水量调度仿真系统开发初步研究（何刘鹏,仝亮,陈新燕,王军良,王彤,彭彦铭）

［摘 要］ 水量调度仿真系统从黄河水资源管理调度工作的实际需求出发，采用仿真和虚拟技术，多维和多种数据的融合技术，以图形、动画和空间地理信息技术等为依托，进行水量调度仿真的研究，实现研究河段水量调度相关要素的空间表现和历史再现等功能。

［关键词］ 水量调度 仿真 三维 GIS

为了进一步提高水量调度科学化、精细化水平，2005年12月，黄委水调局和黄河设计公司规划院共同编写完成了《黄河水量调度仿真系统框架规划》。框架规划中提出要充分依托计算机图形显示技术、三维动画技术和空间地理信息技术，提高数学模型运算精度和在线预测、动态监测水平，建设水量调度仿真系统，从而进一步推进现有水量调度工作流程的直观化、可视化程度，最大限度地实现黄河水量调度相关要素的空间表现和历史再现。位山闸河段（孙口～艾山）水量调度仿真系统作为整个黄河水量调度仿真系统的一期项目，主要进行仿真调度系统建设的研究工作。

2 研究目标

水量调度仿真系统从水资源管理调度工作的实际需求出发，综合利用“数字黄河”工程的先进成果，并结合研究河段水量调度的具体情况，建立一套与现实研究河段水量调度控制系统相对应的三维水量调度综合控制平台；通过“数字水调”工程网络和数据库平台建立虚拟与现实之间的有机联系；整合水量调度模型，建立与研究河段水量调度三维虚拟平台之间的关系，实现在三维虚拟平台上水量调度方案的模拟、表现、分析；实现研究河段水量调度过程的仿真表现、历史再现以及未来调度预测等功能，进一步提高水量调度科学化、精细化水平。

3 技术路线

采用先进的地理信息系统（GIS）、虚拟现实、数据库管理、卫星遥感（RS）、影像处理、三维建模等技术，建立研究河段三维数字平台，通过数据驱动的三维动态水流，表现河道及渠道水流过程，集成涵闸控制模型建立与现实水量调度环境相对应的虚拟水量调度环境，对水量调度模型结果进行动态仿真，通过与水调综合数据库的连接实现虚拟与现实的互动，实际调度过程可以在虚拟平台上动态直观表现，为水量调度决策提供科学、直观的三维平台。

研究方向侧重在数学模型支持下的图形仿真及研究区三维视景系统的建立。该仿真系统综合运用现有的水调数学模型，以现有水调工作流程为主线，以计算机图形显示技术、三维虚拟现实技术和空间地理信息技术为依托，直观反映有关水调模型的运算结果及监测的或预估的调度要素变化的情况，最终实现水量调度相关要素的空间表现、历史再现和未来调度预测。

4 主要研究内容

仿真系统建设分为场景建设、系统数据库建设、仿真系统平台建设等几个方面如图1。

4.1 系统三维场景建设

1)场景地形的建设

场景地形通过DEM（数字高程模型）来建立。整个场景地形采用整体大场景与局部精细场景相结合的方式来表现。大场景地形采用1∶25万DEM来表现，细部场景地形（河道内及大堤外200米内）采用1∶1万DEM来表现。这样既能满足整体场景的连续性，也能满足局部场景精细度的要求。地形上平面地物采用高分辨率彩色卫星正射影像的方式来表现。

2)场景中各类三维地物表现

各类工程在三维场景中需要以工程三维模型的形式来表现，虚拟三维的建设需要制作工程三维模型。工程三维模型种类有：堤防模型、险工模型、防护坝模型、控导工程模型、位山闸精细模型、其它实物模型（防汛仓库、河务局、河务段及居民地等），模型大小、形状、位置按万分之一河道地形图来控制。

根据场景表现的需要分类制作以下工程三维模型：

(1）位山闸精细模型制作

该模型制作根据设计图按比例来制作，不仅外观真实，而且内部主要结构也要按真实情况制作，可以在虚拟场景中漫游进入闸室等模型内部的关键部位，能够通过涵闸控制模型，对闸门进行启闭控制。

(2）堤防、险工、控导工程模型制作

为真实表现河道内工程形态，需要制作堤防模型、险工模型和控导工程模型。根据黄河下游1∶1万数字地图确定工程的空间位置，依靠设计图或高精度的地形图建立不同形式的工程模型。

(3）其它模型制作

根据场景表现的需要，需建立研究范围内的其它模型，如防洪工程非工程类建筑物（闸管所、渠道、防汛道路、大断面标志、公里桩、标志牌等）以及丰富场景的各类植物模型（树木、花草）等。

4.2 系统数据库建设

仿真系统的数据按大的类型可分为空间数据、三维模型数据、涵闸参数及运行数据、断面资料数据以及河道水流演进数据等。因此，系统数据库的建设主要包括空间数据库建设、三维模型库建设、涵闸参数及运行库建设、断面资料库建设、河道水流演进库建设等内容。

