开发工具与数据库设计

本平台的开发选用了ArcEngine9.2组件，其组件作为目前功能最为强大的二次GIS开发组件之一，可以满足用户的任何复杂功能需要。与其他GIS开发组件相比，它能够提供更多的功能控件、界面接口，为用户在开发过程中提供更多选择，实现所需功能。Visual C++是一个功能强大且适合图形界面软件的开发平台，具有丰富的控件、良好的数据库支持能力以及运行稳定快速等优点；尤其是VC6具有对ArcEngine组件的完全兼容性，在开发时只需安装ArcEngine的Runtime，方便快捷、便于管理。

Oracle数据库通过ArcEngine组件中的ArcSDE引擎访问，可方便地实现地理数据的访问、管理和维护。逻辑上，数据库分为地理数据库和属性数据库，访问方法如下所示(见图1)。

图1 数据库访问方法

地理数据库是本平台的运行基础，主要通过数据分层、拓扑处理、属性编码等步骤构建。地理数据库根据内容可分为基础图数据库与专题图数据库。其中，基础图数据库主要储存地形地貌、行政区划、高程等背景地理信息；专题图数据库以不同图层方式储存渠道、节制闸、分水口、退水闸等对象的空间信息以及其他相关数据。

属性数据是对应于空间数据来说的。属性数据库中储存了空间要素的非静态属性数据，如渠道的长宽、坡度、糙率等，及与空间要素无关的其他数据。在数据库中，通过建立索引表和链接关键字来表明属性数据与其对应地理空间要素之间的关系(见图2)。

图2 某渠道参数属性数据

2.2 基本GIS功能、信息查询功能开发

平台开发所采用的ArcEngine组件为用户提供了地图控件、页面控件、目录树控件、工具条控件等，并通过一系列命令、工具条和菜单栏囊括在控件命令中，并可与控件交互使用。

平台中基本GIS功能以VC6.0为开发工具。在单文档工程中添加需要的地图控件、目录树控件、工具条控件、页面控件等，然后在地图控件中导入已制作好的工程涉及范围的电子地图，并设为初始默认值。目录树控件属性页的Buddy列表框选中“地图控件”，将目录树控件与地图控件关联起来；以类似操作，把工具条控件与地图控件也关联起来。完成后，拖过拖拽将常用GIS命令添加到工具条上，包括包括缩放、平移、全局浏览、文件打开等。通过代码修改，可在初始化Onsize函数中设定地图控件的初始大小。

信息查询功能主要是指渠道参数的查询。在地图控件鼠标单击事件OnMouseDownMapControl函数中，先切换当前图层到需查询的“渠道断面”图层，后根据鼠标位置获得查询点接口，并进行缓冲区查询。当缓冲区中有多个查询点时，可设置缓冲区大小来过滤那些非用户所需的查询点。最后，通过查询点的属性得到断面桩号，在属性数据库中通过桩号查询渠道断面的参数。

2.3 专业模块集成

专业数值模拟模块是本平台的重要功能。平台上集成有水力学模型、水力控制模型、冰期输水控制和冰情预测模型。由于各专业模块采用不同开发工具实现，因此集成分别采用动态链接库(DLL)、可执行文件(EXE)、ActiveX控件(OCX)等方式实现。通过该平台的开发，证明上述集成方式均能满足系统开发的要求。

3 平台的功能

3.1 数据库功能

本平台数据库功能较为简单，可根据需要进一步扩充。用户只分成两级：管理员与一般使用者。管理员有删除、更改和管理各类数据的权限；而一般使用者仅有浏览数据的权限，无法修改数据。

3.2 基本GIS功能

基本的GIS功能主要是缩放、全局浏览、漫游、标注图层、数据导入导出、属性查询等。

3.3 信息查询功能

查询渠道断面参数：对渠道典型断面进行查询，将断面形式图绘在平面上，并以文字标注方式给出断面尺寸参数(见图3)。

图3 渠道断面参数查询

工程点查询：用户通过鼠标单击，可查询各工程点属性信息，以对话框的方式展示在地图上。

查询模型计算结果：通过用户鼠标点击某些过水建筑物，如节制闸、分水口、退水闸等，以曲线图方式动态展示计算工况下该建筑物所在断面的流速、流量等水力参数变化过程。

3.4 专业模块功能

水力学、水力控制、冰期输水控制等模块与平台实现了无缝集成，可模拟渠道输水的各种运行方式、控制模式和调度方案，进行比选与优化。

下面以水力学模块为例，介绍专业模块功能。

水力学模块是由一维水力学数值模拟程序组成。该程序可模拟多种调水方案的过渡过程。通过工况计算，可动态展示过渡过程中水力学参数的变化过程，分析渠道输水的稳定性和响应特性；也可模拟控制模式下的水波传播过程，通过闸门响应时间和范围的分析，优化调度方案；还可模拟应急工况下退水全过程，研究各退水闸的能力(见图4)。

图4 正常输水工况下某区段水位、流量、流速

4 结 语

南水北调中线工程输水模拟平台以二维GIS为基础，以数据库为支撑，无缝集成了水力学、水力控制、冰期输水控制等多个模块，可形象表现南水北调中线干线渠道输水过程的数字化平台。同时，兼具工程数据管理功能，可为渠道输水的调度方案、运行方式、控制模式等提供模拟分析、决策支持环境。所建数据库实现了空间数据与属性数据的统一管理，可为工程施工、运行和管理提供决策支持。

[1] 王晓辉,魏 明,解建仓. 南水北调工程仿真系统_GIS子系统的设计与实现[J]. 系统仿真学报, 2002,12 (14)：1591_1594.

[2] 魏加华,王光谦,陈志祥，等. 南水北调中线电子渠道平台建设[J]. 南水北调与水利科技, 2007,29 (5)：28_30.

[3] 张尚宏,赵 刚,宋 博，等. 南水北调中线工程三维仿真系统开发[J]. 南水北调与水利科技, 2007,29 (5)：31_34.

[4] 房玉龙,桑国庆,王旭波，等.基于GIS的渠道虚拟现实系统开发研究[J].南水北调与水利科技,2009,7(6):224_227.

[5] 黄少华,黄会勇,吴泽宇，等.基于GIS的大型人工输水渠道供水调度管理系统[J].南水北调与水利科技,2010,8(1):43_48.

[6] 周小兵,张立德,刘广林.长距离调水工程管理信息系统[M].北京:中国水利水电出版社, 2007.

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责任编辑 吴 昊

2014-12-08

王 琦(1980-)，男，工程师，主要从事水利工程信息系统建设和维护管理工作。 E_mail：157526785@qq.com