暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)序號(hào)： 編碼： 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽作品申報(bào)書作品名稱： 暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng) 學(xué)校全稱： 成都信息工程學(xué)院 申報(bào)者姓名（集體名稱）： 劉晨雨 類別：自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文 哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文 科技發(fā)明制作A類 科技發(fā)明制作B類 報(bào)送方式：省級(jí)報(bào)送作品高校直送作品作品簡介洪澇災(zāi)害是當(dāng)今世界上給人類帶來損失最大的自然災(zāi)害之一。我國是洪澇災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，20世紀(jì)90年代以來，由洪澇災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失占全部自然災(zāi)害損失的62%，

2、相當(dāng)于同期GDP的1.55%。我國的災(zāi)害性洪水主要由暴雨形成，夏季暴雨災(zāi)害多為季節(jié)性暴雨。甘肅省隴南地區(qū)是我國西北部暴雨災(zāi)害的一大重災(zāi)區(qū)，其降水具有面積小、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，每年均發(fā)生不同程度的暴雨洪澇災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。構(gòu)建暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，為政府提供實(shí)時(shí)、直觀的暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)，在防災(zāi)減災(zāi)方面具有重要意義。系統(tǒng)以甘肅隴南地區(qū)為例，在C#平臺(tái)上通過ArcGIS Engine進(jìn)行二次開發(fā)，以歷史氣象資料和天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，分布式水文模型SWAT為核心，對(duì)隴南地區(qū)的河道徑流量進(jìn)行模擬，分析出現(xiàn)堰塞湖時(shí)的上游水位情況，并提供三小時(shí)暴雨等級(jí)預(yù)警服務(wù)。系統(tǒng)從暴雨數(shù)據(jù)讀取、SWAT水文模型徑

3、流模擬、洪水淹沒模擬，到預(yù)報(bào)預(yù)警的二、三維顯示與輸出，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、模型、模擬、二三維顯示的一體化、智能化全功能服務(wù)。系統(tǒng)功能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊系統(tǒng)在二維或三維顯示模式下加載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)、道路河網(wǎng)數(shù)據(jù)以及高分辨率遙感影像），可進(jìn)行放大縮小、三維旋轉(zhuǎn)、飛行瀏覽、查詢屬性信息等操作。氣象數(shù)據(jù)模塊支持歷史與預(yù)報(bào)氣象信息的導(dǎo)入、查詢、編輯和修改等功能。徑流模擬模塊根據(jù)導(dǎo)入的實(shí)測(cè)（預(yù)報(bào)）降水、氣溫信息，通過SWAT模型，系統(tǒng)可自動(dòng)或手動(dòng)對(duì)每條河道進(jìn)行徑流量模擬，并以不同粗細(xì)、不同顏色線條展示徑流量大小，也可通過點(diǎn)擊查詢或圖表形式給出各條河流的模擬徑流量數(shù)值。洪水模擬模塊出現(xiàn)堰塞

4、湖時(shí)，用戶選擇某河段的堵塞位置以及堵塞日期，生成堵塞后的河道水深折線圖，模擬河道水位上漲過程并預(yù)測(cè)溢出時(shí)間，對(duì)堵塞后的上游危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)報(bào)。暴雨預(yù)警模塊系統(tǒng)自動(dòng)讀取三小時(shí)降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，生成降水狀況的柱狀專題圖和時(shí)間序列折線圖，根據(jù)雨量大小生成縣級(jí)暴雨等級(jí)專題圖，針對(duì)不同等級(jí)的暴雨災(zāi)害，給出決策建議。創(chuàng)新性分布式水文模型SWAT是在空間信息技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上形成的基于物理過程的徑流模擬模型，具有較高的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，本系統(tǒng)將其脫離以往平臺(tái)ArcGIS（或ArcView），嵌入自行開發(fā)的系統(tǒng)軟件，克服SWAT模型在ArcGIS平臺(tái)下分步驟繁瑣運(yùn)行的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)徑流量的快速模擬開發(fā)前期進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，建

5、立天氣發(fā)生器、土壤數(shù)據(jù)庫等，令軟件自帶隴南地區(qū)相應(yīng)信息，使用戶只需更新日降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)即可運(yùn)行SWAT模型，實(shí)現(xiàn)“傻瓜式”操作添加三維洪澇災(zāi)害顯示功能，使用戶可針對(duì)不同需求進(jìn)行二三維切換，得到立體形象的洪澇災(zāi)害情景?？萍夹韵到y(tǒng)中嵌入分布式水文過程模型SWAT模型，程序設(shè)計(jì)相應(yīng)參數(shù)接口，通用性、智能化水平高。將氣象、水文、地形地貌等數(shù)據(jù)與水文徑流模型、暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警等應(yīng)用模型耦合，利用GIS空間分析及可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水文徑流模擬、暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警的二三維直觀展示。社會(huì)價(jià)值對(duì)洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)先了解洪水的影響范圍和程度，避免不必要的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡對(duì)各縣進(jìn)行暴雨預(yù)警，提供決策方案，便于相關(guān)部門安排工作，

6、降低次生災(zāi)害所造成的損失通過疊加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為防災(zāi)減災(zāi)決策制定提供科學(xué)依據(jù)A2申報(bào)者情況（集體項(xiàng)目）說明：1必須由申報(bào)者本人按要求填寫。2申報(bào)者代表必須是作者中學(xué)歷最高者，其余作者按學(xué)歷高低排列。3本表中的學(xué)籍管理部門簽章視為對(duì)申報(bào)者情況的確認(rèn)。申報(bào)者代表情況姓名劉晨雨性別女出生年月1990年1月學(xué)校成都信息工程學(xué)院系別、專業(yè)、年級(jí)資源環(huán)境學(xué)院遙感科學(xué)08級(jí)學(xué)歷本科在讀學(xué)制4年入學(xué)時(shí)間2008年9月作品名稱暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)畢業(yè)論文題目無通訊地址成都市西南航空港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)學(xué)府路一段24號(hào)郵政編碼辦公電話常住地通訊地址成都市西南航空港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)學(xué)府路一段24號(hào)郵政編碼住宅電話其他作者情況

7、姓 名性別年齡學(xué)歷所在單位葉幫蘋男22本科在讀成都信息工程學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院毛天韻女20本科在讀成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院資格認(rèn)定學(xué)校學(xué)籍管理部門意見以上作者是否為2011年7月1日前正式注冊(cè)在校的全日制非成人教育、非在職的高等學(xué)校?？粕?、本科生、碩士研究生或博士研究生。是 否 （簽章） 年 月 日院系負(fù)責(zé)人或?qū)熞庖姳咀髌肥欠駷檎n外學(xué)術(shù)科技或社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)成果是 否負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日B3申報(bào)作品情況（科技發(fā)明制作）說明：1必須由申報(bào)者本人填寫。2本部分中的科研管理部門簽章視為對(duì)申報(bào)者所填內(nèi)容的確認(rèn)。 3本表必須附有研究報(bào)告，并提供圖表、曲線、試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 原理結(jié)構(gòu)圖、外觀圖（照片）,也可附

8、鑒定證書和應(yīng)用證書。 4作品分類請(qǐng)按照作品發(fā)明點(diǎn)或創(chuàng)新點(diǎn)所在類別填報(bào)。作品全稱暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)作品分類（C）A機(jī)械與控制（包括機(jī)械、儀器儀表、自動(dòng)化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)、電信、通訊、電子等） C數(shù)理（包括數(shù)學(xué)、物理、地球與空間科學(xué)等） D生命科學(xué)（包括生物、農(nóng)學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)、健 康、衛(wèi)生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化學(xué)、化 工、生態(tài)、環(huán)保等）作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)發(fā)明目的：在全球氣候變化的背景下，區(qū)域性極端天氣現(xiàn)象發(fā)生的頻率越來越高，暴雨天氣的影響也越來越大。甘肅省隴南地區(qū)，作為暴雨災(zāi)害的重災(zāi)

