南水北调中线电子渠道平台建设（魏加华,王光谦,陈志祥,张成,王开）

时间：2022-02-21 15:13:50 浏览量：次

摘要：南水北调中线工程输水线路长，沿线分水口门和控制设施多，水力学及调度控制响应是工程设计与运行管理的关键。在收集、整理南水北调中线相关资料的基础上，建立了南水北调中线基础地理、输水线路、控制工程及相关建筑物的综合数据库。采用自主开发的TGIS平台，集成了南水北调中线总干渠一维和局部二维、三维数学模型，在该平台下，能够进行输水能力计算、水力控制响应分析，为工程设计、管理和运行调度提供了基础平台。

关键词：南水北调工程; 电子渠道; 水力学模型; 系统集成

中图分类号：TP391;TV68文献标识码：A文章编号：16721683（2007）02002803

Digital Canal of the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project

WEI Jia-hua,WANG Guang-qian,CHEN Zhi-xiang,ZHANG Cheng,WANG Kai

(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084，China)

Abstract: The main channel of the Middle Route Project of South-to-North Water Transfer has a long route, a vast water supply district and numerous water-diverting outlets along the channel, hydraulic feature and response time and sensitive to operation are most important problems for engineer designing and operating. Both spatial and attribute data of the water diversion project related are managed based on RDBMS. Four computation models for hydraulic calculating the channel flow of the whole channel reaches are developed and integrated with TGIS. Under the digital canal platform, the water transfer capability, canal operation responsibility and canal performance can be fulfilled. The integrated digital canal can be used for the engineering design, project management and water supply regulation. 

Key words: South-to-North Water Diversion Project; digital canal; hydraulic model; system integration

1引言

南水北调中线工程是一个复杂的大型跨流域调水工程，输水总干渠渠线长、南北跨度大，供水区范围广。南水北调中线工程纵横1 277 km，总干线（含天津干线）穿越大小河流686条，其中集流面积大于20 km2的205条。全线有各种交叉建筑物1 753座。按建筑物类型分，大型河渠交叉建筑物（交叉断面以上集水面积在20 km2以上）共有164座，左岸排水建筑物（交叉断面以上集水面积小于20 km2）有468座，渠渠交叉建筑物有133座，铁路交叉建筑物有41座，公路交叉建筑物有736座，控制建筑物201座，输水隧洞有9座，泵站1座，共计1 753座［1］。从中线长距离调水工程的调水能力和水力调配过程来看，总干渠的设计特点为断面大、流速小，沿程众多的渡槽、倒虹吸、隧洞及控制建筑物，这些都是控制渠道输水能力的关键因素。对于这样一个复杂的大型调水工程，从调水工程的优化运行来看，工程的规模和复杂性都要求具有更为科学的决策方法和工具。要保证这样一个复杂的系统安全可靠地运行，在水量的优化调度方案确定之后，能够正确地实施该方案，做到供水及时，调蓄有序，无弃水或少弃水，并使整个系统运行稳定是成功输水的重要体现。为实现工程信息数据的一致性、提高模型分析和应用系统开发，建立一个集工程参数、空间分析和数学模型于一体的电子渠道平台，研究工程输水能力和系统运行控制模式，对研究系统的输水能力和水力调配具有重要作用，同时也可为工程设计和运行管理提供基础平台。

南水北调中线电子渠道平台，是在收集、整理南水北调中线总干渠工程的可行性研究、设计及相关资料的基础上，建立与输水工程相关的综合数据库，对南水北调中线水源区、输水工程相关的基础地理、输水渠道、设计参数、输水控制工程（节制闸、退水闸、分水口等）、受水区相关的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境，集成一维和二维水力学模型，为水力复核、水力响应分析及调度运行方案论证提供模拟分析、信息支持和决策分析环境。

2电子渠道平台设计

南水北调中线工程空间跨度大、资料多，通过建立南水北调工程中线电子渠道，将空间信息与刻画输水渠道水流特征的数学模型集成，形成研究输水系统水力过程的基础平台。在电子渠道平台上，表现和模拟渠道水流的运动和传输过程，在数学模型的基础上，研究不同设计参数和运行方案对水流过程的影响。主要包括：

（1）输水渠道的电子化，建立与调水工程相关的数据库系统。南水北调中线设计工程量大，且工程设计参数还处于调整过程中，数据的一致性，解决分布的、异构的信息共享和交换问题是一个重要问题，建立电子渠道，能够保证再更新数据后，模型计算能够自动更新，保证数据的现势性和统一性。

