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[摘 要] GIS为人类认识和改造客观世界创造空前良好的条件和环境。对于生态河道设计GIS不仅能动态、快捷地提供的各类地形数据，而且还能为进行成果综合分析、动态演示及综合设计提供辅助决策信息，引入GIS技术是实现各类工程软件集成化、信息化的必然趋势。因此本文就GIS技术在水动力学模拟系统的前后处理方面做了分析探讨。为软件今后进一步与水情自动测报系统、防洪调度决策系统相结合提供了很好的借鉴。
[关键词]生态河道 GIS 水动力 一维 二维
[Abstract] This paper draws on and analyzes a variety of mathematical model and simulation systems of hydrodynamics both domestic and abroad, describing both their adaptability and standoff. According to the special conditions and design requirement in this type engineering. This paper provides an adaptability model suitable for hydrodynamics simulation of the urban ecology river. Thus guarantee the uniqueness of the design while meet the general purpose.
[Key words] Hydrodynamics GIS Ecology River one- dimension two- dimension
1.引言
GIS在水利系统中的应用
地理信息是水利工作的重要基础信息之一，85% 以上的信息都跟地理信息相关。传统的对地理信息的手工处理方式已经被科学技术的进步所淘汰，水利行业需要运用先进的信息管理手段来提高工作效率，推进信息化建设进程。地理信息系统（GIS）技术为水利行业信息管理的标准化、网络化、空间化提供了有效的工具。
水利部十一五规划中明确指出：“建设水利信息系统时，要以地理信息系统 (GIS) 为框架。” 水利部领导也同时指出：“创新是科技发展的动力，对于水利系统的科技人员，当务之急不但要迅速掌握 GIS 这种新技术，还要不断追踪 GIS 的新发展，高质量地为水利各项业务服务。”由于国家政策上的引导，加上国内水利用户的技术储备和技术需求都达到了一定的层次，同时又借助世界上最先进和成熟的 GIS 技术，所以 GIS 技术在国内水利行业的应用虽然起步较晚，但是发展势头迅猛，应用水平甚至超过了某些传统领域。
GIS 在水利行业的应用非常广泛，包括：防汛抗旱决策支持、水资源规划与管理、水环境保护、水土保持监测、流域规划、水利设施管理、水利工程规划、农田水利等多个方面。
2.一维水力计算
水利计算主要依据预案所规划的河道、水闸、泵站规模及调度方式，通过河网概化、调洪演算及明渠恒定非均匀渐变流演算方法，得到各设计标准下水面线的设计流量和最高水位。分析河道及泵站规模设计合理性，最终确定河道断面、纵坡比及排涝流量。
（1）河湖概化
概化原则，概化河道系统必须能模拟计算区域的蓄水能力，水流方向，且应与规划水系一致。
（2）水利计算边界条件
上边界为深青溪、瑶山溪上游的洪水过程，下边界条件为规划后的马銮湾湿地潮位，内边界为控制断面的支流汇入过程及现有和规划闸堰的水力因素。
（3）模型参数率定及验证
根据现状河道断面成果，沿程现状下1座水闸、2座滚水坝、9座较大桥梁等建筑物，对2006年8月15日洪水进行率定特征河段成果见图1。
模型验证中天然糙率初步率定原则为：根据行洪河道河床的情况，比较顺直河段取0.020~0.030，个别阻水严重或有挑流建筑物的河段取0.030~0.035，行洪漫滩，杂树较多，取0.040~0.050。
计算水位值与实测水位过程线拟合较好，相差均在10cm之内，但均在调查洪水精度范围之内。故认为本程序模型计算成果可以满足设计精度要求。
（4）水面线推求
根据水利工程规划的深青溪河段有2处翻板闸，5座溢流堰；瑶山溪河段有2处翻板闸；另外马銮湾湿地与海湾有三处5座溢流堰沟通，同时公路桥及规划的人工湖面、水库作为河道内边界的水力因素，推求设计频率下的水面线见表1。
表1深青溪、瑶山溪流域河道典型断面设计水面线计算成果表
（单位：m）
所属河道 桩号 河底宽 河底高程 50年一遇洪水位
深青溪 深0+000 6 34 36.31
深2+416 8 14 18.23 (18.03)
深3+402 8 13.5 16.85
深3+815 8 10 16.85（14.38）
深4+379 8 6.5 10.32
深5+495 10 2.5 6.94
深6+521 14 2.3 5.88
深7+369 14 1 4.66（3.57）
瑶山溪 瑶2+800 35 4 8.11
瑶3+356 35 3.1 7.53（7.32）
瑶4+139 100 2 5.98
瑶4+848 100 1 5.35(5.14)
瑶6+183 100 0 3.56
表中括号内为闸坝下游参数。
3.湿地二维模拟