9、區(qū)，迫切需要一款軟件，針對(duì)于隴南當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，能較為準(zhǔn)確地模擬徑流，預(yù)警暴雨和洪水，為地方防災(zāi)減災(zāi)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)決策的制定提供科學(xué)依據(jù)。通過地理信息系統(tǒng)與遙感的結(jié)合，快速、準(zhǔn)確、科學(xué)地預(yù)測(cè)和模擬顯示洪水爆發(fā)時(shí)間和地點(diǎn)，及時(shí)通知相關(guān)部門組織群眾轉(zhuǎn)移，避免不必要的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡，對(duì)防洪減災(zāi)和洪災(zāi)評(píng)估等具有重要意義。另外，對(duì)暴雨進(jìn)行預(yù)警并提供決策方案，有助于相關(guān)部門安排工作，降低次生災(zāi)害造成的損失，在現(xiàn)實(shí)生活中具有重要意義。而疊加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可在道路選擇、加油站查看等方面為防災(zāi)減災(zāi)決策提供有力依據(jù)，幫助相關(guān)部門解決在防災(zāi)減災(zāi)途中可能遇到的一些問題。創(chuàng)新點(diǎn)：分布式水文模型SWAT是在空間信息技術(shù)發(fā)展基

10、礎(chǔ)上形成的基于物理過程的徑流模擬模型，具有較高的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，本系統(tǒng)將其脫離以往平臺(tái)ArcGIS（或ArcView），嵌入自行開發(fā)的系統(tǒng)軟件，克服SWAT模型在ArcGIS平臺(tái)下分步驟繁瑣運(yùn)行的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)徑流量的快速模擬開發(fā)前期進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，建立天氣發(fā)生器、土壤數(shù)據(jù)庫等，令軟件自帶隴南地區(qū)相應(yīng)信息，使用戶只需更新日降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)即可運(yùn)行SWAT模型，實(shí)現(xiàn)“傻瓜式”操作添加三維洪澇災(zāi)害顯示功能，使用戶可針對(duì)不同需求進(jìn)行二三維切換，得到立體形象的洪澇災(zāi)害情景。關(guān)鍵技術(shù)：系統(tǒng)中嵌入分布式水文過程模型SWAT模型，程序設(shè)計(jì)相應(yīng)參數(shù)接口，通用性、智能化水平高。將氣象、水文、地形地貌等數(shù)據(jù)與水文徑流

11、模型、暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警等應(yīng)用模型耦合，利用GIS空間分析及可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水文徑流模擬、暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警的二三維直觀展示。技術(shù)指標(biāo)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊系統(tǒng)在二維或三維顯示模式下加載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)、道路河網(wǎng)數(shù)據(jù)以及高分辨率遙感影像），可進(jìn)行放大縮小、三維旋轉(zhuǎn)、飛行瀏覽、查詢屬性信息等操作。氣象數(shù)據(jù)模塊支持歷史與預(yù)報(bào)氣象信息的導(dǎo)入、查詢、編輯和修改等功能。徑流模擬模塊根據(jù)導(dǎo)入的實(shí)測(cè)（預(yù)報(bào)）降水、氣溫信息，通過SWAT模型，系統(tǒng)可自動(dòng)或手動(dòng)對(duì)每條河道進(jìn)行徑流量模擬，并以不同粗細(xì)、不同顏色線條展示徑流量大小，也可通過點(diǎn)擊查詢或圖表形式給出各條河流的模擬徑流量數(shù)值。洪水模擬模塊出現(xiàn)堰塞

12、湖時(shí)，用戶選擇某河段的堵塞位置以及堵塞日期，生成堵塞后的河道水深折線圖，模擬河道水位上漲過程并預(yù)測(cè)溢出時(shí)間，對(duì)堵塞后的上游危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)報(bào)。暴雨預(yù)警模塊系統(tǒng)自動(dòng)讀取三小時(shí)降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，生成降水狀況的柱狀專題圖和時(shí)間序列折線圖，根據(jù)雨量大小生成縣級(jí)暴雨等級(jí)專題圖，針對(duì)不同等級(jí)的暴雨災(zāi)害，給出決策建議。作品的科學(xué)性先進(jìn)性（必須說明與現(xiàn)有技術(shù)相比，該作品是否具有突出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。請(qǐng)?zhí)峁┘夹g(shù)性分析說明和參考文獻(xiàn)資料）科學(xué)先進(jìn)性：國內(nèi)現(xiàn)有暴雨洪澇預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的水文模型多采用70年代我國自行研發(fā)的新安江模型，其開發(fā)時(shí)間較早，且為集總式模型。由于集總式模型通常采用均一性假設(shè)，對(duì)點(diǎn)的水文過程采用簡

13、單的基于水文規(guī)律的方程來描述，其他過程則用經(jīng)驗(yàn)公式描述，在本質(zhì)上只能反映有關(guān)因素對(duì)徑流形成過程的平均作用，在模擬和預(yù)報(bào)時(shí)，誤差不可避免，也不易控制。本系統(tǒng)引入90年代初美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的分布式水文模型SWAT模型進(jìn)行徑流模擬，此模型經(jīng)過十多年的完善，經(jīng)歷8個(gè)版本，是現(xiàn)今具有較大影響力的水文模型。其模型研究時(shí)不受空間尺度和時(shí)間尺度的限制，在提高模擬精度方面，SWAT模型可以將研究區(qū)域細(xì)分成若干計(jì)算單元，以達(dá)到提高模擬精度的效果。針對(duì)甘肅隴南地區(qū)，本系統(tǒng)采用SWAT模型最新版本SWAT2009模擬河道徑流量，預(yù)報(bào)預(yù)警暴雨洪澇災(zāi)害。SWAT模型的使用需在ArcGIS或ArcView平臺(tái)上。ArcGIS

14、和ArcView為專業(yè)地理信息系統(tǒng)軟件，屬于工具性GIS，非專業(yè)GIS人員要掌握其使用較為困難。另外，即便是地理信息系統(tǒng)的專業(yè)人員，在使用SWAT模型時(shí)，需要進(jìn)行大量的前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)庫的建立等，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作繁瑣，操作復(fù)雜。此外，若要更新氣象信息，需重新運(yùn)行ArcSWAT，耗時(shí)長，極為不便。針對(duì)以上問題，在自行開發(fā)的系統(tǒng)中，針對(duì)隴南地區(qū)，將變化較小的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理，建立天氣發(fā)生器和數(shù)據(jù)庫，使得用戶只需更新氣象信息便可運(yùn)行SWAT模型，方便快捷。系統(tǒng)界面友好，操作簡單，非專業(yè)人士也可輕松使用。參考文獻(xiàn)：1 丁一匯,張建云等. 暴雨洪澇M.北京:氣象出版社,2009.113-