1)空间数据库建设

利用ArcGIS的空间建库功能，建立系统空间数据库，主要用于管理虚拟场景建设所需的各类空间信息，包括空间矢量信息、DEM(数字高程模型)数据、DOM（正射影像）数据等。空间矢量信息主要包括真形河道、引水渠道、涵闸、防洪工程、滩区等位置形态信息。

2)三维模型库建设

为了对分类建立的各类工程、非工程的三维模型进行有效管理，设计建立工程非工程（包括引黄涵闸）的三维模型库。

3)涵闸参数及运行库建设

设计管理引黄涵闸的设计参数及运行参数数据库。设计参数主要包括涵闸结构、孔数、孔口尺寸、设计流量、加大流量、设计防洪水位、校核防洪水位、底板高程、堤顶高程、设计灌溉面积、实际灌溉面积、闸后围堰高程等；运行参数包括引水时间及引水量等。

4)断面资料库建设

设计管理水文大断面的相关资料，主要包括水文大断面的基本资料以及各时刻的流量数据。

5)河道水流演进库建设

设计管理用于表现河道水流演进的网格数据。

4.3 仿真系统平台建设

仿真系统的建设包括以下几个方面的主要内容：

1）交互式三维控制平台的建设

仿真系统控制平台的建设将实现三维视景系统中的所有基本功能：基于三维的实时交互式控制、浏览、飞行、定位、查询、测量分析等。

2）建立数据驱动的水流，仿真流量过程

数据驱动的水流演进动态显示技术,是综合运用三维GIS 技术和虚拟现实技术,在三维场景基础上,根据二维水沙数学模型计算的结果信息构建一个基于GIS的三维河面,利用纹理映射技术原理将水流的表现效果、水流速度矢量信息等叠加到水层上,从而实现河道内水流演进过程的动态显示，从而实现不同流量过程的仿真。

3）建立渠道引水模型，实现渠道引水过程

根据引水渠道的水位～流量关系曲线，建立渠道引水模型，直观地显示渠道的不同引水状态。

4）涵闸引水过程仿真

根据涵闸引水量的大小，通过动态改变三维场景涵闸启闭，实现引水渠道的水流流速和水位的变化，模拟仿真涵闸引水过程。

5 调度仿真系统的关键技术研究

5.1 基于数据驱动的河道水流三维仿真模块开发

系统河道水流的开发，充分利用了“二维水沙模型与三维视景系统结合应用研究”的成果，依靠“二维水沙模型”的计算结果表现河道水流。并根据进口流量（孙口断面流量）进行动态调整河水流态，实现了该河段不同流量级下河道水流的变化情况以及工程的靠水情况，从而实现不同来水过程的仿真。

在仿真系统中建立的河道水面如图2所示。

5.2 渠道引水过程仿真模块开发

依据渠道的水位～流量关系曲线，建立渠道引水过程仿真模型，计算渠道水面线，并叠加渠道的水位、流速信息表现渠道的引水过程。

渠段水面线推求采用明槽非恒定流基本方程进行计算，水力学中用于描述明槽非恒定渐变流运动规律的以水深（z）和流量（Q）为因变量表示的圣维南方程组为：

根据水流的初始条件和边界条件，求出渠段水位和流量随时间和流程的变化关系。然后通过虚拟控制接口修正场景中渠道水位和流量，实现渠道不同引水过程的状态变化。

5.3 涵闸引水过程模拟仿真模块

根据涵闸引水量的大小，通过改变三维场景涵闸引水渠道的水流流速和流量模拟仿真涵闸引水过程。

水力学中用于描述有淹没情形下的闸过流计算公式为：

该公式描述了闸孔开度和闸孔过流量之间的关系。

假设Q孔口出流流量已知，就可以得到闸门开度，反之也可以得出孔口出流流量。

模块通过仿真控制平台与三维场景接口，控制三维场景中模型节点状态、位置等参数，实现涵闸调度过程的仿真。

6 结语

“位山闸河段（孙口～艾山）水量调度仿真系统”作为黄河水量调度仿真系统的前期研究工作，以应用出发，紧密结合调度工作需求，将三维仿真技术与调度模型相结合，以现有水调工作流程为主线，进行了大量创新研究工作。通过研究开发，在三维数字平台上，以空间地理信息数据为基础，将各类调度模型计算的抽象数据，动态直观的以三维的形式进行显示，实现了水量调度相关要素的空间表现、历史再现和未来调度预测等功能。仿真系统的建立将进一步提高水量调度科学化、精细化水平。系统的研究工作坚持创造性、可扩展性的原则，便于将来由点到面、由局部到整体的升级。通过系统的开发研究，为整个黄河流域仿真调度，探索一种新的方法和思路。