由于湿地的地形重塑将改变河流水流的天然状态，使得建筑物附近流场的流速和流向产生变化，有可能引起对河床不同于天然状况的冲刷变化，甚至危及建筑物的安全。因此，有必要对湿地重构后的流速变化进行计算。水利计算主要依据预案所规划的湿地中河道、闸堰、岛屿、桥梁规模及调度方式，通过河网概化、调洪演算及岛屿、桥墩的阻水作用，采用平面二维数值模型来研究，与一维数模只能反映河道断面平均量不同，二维数模能计算局部河段平面水流流场的分布，可研究工程建成后的流速情况。
（1） 计算域及边界条件
二维数学模型主要研究湿地附近水流情况，数模的水边界定在两溪入口处、下游为规划的三个溢流堰。地形资料由1：5000地形图、河道地形断面图拼接而成。
计算域用矩形网格划分，网格步长为10m×10m。
二维数模下游边界取相应频率下潮位边界或闸堰建筑物边界，由潮位分析提供，二维数模上游边界取相应的流量边界，由洪水分析计算提供。
（2） 模型参数率定
模型验证中天然糙率初步率定原则为：根据行洪河道河床的情况，比较顺直河段取0.020～0.030，个别阻水严重或有挑流建筑物的河段取0.030～0.035，行洪漫滩，杂树较多，取0.040～0.050。
（3） 流速推求
根据工程规划的深青溪入湿地口的4座溢流堰；瑶山溪入湿地口的1处翻板闸；另外马銮湾湿地与海湾有三处3座溢流堰沟通；洪水期边界流量为洪水设计成果，枯水期流量按《马銮湾湿地概念性规划》中推荐5.6m3/s流量。同时结合地形、桥梁及其他永久建筑物作为河道内边界的水力因素推求流场及二维水深分布见图2。
4.总结
水力计算系统的前后处理基于GIS软件上做二次开放已经成为一种趋势，GIS系统信息图形界面及三维效果演示为水动力学的后处理提供了高级支撑。但如何将水动力系统的成果在以GIS系统为平台的水利设计调度决策支持系统上得以展示成为今后系统发展的方向。即以GIS系统为平台，水情自动测报系统、水动力分析系统、防洪调度决策系统整合为一个有机的整体，数据在各个系统间充分共享，相互支持，实时修正。因此如何将本系统与多种基于GIS开发的系统相融合成为今后研究的方向。
参考文献：
[1] 朱承中，方子云等．水利动能设计手册．水利电力出版社，2005(1).
[2] 李炜等．水力计算手册．中国水利水电出版社，2006(1).
[3] 李荣华．微分方程数值解法． 高等教育出版社 2005，1.
[4] E.A.Meselhe and F.M.Holly Jr,Memebers,ASCE ．Invalidity of Peeissmann Scheme for Transcritical Flow．JOURNAL OF HYDTAULIC ENGINEERING, 2007 ,655.
[5] 陈涌泉．Visual Basic第三方控件大全．中国电力出版社, 2002 (1),300-306.
[6] C . Thomas WU ．An Introduction to Object-Oriented Programming with Java．清华大学出版社．2006(1).
[关键词]生态河道 GIS 水动力 一维 二维
[Abstract] This paper draws on and analyzes a variety of mathematical model and simulation systems of hydrodynamics both domestic and abroad, describing both their adaptability and standoff. According to the special conditions and design requirement in this type engineering. This paper provides an adaptability model suitable for hydrodynamics simulation of the urban ecology river. Thus guarantee the uniqueness of the design while meet the general purpose.
[Key words] Hydrodynamics GIS Ecology River one- dimension two- dimension
1.引言
GIS在水利系统中的应用
地理信息是水利工作的重要基础信息之一，85% 以上的信息都跟地理信息相关。传统的对地理信息的手工处理方式已经被科学技术的进步所淘汰，水利行业需要运用先进的信息管理手段来提高工作效率，推进信息化建设进程。地理信息系统（GIS）技术为水利行业信息管理的标准化、网络化、空间化提供了有效的工具。
水利部十一五规划中明确指出：“建设水利信息系统时，要以地理信息系统 (GIS) 为框架。” 水利部领导也同时指出：“创新是科技发展的动力，对于水利系统的科技人员，当务之急不但要迅速掌握 GIS 这种新技术，还要不断追踪 GIS 的新发展，高质量地为水利各项业务服务。”由于国家政策上的引导，加上国内水利用户的技术储备和技术需求都达到了一定的层次，同时又借助世界上最先进和成熟的 GIS 技术，所以 GIS 技术在国内水利行业的应用虽然起步较晚，但是发展势头迅猛，应用水平甚至超过了某些传统领域。
GIS 在水利行业的应用非常广泛，包括：防汛抗旱决策支持、水资源规划与管理、水环境保护、水土保持监测、流域规划、水利设施管理、水利工程规划、农田水利等多个方面。