15、2302 徐宗學(xué)等. 水文模擬M. 北京: 科學(xué)出版社, 2009.343-3553 黃清華,張萬昌. SWAT分布式水文模型在黑河干流山區(qū)流域的改進(jìn)及應(yīng)用J. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2004, 28(2):22-264 楊桂蓮,郝芳華,劉昌明,等.基于SWAT模型的基硫估算及評(píng)價(jià)以洛河流域?yàn)槔齁. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2003, 22(5):463-4705 丁晉利,鄭粉莉. SWAT模型及其應(yīng)用J.水土保持研究, 2004, 11(4):128-1306 王中根,劉昌明,黃友波. SWAT模型的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究J.地理科學(xué)進(jìn)展, 2003, 7謝平,竇明等.流域水文模型氣候變化和

16、土地利用/覆被變化的水文水資源效應(yīng)M.北京:科學(xué)出版社,2010.96-99作品在何時(shí)、何地、何種機(jī)構(gòu)舉行的評(píng)審、鑒定、評(píng)比、展示等活動(dòng)中獲獎(jiǎng)及鑒定結(jié)果無作品所處階段（ A ）A實(shí)驗(yàn)室階段 B中試階段 C生產(chǎn)階段D （自填）技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式作品可展示的形式實(shí)物、產(chǎn)品 模型 圖紙 磁盤 現(xiàn)場(chǎng)演示圖片 錄像 樣品使用說明及該作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提供該作品適用范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)使用說明：該系統(tǒng)的使用需導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)，建議使用一年以上的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)以達(dá)到較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。此外，由于系統(tǒng)支持三維顯示，對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，若該計(jì)算機(jī)顯卡配置較差，可能會(huì)出現(xiàn)三維顯示模塊圖像滯后的情

17、況，建議在較好配置的計(jì)算機(jī)上使用，以便更加清晰流暢地進(jìn)行三維瀏覽，充分發(fā)揮系統(tǒng)作用。適用范圍及前景：該系統(tǒng)適用于甘肅省隴南地區(qū)，能為該地區(qū)的暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。本系統(tǒng)提供了暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的一個(gè)模式，通過更改部分信息，系統(tǒng)即可移植到全國各地，讓隴南模式更好地為其他易遭受暴雨洪澇災(zāi)害的地區(qū)服務(wù)。經(jīng)濟(jì)效益：該系統(tǒng)開發(fā)的目的為防災(zāi)減災(zāi)，并不存在通常意義上的商業(yè)價(jià)值。但由于自然災(zāi)害的特殊性，一旦爆發(fā)，往往造成大量經(jīng)濟(jì)損失甚至威脅到人民的生命安全。甘肅省隴南地區(qū)平均每年由暴雨洪澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)千萬。如能提前有效的對(duì)暴雨洪澇災(zāi)害經(jīng)行預(yù)報(bào)預(yù)警，則可最大程度的減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人

18、員傷亡，即間接帶來的經(jīng)濟(jì)效益可估算為每年近千萬。專利申報(bào)情況提出專利申報(bào) 申報(bào)號(hào) 申報(bào)日期 年 月 日已獲專利權(quán)批準(zhǔn) 批準(zhǔn)號(hào) 批準(zhǔn)日期 年 月 日 未提出專利申請(qǐng)科研管理部門簽章（簽章） 年 月 日C當(dāng)前國內(nèi)外同類課題研究水平概述說明：1申報(bào)者可根據(jù)作品類別和情況填寫。 2填寫此欄有助于評(píng)審。針對(duì)洪澇災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀，國內(nèi)多采用監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)一體的預(yù)警方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水文情勢(shì)，一有異常立刻采取相應(yīng)措施；通過水文模型模擬流域各水文特征量，提早發(fā)現(xiàn)洪澇災(zāi)害，發(fā)布應(yīng)急預(yù)案防災(zāi)減災(zāi)。從上世紀(jì)70年代開始，我國從國外引進(jìn)流域水文模型，通過徑流模擬展開預(yù)報(bào)工作。通過40多年的學(xué)習(xí)發(fā)展，我國水文預(yù)報(bào)工作從無到有、由點(diǎn)

19、到面迅速發(fā)展起來。目前，在水文作業(yè)預(yù)報(bào)中，我國所采用的水文預(yù)報(bào)模型主要由我國自行研制開發(fā)的新安江模型、雙超產(chǎn)流模型、河北雨洪模型、姜灣徑流模型等，從國外引進(jìn)的模型主要有Tank、Sacramento和SMAR等模型，以及改進(jìn)的國外模型，如連續(xù)API模型、CLS模型和NAM模型等。D推薦者情況及對(duì)作品的說明說明：1由推薦者本人填寫。2推薦者須具有高級(jí)專業(yè)技術(shù)職稱，并與申報(bào)作品相同或相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者或?qū)I(yè)技術(shù)人員（教研組集體）推薦亦可。 3推薦者填寫此部分，即視為同意推薦。 4推薦者所在單位簽章僅被視為對(duì)推薦者身份的確認(rèn)。推薦者情況姓 名劉志紅性別女年齡 44職稱教授工作單位成都信息工程學(xué)院資源

20、環(huán)境學(xué)院通訊地址四川省成都市西南航空港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)學(xué)府路一段24號(hào)郵政編碼單位電話住宅電話028-推薦者所在單位簽章（簽章） 年 月 日請(qǐng)對(duì)申報(bào)者申報(bào)情況真實(shí)性做出闡述暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)系劉晨雨、葉幫蘋、毛天韻三人利用課外時(shí)間完成的。劉晨雨、葉幫蘋同學(xué)為我校資源環(huán)境學(xué)院遙感08級(jí)同學(xué)，毛天韻為我校大氣科學(xué)學(xué)院大氣科學(xué)專業(yè)09級(jí)的同學(xué)。劉晨雨、葉幫蘋同學(xué)學(xué)習(xí)努力，成績優(yōu)秀，曾多次參加大學(xué)生數(shù)學(xué)建模比賽、校3S大賽，同時(shí)參加了老師的多個(gè)項(xiàng)目。作品內(nèi)容較多，既有開發(fā)，又有模型應(yīng)用，在SWAT模型嵌入中遇到天氣發(fā)生器、模型接口等問題，他們能主動(dòng)與模型編制人（美國）進(jìn)行聯(lián)系并逐一解決。本人保證此

21、次比賽完全由他們獨(dú)立完成，氣象、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)由本人提供。請(qǐng)對(duì)作品的意義、技術(shù)水平、適用范圍及推廣前景做出您的評(píng)價(jià)該系統(tǒng)針對(duì)國家暴雨災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警關(guān)鍵問題，從暴雨數(shù)據(jù)讀取、SWAT水文模型徑流模擬、洪水淹沒模擬，到預(yù)報(bào)預(yù)警的二、三維展示與輸出，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、模型、模擬、三維顯示的一體化、智能化全功能服務(wù)。此系統(tǒng)將會(huì)在甘肅省氣象臺(tái)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，并有可能推廣到全國乃至世界氣象、水利、國土等相關(guān)部門，具有較高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)服務(wù)價(jià)值。其它說明暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)是成都信息工程學(xué)院與甘肅省氣象局局校合作3S支持下的暴雨決策服務(wù)系統(tǒng)以甘肅隴南地區(qū)為例項(xiàng)目的重要部分，作品將直接投入到業(yè)務(wù)運(yùn)行當(dāng)中。推薦者情況