（2）水力学模型与电子渠道的耦合。集成水力学模型，显示查询任意断面的水流过程、平面流速分布、断面流速分布、断面几何剖面及参数；渠道平面流场分布等。

（3）不同设计和运行方案的水流过程模拟及控制响应分析。南水北调工程电子渠道包括两个部分：一是建立中线工程二维GIS平台，对中线主要水工建筑物、交叉建筑物、渠道断面、分/引水口等进行查询、显示，主要功能包括地图的基本操作、信息查询、局部流场显示等；能够对渠道属性（坡降）、断面属性（断面图、断面几何参数）进行查询显示。二是建立局部三维渠道，实现水力模型与仿真的耦合，以刻画局部水力学特性。实现在该场景下流态、流速的显示、断面查询，对不同设计和运行方案的水流过程进行模拟及控制响应分析。

通过数据库建设和渠道水力学模型的集成，形成集信息查询、水力学计算和输水过程响应分析的综合平台，也可以作为工程运行管理的基础平台。

2.1数据库

南水北调中线电子渠道平台包括基础地理、渠道断面、建筑物设计参数等。

基础地理数据库：是中线电子渠道信息源建设中图形库的一部分，包括中线水源、输水及受水区的行政区划、城市、居民地、铁路、公路、水系及相关要素。

渠道断面数据库：将南水北调中线一期工程可行性研究中总干渠、天津段的设计断面数字化，并入库。

总干渠建筑物属性数据库：包括建筑物名称、地名、总桩号、分段桩号、坐标、渠道设计（加大）水位、渠底高程、渠道设计（加大）流量、渠道设计（加大）水深、边坡系数、渠道底宽、渠道纵坡等。

交叉建筑物属性数据库：包括河渠交叉建筑物、左岸排水建筑物、铁路交叉建筑物、公路交叉建筑物、灌渠交叉建筑物、隧洞建筑物、分水口、节制闸、退水闸等。

影像数据库：遥感图像库用于三维仿真地表贴图，采用TM/ETM图像（2000-2002）、实地照片资料等。

多媒体数据库：包括工程照片、虚拟成果、图形报表等。

社会经济数据库：指南水北调中线受水区的基本社会经济数据，主要包括人口、土地总面积、耕地面积、产值、GDP等。

2.2模型库建设

模型是电子渠道的核心部分，包括用于渠道水面线计算的一维恒定流模型、分析水流对控制的响应过程的非恒定模型、研究分流口局部水流特性的二维水力学模型，以及局部三维水力学模型。此外，水力学模型也是渠道水力参数优化和局部渠道断面参数调整、输水过程的优化调控、典型渠段和控制建筑物的水力参数对设计要求的满足程度分析，输水系统水力学表现评价等的基础。

在设计模型库时，采用组件技术（COM/DCOM）设计，库中每个模型相对独立，以动态连接库（DLL）、ActiveX控件（OCX）、可执行文件（EXE）等文件形式存储，为其他业务系统提供相应的接口，实现特定的运算功能。这种基于COM/DCOM技术构建模型，不仅便于各个业务系统对模型的使用，而且使模型本身有良好的扩展性，便于升级维护。为了对各种模型进行统一的组织和存储，需要建立一个文件库存储与模型相关的源程序、说明文件以及DLL、OCX、EXE等文件，并建立一个模型字典来索引描述对应的各个模型文件。模型库由模型字典和文件库两者组成。模型字典采用数据库形式，对模型的名称、编号、模型的文件存储路径、参数要求、输出结果等进行说明，以便于模型的分类、查询和修改。模型文件则按模型分类在操作系统下建立分级子目录存储和管理。操作人员可以对模型文件进行查询、更新、添加、删除等操作。

3电子渠道平台

南水北调中线工程电子渠道，作为研究输水系统水力过程的基础平台，核心是以表现和模拟渠系水流的运动和传输过程为目标，在水力学模型的基础上，真实再现和模拟不同设计参数和运行方案对水流过程的影响。系统采用自主开发的TGIS平台，针对性强，除常用的GIS功能外，增加了南水北调工程专业功能，包括断面绘制、水力学模型集成以及水力学计算分析等。平台采用多线程和Windows信号同步技术，确保水力计算、渠道运行调度模拟计算与可视化显示同步。在数据输入、结果输出和表现上实现了与水力学模型的无缝集成。

3.1二维电子渠道

南水北调中线工程平面二维GIS平台主要包括以下功能。

（1）基本操作。数据导入、导出、地图的基本操作（放大与缩小，地图漫游）、对象选择、属性查询、图层操作（添加，删除，图例设置）、地图标注、专题分析（采用直方图、饼图工具）、距离、角度、面积量测等功能，如图1所示。