2.一维水力计算
水利计算主要依据预案所规划的河道、水闸、泵站规模及调度方式，通过河网概化、调洪演算及明渠恒定非均匀渐变流演算方法，得到各设计标准下水面线的设计流量和最高水位。分析河道及泵站规模设计合理性，最终确定河道断面、纵坡比及排涝流量。
（1）河湖概化
概化原则，概化河道系统必须能模拟计算区域的蓄水能力，水流方向，且应与规划水系一致。
（2）水利计算边界条件
上边界为深青溪、瑶山溪上游的洪水过程，下边界条件为规划后的马銮湾湿地潮位，内边界为控制断面的支流汇入过程及现有和规划闸堰的水力因素。
（3）模型参数率定及验证
根据现状河道断面成果，沿程现状下1座水闸、2座滚水坝、9座较大桥梁等建筑物，对2006年8月15日洪水进行率定特征河段成果见图1。
模型验证中天然糙率初步率定原则为：根据行洪河道河床的情况，比较顺直河段取0.020~0.030，个别阻水严重或有挑流建筑物的河段取0.030~0.035，行洪漫滩，杂树较多，取0.040~0.050。
计算水位值与实测水位过程线拟合较好，相差均在10cm之内，但均在调查洪水精度范围之内。故认为本程序模型计算成果可以满足设计精度要求。
（4）水面线推求
根据水利工程规划的深青溪河段有2处翻板闸，5座溢流堰；瑶山溪河段有2处翻板闸；另外马銮湾湿地与海湾有三处5座溢流堰沟通，同时公路桥及规划的人工湖面、水库作为河道内边界的水力因素，推求设计频率下的水面线见表1。
表1深青溪、瑶山溪流域河道典型断面设计水面线计算成果表
（单位：m）
所属河道 桩号 河底宽 河底高程 50年一遇洪水位
深青溪 深0+000 6 34 36.31
深2+416 8 14 18.23 (18.03)
深3+402 8 13.5 16.85
深3+815 8 10 16.85（14.38）
深4+379 8 6.5 10.32
深5+495 10 2.5 6.94
深6+521 14 2.3 5.88
深7+369 14 1 4.66（3.57）
瑶山溪 瑶2+800 35 4 8.11
瑶3+356 35 3.1 7.53（7.32）
瑶4+139 100 2 5.98
瑶4+848 100 1 5.35(5.14)
瑶6+183 100 0 3.56
表中括号内为闸坝下游参数。
3.湿地二维模拟
由于湿地的地形重塑将改变河流水流的天然状态，使得建筑物附近流场的流速和流向产生变化，有可能引起对河床不同于天然状况的冲刷变化，甚至危及建筑物的安全。因此，有必要对湿地重构后的流速变化进行计算。水利计算主要依据预案所规划的湿地中河道、闸堰、岛屿、桥梁规模及调度方式，通过河网概化、调洪演算及岛屿、桥墩的阻水作用，采用平面二维数值模型来研究，与一维数模只能反映河道断面平均量不同，二维数模能计算局部河段平面水流流场的分布，可研究工程建成后的流速情况。
（1） 计算域及边界条件
二维数学模型主要研究湿地附近水流情况，数模的水边界定在两溪入口处、下游为规划的三个溢流堰。地形资料由1：5000地形图、河道地形断面图拼接而成。
计算域用矩形网格划分，网格步长为10m×10m。
二维数模下游边界取相应频率下潮位边界或闸堰建筑物边界，由潮位分析提供，二维数模上游边界取相应的流量边界，由洪水分析计算提供。
（2） 模型参数率定
模型验证中天然糙率初步率定原则为：根据行洪河道河床的情况，比较顺直河段取0.020～0.030，个别阻水严重或有挑流建筑物的河段取0.030～0.035，行洪漫滩，杂树较多，取0.040～0.050。
（3） 流速推求
根据工程规划的深青溪入湿地口的4座溢流堰；瑶山溪入湿地口的1处翻板闸；另外马銮湾湿地与海湾有三处3座溢流堰沟通；洪水期边界流量为洪水设计成果，枯水期流量按《马銮湾湿地概念性规划》中推荐5.6m3/s流量。同时结合地形、桥梁及其他永久建筑物作为河道内边界的水力因素推求流场及二维水深分布见图2。
4.总结
水力计算系统的前后处理基于GIS软件上做二次开放已经成为一种趋势，GIS系统信息图形界面及三维效果演示为水动力学的后处理提供了高级支撑。但如何将水动力系统的成果在以GIS系统为平台的水利设计调度决策支持系统上得以展示成为今后系统发展的方向。即以GIS系统为平台，水情自动测报系统、水动力分析系统、防洪调度决策系统整合为一个有机的整体，数据在各个系统间充分共享，相互支持，实时修正。因此如何将本系统与多种基于GIS开发的系统相融合成为今后研究的方向。
参考文献：
[1] 朱承中，方子云等．水利动能设计手册．水利电力出版社，2005(1).
[2] 李炜等．水力计算手册．中国水利水电出版社，2006(1).
[3] 李荣华．微分方程数值解法． 高等教育出版社 2005，1.
[4] E.A.Meselhe and F.M.Holly Jr,Memebers,ASCE ．Invalidity of Peeissmann Scheme for Transcritical Flow．JOURNAL OF HYDTAULIC ENGINEERING, 2007 ,655.
[5] 陈涌泉．Visual Basic第三方控件大全．中国电力出版社, 2002 (1),300-306.
[6] C . Thomas WU ．An Introduction to Object-Oriented Programming with Java．清华大学出版社．2006(1).