22、姓 名盧曉寧性別女年齡31職稱副教授工作單位成都信息工程學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院通訊地址四川省成都市西南航空港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)學(xué)府路一段24號(hào)郵編單位電話住宅電話028-推薦者所在單位簽章（簽章） 年 月 日請(qǐng)對(duì)申報(bào)者申報(bào)情況的真實(shí)性做出闡述劉晨雨、葉幫蘋系成都信息工程學(xué)院遙感專業(yè)大三本科生，毛天韻僅為大二本科生。大學(xué)期間他們?nèi)辉谡J(rèn)真學(xué)習(xí)本科課程的同時(shí)，還涉獵了更為豐富的專業(yè)知識(shí)，并通過積極參與多位任課教師的科研項(xiàng)目，很好的提高了動(dòng)手實(shí)踐能力，能熟練應(yīng)用專業(yè)軟件，具備了深厚的開發(fā)功底，即便是對(duì)全英文的非專業(yè)的SWAT模型，也通過網(wǎng)上查閱文獻(xiàn)，qq群交流、及email郵件咨詢的方式，完全掌握了該模型系統(tǒng)的運(yùn)

23、行機(jī)理。申報(bào)人完全是自主完成這一對(duì)本科生來說的巨大項(xiàng)目，無任何抄襲造假成分，成果真實(shí)可信！請(qǐng)對(duì)作品的意義、技術(shù)水平、適用范圍及推廣前景做出評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)甘肅省隴南地區(qū)的暴雨洪澇災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警，對(duì)區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)意義重大。系統(tǒng)創(chuàng)建依賴于多方面知識(shí)和技能，運(yùn)行成果可信度高，達(dá)到很高技術(shù)水平。該系統(tǒng)適用于國家各級(jí)的氣象局、水文局等相關(guān)業(yè)務(wù)單位及科研院所。雖目前以甘肅隴南為核心區(qū)，主要解決該區(qū)的問題，但系統(tǒng)核心技術(shù)和模式完全可以推廣至全國和世界，具有非常好的應(yīng)用前景。其它說明鑒于該系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)層面的前端性，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)用娴膹V泛性，問題解決層面的科學(xué)性，系統(tǒng)運(yùn)行層面的高效性，將推薦該系統(tǒng)申請(qǐng)國家專利，從而更

24、好的推進(jìn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化、實(shí)用化水平。學(xué)校組織協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)確認(rèn)并簽章（簽章） 年 月 日校主管領(lǐng)導(dǎo)或校主管部門確認(rèn)并簽章我單位經(jīng)自查，承諾該作品符合挑戰(zhàn)杯申報(bào)作品的要求，接受競賽組委會(huì)抽查。（簽章）年 月 日各?。▍^(qū)、市）評(píng)審委員會(huì)初評(píng)意見（簽章）年 月 日各?。▍^(qū)、市）組織協(xié)調(diào)委員會(huì)審定意見 團(tuán) 委 科 協(xié) 教 育 廳 學(xué) 聯(lián)（簽章） （簽章） （簽章） （簽章）年 月 日E全國組織委員會(huì)秘書處資格和形式審查意見組委會(huì)秘書處資格審查意見 審查人（簽名） 年 月 日組委會(huì)秘書處形式審查意見 審查人（簽名） 年 月 日組委會(huì)秘書處審查結(jié)果合格 不合格 負(fù)責(zé)人（簽名） 年 月 日暴雨洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系

25、統(tǒng)研究報(bào)告摘 要近年來國內(nèi)暴雨洪澇災(zāi)害頻發(fā)，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，如何更好的預(yù)報(bào)暴雨洪澇災(zāi)害是進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)工作的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)針對(duì)甘肅隴南地區(qū)進(jìn)行洪水以及暴雨預(yù)警，在C#平臺(tái)上使用ArcGIS Engine進(jìn)行二次開發(fā)，并嵌入SWAT模型，作為模擬河道徑流量的后臺(tái)支持，解決了使用SWAT模型需在ArcGIS或ArcView中進(jìn)行，且操作較為復(fù)雜、準(zhǔn)備數(shù)據(jù)繁瑣的問題，使得非專業(yè)人士也可輕松使用。本系統(tǒng)中，用戶導(dǎo)入實(shí)測(cè)或預(yù)報(bào)的降水及溫度信息便可模擬徑流，自動(dòng)讀取各縣三小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)便可進(jìn)行暴雨洪澇災(zāi)害的預(yù)警。同時(shí)，系統(tǒng)包含隴南地區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，支持二維、三維顯示，可疊加數(shù)據(jù)，以便綜合分析，更直

26、觀地反映該地區(qū)的情況，便于決策者對(duì)防災(zāi)減災(zāi)工作進(jìn)行建議和決策。關(guān)鍵詞：隴南地區(qū)、暴雨洪澇、防災(zāi)減災(zāi)、SWAT模型AbstractIn recent years, frequently occurrence of floods and torrents has caused great economic losses. So, it is crucial to prevent and mitigate natural disasters by improving our forecast of these disasters. In order to reduce or prevent the

27、economic loss, improving the way of forecast is the key. This system is used for forecasting flood and rainstorm in Longnan of Gansu Province. It uses ArcGIS Engine for secondary development on C# platform, and embedded with SWAT Model as backup-support for simulating runoff of rivers. It solved the

28、 problem of complexity of using SWAT Model in ArcGIS or ArcView, avoiding the huge data preparation and the difficulty of operating. So it is easy to handle even for non-professional users. In this system, users can simulate runoff by simply input the information for precipitation and temperature, a

29、nd make the forecast of flood and rainstorm. The system includes basic data information of Longnan area, and supports both 2-D and 3-D display, it can overlay the data for synthesis to show the situation of this area more directly, so that the decision-makers can make decision about preventing flood

30、 much easier.Keywords: Longnan district, flood and rainstorm, preventing flood, SWAT model目 錄 TOC o 1-3 h z u 第1章 緒論研究背景我國地域遼闊，自然地理?xiàng)l件復(fù)雜，洪水災(zāi)害頻繁發(fā)生，大約2/3的國土面積均受到不同類型和不同危害程度的洪水災(zāi)害。每年因洪水災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失占到全部自然災(zāi)害損失的60% 以上，其直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)百億元，年均死亡人數(shù)近5000，嚴(yán)重影響了我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。甘肅省季節(jié)性氣象災(zāi)害十分嚴(yán)重，每年都因?yàn)楸┯暝斐芍卮蠼?jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，尤其是隴南地區(qū)，

31、為甘肅省暴雨災(zāi)害重災(zāi)區(qū)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，暴雨災(zāi)害對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的影響也與日俱增。隴南地區(qū)由南向北屬北亞熱帶半濕潤區(qū)向半濕潤、半干旱區(qū)過渡地帶，境內(nèi)山脈縱橫交錯(cuò)，高低相差懸殊；天氣氣候差異明顯，降水時(shí)空分布不均，降水量年際變化大。該區(qū)是甘肅省年降雨量較多的地區(qū)，也是暴雨發(fā)生最多的地區(qū)。暴雨災(zāi)害是隴南地區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，每年都會(huì)出現(xiàn)不同強(qiáng)度的暴雨災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于暴雨造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年愈億元，幾乎年年都有不同程度的人畜傷亡。隴南地區(qū)洪暴災(zāi)害多為短歷時(shí)局地性洪暴災(zāi)害，其特點(diǎn)為籠罩面積小、暴雨歷時(shí)短、降雨強(qiáng)度大、發(fā)生機(jī)會(huì)多、破壞力強(qiáng)，容易造成嚴(yán)重自然災(zāi)害。一旦爆發(fā)一場(chǎng)短時(shí)大強(qiáng)度的暴雨，就容易