（2）信息查询功能。平台提供的查询方式有：按行政区划查询、工程点查询、渠道断面形状查询、渠道纵剖面查询、断面流速查询。

按行政区划查询：该方式是查询某一个省（市）内的工程情况，采用列表的形式给出位于该行政区内的工程的相关信息。

工程点查询：该方式是当用户鼠标点击引水渠道上的某个工程时，采用对话框的形式给出该工程的相关信息。

渠道断面、建筑物信息查询。对渠道上任一断面或建筑物（节制闸、分水口、退水闸、倒虹吸、渡槽、桥梁，等）进行查询，采用列表形式给出该对象的设计参数，同时绘制对象的平面图，如图2所示。

图1中线工程地理信息（略）

图2渠道断面尺寸查询结果显示（略）

渠道纵剖面查询：此查询方式采用绘图方式描述用户选定的某段渠道的渠底高程，水流水面线等参数。

渠道断面数据的整理、建数据库等工作已经完成。实现了渠道断面尺寸查询。断面图操作包括位图输出、打印与打印预览、放大与缩小、漫游、断面尺寸标注开关（高程标注、坡度标注）。

断面流速查询：当用户点击渠道上某个桩号断面时，系统给出在当前流量下，该断面水平面流速分布图，同时给出从水面到渠道底部流速分布图。

（3）水力学模型集成

将水力学模型与电子渠道集成，形成可运行的输水能力校核的基础平台，实现模型计算、参数设置和结果显示的图形化(如图3)。

图3基于电子渠道的水力学计算（略）

3.2三维仿真

通过对南水北调中线总干渠范围内地形和枢纽建筑物的三维建模，实现调水工程的三维动态可视化漫游，为科学研究提供直观表达平台，为决策提供辅助支持；与后台属性数据库相连接，实现空间数据库与属性数据库间的双向查询功能；实现二维计算数据在三维可视化平台下的动态显示与查询，为科学决策提供直观表现和依据。

模采用1：25万DEM数据作为工程外围山体地形，中线渠道工程和丹江口大坝枢纽及各种相关闸坝建筑物均采用施工设计图进行三维建模。大地形采用遥感影像作为地形纹理，建筑物则根据实景图片或设计效果图进行三维视景设计。建模软件主要采用Terrex和Creator两种软件，这两种软件在实时仿真领域中应用非常广泛，适合大工程仿真建模。三维可视化平台是在三维软件开发包OpenGVS基础上用VisualC++自主开发，可以自行定制各种数据接口，具有良好的可扩充性（详见文献［2］）。

3.3基于电子渠道的水力计算

南水北调中线电子渠道平台，建成了中线工程相关基础数据和渠道设计参数，集成了中线总干渠一维恒定、非恒定和二维水力学模型，形成了研究中线工程总干渠水力学及运行调度管理的平台。在该平台下，渠道断面、节制闸、分水口、退水闸、渡槽、倒虹吸、隧洞等的设计参数按对象和水力衔接关系对应，任何设计参数的修改，只需要修改数据库，模型就可以自动计算，为全线水面线的计算、水力响应分析提供了模拟、分析的环境。现阶段，主要包括以下水力学计算功能。

（1）总干渠全线输水能力及水面线计算。利用该平台，在综合论证渠道糙率系数和沿线局部水头损失后，计算总干渠整个输水系统的输水能力及其对渠道水力特性，主要功能包括：长距离输水宽浅明渠水头损失对糙率的敏感性分析；不同渠段水面线的计算；渠道输水能力计算。

（2）输水过程的响应与稳定性分析。计算水流在传播过程中对各种控制的响应时间和水流波动范围，用于总干渠对水流的调蓄作用，主要功能包括：分流口局部地段的水流特性计算；水流非恒定流过程对闸门控制的响应分析；渠道调蓄过程模拟。

4结论与建议

南水北调中线工程电子渠道，作为研究输水系统水力过程的基础平台，核心是以表现和模拟渠系水流的运动和传输过程为目标，在水力学模型的基础上，真实再现和模拟不同设计参数和运行方案对水流过程的影响。所建立的总干渠基础地理、遥感卫星、渠道断面、水工建筑物、设计水位、渠道几何参数等数据库是南水北调工程施工、管理和运行调度的基础。将全线一维、局部二维水力学模型集成在电子渠道平台下，形成输水能力分析、输水过程响应的模拟分析平台。通过电子渠段平台，一方面通过与实体对象相关的数据库系统，为模型计算提供基础数据和参数，另一方面，将模型计算结果通过可视化的方式，在地理空间上进行显示，提高模型结果处理效率和研究人员对问题的分析和决策能力。电子渠道的建成实现了渠道空间信息的集成管理，不仅提供了灵活的信息查询和三维仿真平台，而且集成了一维、二维、三维水力学模型，形成中线水力学计算、输水工程响应控制和调度运行的基础平台，对工程设计和调度运行管理具有重要的作用。

参考文献：

[1]长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.南水北调中线一期工程可行性研究总报告[R].2005.

[2]张尚弘，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，2007，5（2）：31-34.

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