32、引發(fā)山洪和泥石流災(zāi)害，輕則沖毀公路，阻斷交通，重則淹沒房屋，傷害人命。一些災(zāi)害個(gè)例表明，山洪在發(fā)生的一瞬間能毀滅整個(gè)村莊，造成嚴(yán)重人員傷亡，威力巨大。近年來較嚴(yán)重的災(zāi)害事故有：2010年8月11日，隴南市大部分地區(qū)突降暴雨，316國道江洛段被淹，交通、通信中斷，導(dǎo)致10人死亡、12人失蹤，另有萬人被困；2009年7月14日，隴南地區(qū)康縣、文縣等6個(gè)縣區(qū)連降暴雨，導(dǎo)致多處地段發(fā)生山體滑坡、泥石流災(zāi)害，電力、通訊中斷，房屋倒塌，造成6人死亡，1人失蹤，多人被困；2005年5月28日，岷縣5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生特大暴洪災(zāi)害，受災(zāi)人數(shù)達(dá)1097人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3845.6萬元；2004年5月10日，禮縣中山村

33、發(fā)生突發(fā)性特大暴雨，范圍僅20余公里，造成7人死亡，3人重傷，1人輕傷的重大事故。研究現(xiàn)狀針對(duì)洪澇災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀，國內(nèi)多采用監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)一體的預(yù)警方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水文情勢(shì)，一有異常立刻采取相應(yīng)措施；通過水文模型模擬流域各水文特征量，提早發(fā)現(xiàn)洪澇災(zāi)害，發(fā)布應(yīng)急預(yù)案防災(zāi)減災(zāi)。從上世紀(jì)70年代開始，我國從國外引進(jìn)流域水文模型，通過徑流模擬展開預(yù)報(bào)工作。通過40多年的學(xué)習(xí)發(fā)展，我國水文預(yù)報(bào)工作從無到有、由點(diǎn)到面迅速發(fā)展起來。目前，在水文作業(yè)預(yù)報(bào)中，我國所采用的水文預(yù)報(bào)模型主要由我國自行研制開發(fā)的新安江模型、雙超產(chǎn)流模型、河北雨洪模型、姜灣徑流模型等，從國外引進(jìn)的模型主要有Tank、Sacramento和SM

34、AR等模型，以及改進(jìn)的國外模型，如連續(xù)API模型、CLS模型和NAM模型等1。系統(tǒng)開發(fā)目的我國是世界上洪澇災(zāi)害頻繁而嚴(yán)重的國家之一。洪澇災(zāi)害可造成糧食減產(chǎn)，導(dǎo)致巨額經(jīng)濟(jì)損失，破壞土地資源和生態(tài)環(huán)境，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境具有多方面的影響。洪澇災(zāi)害可由很多原因造成，在各種致災(zāi)原因中，暴雨是最常見和最具威脅性的。同時(shí)，暴雨本身也是危害最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，暴雨天氣出現(xiàn)，多伴隨雷電和狂風(fēng)，常導(dǎo)致平面積水、河道漫溢、農(nóng)田毀壞、房屋倒塌等。隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，暴雨洪澇災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響與日俱增。洪水造成河流泛濫，內(nèi)澇積水，山洪暴發(fā)，毀壞莊稼、建筑物和其他物資，造成人員傷亡、疾病，農(nóng)作物歉收

35、或絕收，交通和通訊受阻，發(fā)生農(nóng)林病蟲害、崩塌、滑坡、泥石流等其他自然災(zāi)害。洪水災(zāi)害的空間影響范圍極廣。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，暴雨天氣的影響將越來越大。甘肅省隴南地區(qū)，作為暴雨災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，迫切需要一款軟件，針對(duì)于隴南當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，能較為準(zhǔn)確得模擬徑流，預(yù)警暴雨和洪水，為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和防災(zāi)減災(zāi)做出貢獻(xiàn)。通過地理信息系統(tǒng)與遙感結(jié)合的手段，快速、準(zhǔn)確、科學(xué)地預(yù)測(cè)和模擬顯示洪水爆發(fā)時(shí)間和地點(diǎn)，及時(shí)通知相關(guān)部門組織群眾轉(zhuǎn)移，避免不必要的財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡，對(duì)防洪減災(zāi)和洪災(zāi)評(píng)估等具有重要意義。另外，對(duì)暴雨的預(yù)警并提供決策方案，有助相關(guān)部門安排工作，降低次生災(zāi)害所造成的損失，在現(xiàn)實(shí)生活

36、中具有重要意義。而疊加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可在道路的選擇、加油站的查看等方面為防災(zāi)減災(zāi)決策提供有力依據(jù)，有助于相關(guān)部門解決在防災(zāi)減災(zāi)途中可能遇到的一些問題。創(chuàng)新性引入SWAT模型國內(nèi)現(xiàn)有暴雨洪澇預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的水文模型多采用70年代我國自行研發(fā)的新安江模型，其開發(fā)時(shí)間較早，且為集總式模型。由于集總式模型通常采用均一性假設(shè)，對(duì)點(diǎn)的水文過程采用簡單的基于水文規(guī)律的方程來描述，其他過程則用經(jīng)驗(yàn)公式描述，在本質(zhì)上只能反映有關(guān)因素對(duì)徑流形成過程的平均作用，在模擬和預(yù)報(bào)時(shí)，誤差不可避免，也不易控制17。本系統(tǒng)引入90年代初開發(fā)的分布式水文模型SWAT模型進(jìn)行徑流模擬，此模型經(jīng)過十多年的完善，經(jīng)歷8個(gè)版本，是現(xiàn)今具有較大

37、影響力的分布式水文模型。其模型研究時(shí)不受空間尺度和時(shí)間尺度的限制。在提高模擬精度方面，SWAT模型可以將研究區(qū)域細(xì)分成若干計(jì)算單元，以達(dá)到提高模擬精度的效果。針對(duì)甘肅隴南地區(qū)，本系統(tǒng)采用SWAT模型最新版本SWAT2009模擬河道徑流量，預(yù)報(bào)預(yù)警暴雨洪澇災(zāi)害。SWAT模型脫離及嵌入如今SWAT模型的使用需在ArcGIS或ArcView平臺(tái)上，則需要事先安裝上述軟件，并將ArcSWAT模塊安裝加入，安裝時(shí)間長，用戶等待時(shí)間久。另外，ArcGIS和ArcView為專業(yè)地理信息系統(tǒng)軟件，屬于工具性GIS，非專業(yè)GIS人員要掌握其使用較為困難，從而使SWAT的使用對(duì)于非專業(yè)人士而言遙不可及。將SWAT

38、模型從專業(yè)GIS軟件上脫離，嵌入自行開發(fā)的系統(tǒng)軟件，使得未受過專業(yè)培訓(xùn)的人員也可輕松使用SWAT模型。SWAT便捷式操作即便是地理信息系統(tǒng)的專業(yè)人員，在使用SWAT模型時(shí)，需要進(jìn)行大量的前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)庫的建立等，操作復(fù)雜、準(zhǔn)備數(shù)據(jù)繁瑣。另外，若要更新氣象信息，需重新運(yùn)行ArcSWAT，耗時(shí)在半個(gè)小時(shí)左右，極不方便。在自行開發(fā)的軟件中，針對(duì)隴南地區(qū)，事先將一定時(shí)間變化甚微的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立天氣發(fā)生器和數(shù)據(jù)庫，使得用戶只需更新氣象信息便可運(yùn)行SWAT模型，方便快捷。系統(tǒng)界面友好，操作簡單，非專業(yè)人士也可輕松使用。預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)二三維顯示目前，甘肅隴南地區(qū)現(xiàn)有的氣象預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)

39、都為純二維軟件，只能得到二維顯示效果，而地形信息只能從等高線等方式了解。而在災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警中，地表地貌信息往往起到非常重要的作用。此次開發(fā)的系統(tǒng)軟件突破常用純二維軟件無法直接觀察地形的限制，用戶針對(duì)不同需求進(jìn)行二維、三維切換，更加立體形象地了解真實(shí)地勢(shì)情況，為防災(zāi)減災(zāi)決策提供依據(jù)。第2章 核心模型研究及應(yīng)用核心模型的確定世界范圍內(nèi)常用的水文模型各有各自特點(diǎn)，不同的流域水文模型在建模思路、產(chǎn)匯流機(jī)制描述、計(jì)算單元?jiǎng)澐?、求解方法等方面有較大差異。國內(nèi)使用的水文模型多為集總式水文模型，較少采用分布式模型。就本系統(tǒng)采用的SWAT模型與國內(nèi)使用較多的集總式模型比較不難看出，SWAT模型在經(jīng)行流域產(chǎn)、匯流

40、計(jì)算外，還可進(jìn)行水土流失和面源污染模擬，土地利用及土地管理方式預(yù)測(cè)等功能（附表一）。結(jié)構(gòu)上，SWAT模型除水文模塊外還加入了包括氣象在內(nèi)的7大模塊，對(duì)研究暴雨洪澇型洪水有更大幫助。此外，通過比較發(fā)現(xiàn)，SWAT模型還具有以下特點(diǎn)：1）基于物理過程SWAT模型不使用回歸方程來描述輸入變量和輸出變量之間的關(guān)系，而是需要流域內(nèi)天氣、土壤屬性等特定信息2。其優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)有缺失時(shí)，氣象發(fā)生器能自動(dòng)運(yùn)算生成缺損數(shù)據(jù)，完成整個(gè)模擬時(shí)間范圍內(nèi)的水文模擬。2） 無氣候局限性SWAT模型精度幾乎不受氣候條件制約。Vanliew在針對(duì)小沃希托河流域的水文模擬實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，無論在干燥、還是濕潤，或者介于兩者之間的

41、氣候條件下，SWAT模型的徑流模擬均能給出較為滿意的結(jié)果9。3） 流域面積適應(yīng)性廣目前利用SWAT模型進(jìn)行過研究的流域面積最大到 km2，最小為0.395 km210。可見流域的大小對(duì)模型模擬結(jié)果的影響不大，即使是非常大的流域或者多種管理決策進(jìn)行模擬時(shí)，運(yùn)行計(jì)算也不需要過多的時(shí)間和投入2。SWAT模型介紹原理概述SWAT模型是一個(gè)分布式水文模型，它通過將大型流域按一定的子流域面積閾值劃分為若干塊子流域（sub-basins）。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)土壤類型和土地利用率在每塊子流域內(nèi)劃分水文響應(yīng)單元（HRU, Hydrologic Response Unit），用天氣發(fā)生器模擬氣候情況，通過實(shí)際輸入

42、降水、溫度信息估算每個(gè)HRU上的凈雨量、計(jì)算產(chǎn)流量和泥沙、污染物質(zhì)產(chǎn)生量。然后進(jìn)行河道匯流演算，最后求得出口處斷面流量、泥沙含量和污染負(fù)荷。模型將模擬過程分為子流域模塊（坡面產(chǎn)流和坡面匯流）和流路演算模塊（河道匯流）兩大部分。子流域模塊控制每個(gè)子流域內(nèi)主河道的徑流、泥沙、營養(yǎng)物質(zhì)等的輸入量，流域內(nèi)蒸發(fā)量隨植被覆蓋和土壤的不同而變化，可通過水文響應(yīng)單元（HRU）的劃分來反映這一變化。在具體模擬中，我們通?？紤]氣候、植被覆蓋以及水文這三個(gè)方面的因素11。流路演算模塊決定徑流、泥沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運(yùn)動(dòng)及符合的演算匯總過程，主要考慮水、沙、營養(yǎng)物（N和P）和殺蟲劑在河網(wǎng)中的輸移，包括主河道

43、以及水庫的匯流計(jì)算。SWAT模型水文循環(huán)陸地階段主要由以下部分組成：氣候、水文、泥沙、作物生長、土壤溫度、營養(yǎng)物、殺蟲劑和農(nóng)業(yè)管理。模擬的水文循環(huán)遵循水量平衡方程如下：式中： QUOTE SWt 為土壤最終含水量（mm）； QUOTE SW0 為土壤前期含水量（mm）；t為時(shí)間步長（day）； 為第i天降雨量（mm）； QUOTE Qsurf 為第i天的地表徑流（mm）； QUOTE Ea 為第i天的蒸發(fā)量（mm）； QUOTE Wseep 為第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和測(cè)流量（mm）； QUOTE Qgw 為第i天地下水出流量（mm）。模型結(jié)構(gòu)圖1 SWAT模型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備數(shù)字高程

44、模型ASTER GDEM 是根據(jù)NASA新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星TERRA的觀測(cè)結(jié)果制作完成，這一全新地球數(shù)字高程模型包含ASTER搜集的130萬個(gè)立體圖像，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯83到南緯83之間的所有陸地區(qū)域，達(dá)到了地球陸地表面的99%。選用的DEM數(shù)據(jù)是利用ASTER GDEM第一版本（V1）的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工得來，是空間分辨率為30米的數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，總共需獲取六景圖像。在DEM數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失的某些象元處，利用求取領(lǐng)域平均的方法獲得其柵格值，進(jìn)而對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)DEM數(shù)據(jù)的修復(fù)。拼接六景圖像，得到甘肅隴南地區(qū)的數(shù)字高程影像數(shù)據(jù)。通過數(shù)字高程模型，可快速、合理生成河網(wǎng)并劃分子流域，同時(shí)提取各

45、子流域參數(shù)。針對(duì)甘肅隴南地區(qū)，劃分子流域共計(jì)77個(gè)。土地利用/土壤類型將隴南地區(qū)分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)居民與工業(yè)用地等五類。雖然SWAT模型是在美國標(biāo)準(zhǔn)下研制成功的12，但土地利用類型種類相同，故按模型要求轉(zhuǎn)換編碼，與模型的土地利用數(shù)據(jù)庫相連接。土壤屬性數(shù)據(jù)在模型徑流流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙和植物生長過程中具有非常重要的作用，SWAT模型中使用的土壤屬性數(shù)據(jù)分為兩種，土壤物理特性數(shù)據(jù)和化學(xué)特性數(shù)據(jù)，物理特性數(shù)據(jù)又分為土層數(shù)、土層厚度、土壤顆粒含量百分比、土壤有效含水量、水文學(xué)分組、土壤容重等13。本系統(tǒng)利用以全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起來的中國1:100萬數(shù)字化土壤圖，對(duì)土壤進(jìn)行分類。權(quán)

46、衡精度與效率將甘肅隴南地區(qū)土壤類型劃分至亞類，共31種，包含17個(gè)土類，跨7個(gè)土綱（見附表二）。建立的甘肅隴南地區(qū)土壤數(shù)據(jù)庫，包含土壤類型和各類土壤物理、化學(xué)屬性。對(duì)于部分無法獲取的土壤參數(shù)，使用土壤數(shù)據(jù)庫中已有的美國地區(qū)土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行代替。氣象數(shù)據(jù)SWAT模型需要的氣象數(shù)據(jù)較多，主要有氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)、氣溫?cái)?shù)據(jù)，此外還包括輻射、風(fēng)速、濕度等。站點(diǎn)文件包括降水站點(diǎn)、氣溫站點(diǎn)、天氣發(fā)生器站點(diǎn)等。整理隴南地區(qū)6站點(diǎn)的位置，制成列表文件，其他氣象數(shù)據(jù)格式均極為相似。以降水?dāng)?shù)據(jù)為例，分站點(diǎn)將全部降水?dāng)?shù)據(jù)逐日排列，保存為dBase表格。模型數(shù)據(jù)處理土壤數(shù)據(jù)庫編輯SWAT模型中土壤類型各個(gè)物理參數(shù)時(shí)，

47、收集土壤分層、土壤剖面最大根系深度、土壤層結(jié)構(gòu)和土壤分層機(jī)械組成中的黏土、壤土、沙土和礫石相關(guān)資料（如圖2），使用USDA開發(fā)的土壤水文特征軟件SPAW（如圖3）來計(jì)算田間持水量、飽和度、土壤容重等相關(guān)土壤參數(shù)。將此計(jì)算結(jié)果通過經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算后，建立SWAT模型土壤屬性數(shù)據(jù)庫。圖2 土壤屬性數(shù)據(jù)天氣發(fā)生器降雨量、平均氣溫和太陽輻射量等參數(shù)對(duì)水文過程、作物生長和養(yǎng)分降解、轉(zhuǎn)化等都舉要重要影響。連續(xù)的日降雨量、日氣溫等氣象資料對(duì)模型的模擬效果影響顯著。然而由于觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量少和觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失等原因，以及為了模擬氣候變化對(duì)水文過程和水體水質(zhì)的影響，有必要構(gòu)建一種用于模擬給定氣候條件下的隨機(jī)天

48、氣模型，即天氣發(fā)生器。SWAT2009原本自帶有天氣發(fā)生器的所需參數(shù)，由于其自帶參數(shù)為美國標(biāo)準(zhǔn)，在用SWAT模型進(jìn)行徑流模擬時(shí)，為了使徑流模擬結(jié)果符合隴南地區(qū)氣候狀況，提高模擬結(jié)果精度，不能選用它的自帶參數(shù)。因此需要我們?cè)赟WAT模型內(nèi)建WXGEN天氣發(fā)生器14，如圖4，主要用于生成氣候數(shù)據(jù)和填補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)15。圖3 SPAW軟件圖4 天氣發(fā)生器本系統(tǒng)中篩選出適用的6個(gè)氣象站點(diǎn)，用該6個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)建立天氣發(fā)生器。主要輸入數(shù)據(jù)有：日降水量、最高氣溫、最低氣溫、太陽輻射、露點(diǎn)溫度和平均風(fēng)速，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算得出多年月平均氣候特征，計(jì)算公式見表一。表一 WXGEN天氣發(fā)生器參數(shù)計(jì)算公式表2參數(shù)（單

49、位）公式月平均最高氣溫/月平均最低氣溫/最高氣溫標(biāo)準(zhǔn)偏差最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)偏差月平均降雨量/mm降雨量標(biāo)準(zhǔn)偏差降雨的偏度系數(shù)月內(nèi)干日日數(shù)/d月內(nèi)濕日日數(shù)/d平均降雨天數(shù)/d露點(diǎn)溫度/月平均太陽輻射量/kJ/(m2d)月平均風(fēng)速/(m/s)氣象數(shù)據(jù)中日降水量、最高最低氣溫、太陽輻射、風(fēng)速可直接獲取，露點(diǎn)溫度可通過濕度和溫度換算，采用Liersch開發(fā)的露點(diǎn)溫度計(jì)算程序16：首先，由氣溫T計(jì)算飽和水汽壓es（公式1），然后利用平均濕度RF和飽和水汽壓es計(jì)算實(shí)際水汽壓e（公式2），最后通過公式3計(jì)算露點(diǎn)溫度。es=6.108 exp17.27 TT+273.3 （1）式中，es為飽和水汽壓（mbar），

50、T為日平均溫度（）。e=esxRF100 （2）式中，e為實(shí)際水汽壓（mbar），RF為平均相對(duì)濕度（%）。dew=234.18lge-184.28.204-lg(e) （3）式中，dew為露點(diǎn)溫度（）。SWAT結(jié)果分析圖5 SWAT模擬徑流結(jié)果實(shí)驗(yàn)過程中，采用隴南地區(qū)2001-2003年降水對(duì)2003年7月的徑流情況經(jīng)行模擬，結(jié)果如圖5。從圖中可以明顯看出，模擬值與降雨量的變化是趨于一致的，達(dá)到了較好的模擬效果。如27日降雨量達(dá)到最大，模擬的徑流量也為最大，可以得出徑流量受降雨因素影響較大。此外28日降水幾乎為零，但其徑流由于前一天的大雨并未減小到零，說明河道徑流量不僅受到當(dāng)天降水量的影響，

51、還受到其他河段或自身河段的影響。這和現(xiàn)實(shí)世界河道徑流情況相符，證明使用該模型進(jìn)行徑流模擬成功，可將其嵌入系統(tǒng)中進(jìn)行下一步研究。第3章 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線圖6 系統(tǒng)技術(shù)路線開發(fā)方式本系統(tǒng)在C#平臺(tái)上通過ArcGIS Engine進(jìn)行二次開發(fā)。ArcGIS Engine（簡稱為AE）的核心是AO組件。AE是一組完備的并且打包的嵌入式GIS組件庫和工具庫。AE的主要控件共有11個(gè)，如圖7 。系統(tǒng)主要使用了四個(gè)AE控件（如圖8，依照上下述順序依次排列），包括MapControl用于二維顯示、SceneControl用于三維顯示、ToolbarControl用于對(duì)地圖的基本操作、TOCControl用于對(duì)

52、圖層的基本操作。系統(tǒng)還使用了ribbonControl控件，用于菜單的設(shè)置。圖7 AE所有控件圖8 所用AE控件此外，系統(tǒng)使用了一系列接口來實(shí)現(xiàn)其功能：1）圖像操作：使用IRasterBand 、IRasterStretchColorRampRenderer、IRgbColor等類將黑白的數(shù)字圖像變成彩色圖像；使用IRasterSurface、ILayerExtensions、I3DProperties等類實(shí)現(xiàn)三維顯示界面中三維立體效果；使用ISimpleLineSymbol、ISimpleRenderer等類改變圖像中線數(shù)據(jù)的線寬和顏色。2）數(shù)據(jù)操作：使用自定義類FileControl來實(shí)現(xiàn)

53、氣象數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、修改、添加、刪除、查看等功能。3）結(jié)果展示：使用ISceneViewer、IHit3DSet、IPoint等類實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)擊查詢功能；使用IClassBreaksUIProperties、IClassBreaksRenderer、IAlgorithmicColorRamp、IChartRenderer、IMarkerSymbol以及自定義類CurvePaint等實(shí)現(xiàn)徑流量的折線圖、暴雨的等級(jí)圖和直方圖等結(jié)果圖像的顯示。技術(shù)支持集成式GIS開發(fā)技術(shù)集成式二次開發(fā)是利用專業(yè)地理信息系統(tǒng)工具軟件或其提供的組件來實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的基本功能，同時(shí)采用通用軟件開發(fā)工具尤其是可視化開發(fā)工具作為

54、開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行二者的集成開發(fā)。伴隨著軟件開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)模式經(jīng)歷了多個(gè)階段。組件式地理信息系統(tǒng)以其面向?qū)ο?、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)成為地理信息系統(tǒng)的主要平臺(tái)。組件式地理信息系統(tǒng)開發(fā)方法是把地理信息系統(tǒng)的功能模塊劃分為多個(gè)控件，每個(gè)控件完成不同的功能，各個(gè)地理信息系統(tǒng)控件之間，以及地理信息系統(tǒng)空間與其他非地理信息系統(tǒng)控件之間，通過可視化的軟件開發(fā)工具，根據(jù)需要把實(shí)現(xiàn)各種功能的“積木”搭建起來，實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的各種功能以及應(yīng)用系統(tǒng)。ArcGIS Engine 是一個(gè)創(chuàng)建GIS桌面應(yīng)用程序的組件式開發(fā)產(chǎn)品。使用ArcGIS Engine 可創(chuàng)建獨(dú)立的應(yīng)用程序，或者對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)用

55、程序進(jìn)行擴(kuò)展，為GIS和非GIS用戶提供專門的空間解決方案。使用ArcGIS Engine 能夠?yàn)楝F(xiàn)有的應(yīng)用程序添加動(dòng)態(tài)制圖和GIS功能，或構(gòu)建自己的專門制圖程序。GIS可視化技術(shù)GIS可視化是科學(xué)計(jì)算可視化與地學(xué)結(jié)合而形成的概念，是關(guān)于GIS數(shù)據(jù)的視覺表達(dá)與分析。GIS的可視化對(duì)地學(xué)數(shù)學(xué)模型的研究包括地學(xué)數(shù)據(jù)內(nèi)插加密，多分辨率數(shù)據(jù)表達(dá)、多維表數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理、并行技術(shù)、交互反潰技術(shù)，數(shù)據(jù)的可視化等，偏向于技術(shù)層次。使用GIS二維以及三維可視化技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界中的山體、河流等進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)處理，用圖形呈現(xiàn)地學(xué)處理和分析的結(jié)果。將GIS可視化技術(shù)與氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)結(jié)合起來

56、，利于GIS技術(shù)進(jìn)行表現(xiàn)。多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)地理信息系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用導(dǎo)致了空間多源數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，給數(shù)據(jù)的集和信息共享帶來不便。不同數(shù)據(jù)源，不同數(shù)據(jù)精度和不同數(shù)據(jù)模型的地理數(shù)據(jù)融合理論與方法的研究，對(duì)于降低地理數(shù)據(jù)的生產(chǎn)成本，加快現(xiàn)有地理信息更新度，提高地理數(shù)據(jù)質(zhì)量有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。空間數(shù)據(jù)融合可分為矢量數(shù)據(jù)融合和柵格數(shù)據(jù)融合，以及矢量與柵格數(shù)據(jù)之間的融合。矢量數(shù)據(jù)融合是采用地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方法，實(shí)現(xiàn)諸數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)模型、分類分級(jí)和幾何位置融合，以及屬性數(shù)據(jù)的進(jìn)一步豐富，是去偽求真、去粗求精的地理數(shù)據(jù)處理過程。 系統(tǒng)將土地利用、土壤類型、流域、地形、氣象、遙感影像等矢量和柵格數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)

57、行多源空間數(shù)據(jù)的融合，以便同時(shí)展示隴南地區(qū)的各種地理要素。 空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)數(shù)據(jù)庫就是為一定目的服務(wù)，以特定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合，它是數(shù)據(jù)管理的高級(jí)階段，是從文件管理系統(tǒng)發(fā)展而來的。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫（簡稱空間數(shù)據(jù)庫或地理數(shù)據(jù)庫）是某一區(qū)域內(nèi)關(guān)于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合?？臻g數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫相比，具有以下特點(diǎn)：1）數(shù)據(jù)量特別大，地理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合體，要用數(shù)據(jù)來描述各種地理要素，尤其是要素的空間位置，其數(shù)據(jù)量往往很大。2）不僅有地理要素的屬性數(shù)據(jù)（與一般數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)性質(zhì)相似），還有大量的空間數(shù)據(jù)，即描述地理要素空間分布位置的數(shù)據(jù)，并且這兩種數(shù)據(jù)之間具有不可分割的聯(lián)系。3）數(shù)據(jù)

58、應(yīng)用廣泛，例如地理研究、環(huán)境保護(hù)、土地利用與規(guī)劃、資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境、市政管理、道路建設(shè)等。系統(tǒng)中使用的隴南縣界、河網(wǎng)信息、主要公路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是包含空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫，更清晰的展現(xiàn)了隴南地區(qū)的空間性息和屬性信息。 第4章 系統(tǒng)簡介系統(tǒng)界面圖9 系統(tǒng)界面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示，系統(tǒng)主要由4大模塊構(gòu)成：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、氣象數(shù)據(jù)模塊、水文模擬模塊以及暴雨預(yù)警模塊?；A(chǔ)數(shù)據(jù)模塊是基礎(chǔ)，后面模塊使用時(shí)所需基本數(shù)據(jù)全從此模塊中調(diào)用，該模塊中的數(shù)據(jù)支持后面模擬運(yùn)算。此模塊信息包括：行政區(qū)劃、地表信息、地貌特征、城市建設(shè)。氣象數(shù)據(jù)模塊也是為模擬提供數(shù)據(jù)，包括：站點(diǎn)數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)氣象數(shù)據(jù)。

59、該模塊中除站點(diǎn)數(shù)據(jù)為給定值外，其他數(shù)據(jù)均可由用戶導(dǎo)入并進(jìn)行修改。水文模擬模塊分為徑流模擬、洪水模擬兩大類。暴雨預(yù)警模塊針對(duì)暴雨災(zāi)害設(shè)計(jì)，可對(duì)暴雨進(jìn)行監(jiān)測(cè)，雨量分級(jí)顯示以及決策預(yù)警。圖10 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)功能本系統(tǒng)針對(duì)隴南地區(qū)暴雨洪澇災(zāi)害特點(diǎn)設(shè)計(jì)以下功能：一、徑流模擬。用戶更新每日實(shí)測(cè)（預(yù)報(bào)）降水、氣溫信息，通過選擇日期，模擬該日徑流，系統(tǒng)以不同粗細(xì)的線表示徑流量大小，也可由用戶點(diǎn)擊查看具體徑流量。二、洪水模擬。用戶選擇某河段的堵塞位置以及堵塞日期，系統(tǒng)進(jìn)行洪水模擬，生成堵塞后的河道水深折線圖，并進(jìn)行洪水預(yù)警。三、暴雨預(yù)警。系統(tǒng)讀取三小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，生成柱狀專題圖顯示隴南九縣的降水情況，生成暴雨等

60、級(jí)專題圖對(duì)九個(gè)縣的暴雨災(zāi)害進(jìn)行分級(jí)，針對(duì)不同等級(jí)的暴雨災(zāi)害，給出決策建議。四、綜合瀏覽。系統(tǒng)在二維或三維顯示模式下加載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可與徑流模擬結(jié)果等疊加顯示，并可進(jìn)行放大縮小、三維旋轉(zhuǎn)、飛行瀏覽、查詢屬性信息等操作。第5章 基本功能圖層操作在主界面的菜單欄中，點(diǎn)擊圖標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的圖層將被加載，再次點(diǎn)擊，該圖層被移除(被加載圖層圖標(biāo)文字變?yōu)榛疑醇虞d時(shí)為藍(lán)色)。在主界面的左框中對(duì)想要操作的圖層，單擊鼠標(biāo)保持按下狀態(tài)并拖動(dòng)，改變疊放次序。圖層名前方的方框處，打鉤則顯示該圖層，無鉤則隱藏該圖層（如圖11）。圖11 圖層控制這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不僅包含運(yùn)行SWAT模型所需要的各種數(shù)據(jù)，還包含了甘肅隴南地區(qū)的各類