基于WebGIS的分布式水文模型构建

第３０卷第８期２　０　１　

２年８月水　电　能　源　科　学

Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．８

Ａｕｇ

．２　０　１　２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０８－００２０－

０４基于ＷｅｂＧＩＳ的分布式水文模型构建研究

刘瑞娟，安聪荣

（中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛２６６５５５

）摘要：为实现多用户在线参与流域管理、提高流域管理效率，构建了基于ＷｅｂＧＩＳ和分布式水文模型的面向服务的流域水资源管理系统Ｗｅｂ－ＥＳＳＩ，采用．ＮＥＴ三层分布式架构和ＭＶＣ设计模式，以ＡｒｃＧＩＳ　Ｓｅｒｖｅｒ为ＷｅｂＧＩＳ构建平台、分布式水文模型ＥＳＳＩ为水文过程模拟工具、ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ为数据管理系统，结合Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＃２００５面向对象编程语言实现系统搭建，并应用于山东省临沂流域，实现了多用户同时查询水资源信息、水文过程动态模拟和空间可视化分析。

关键词：ＷｅｂＧＩＳ；ＥＳＳＩ；ＡｒｃＧＩＳ　Ｓｅｒｖｅｒ；ＭＶＣ设计模式；临沂流域中图分类号：ＴＶ８８２．８；Ｐ３３３

文献标志码：Ａ

收稿日期：２０１１－１２－２２，修回日期：２０１２－０２－

１５作者简介：刘瑞娟（１９７６－）

，女，讲师，研究方向为遥感与地理系统应用，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕ７６１０１１＠１２６．ｃｏｍ 一个高效的流域管理系统涉及到大量空间数

据，ＧＩＳ技术的出现为流域的科学管理提供了技术支持。利用ＧＩＳ技术能将流域的各种地理环境要素（包括地理空间分布状况和所具有的属性数据）进行数据存储，并进行有效的管理。通过空间分析技术和可视化技术可进行各种综合分析，并能以图形、多媒体、数字等方式表达结果。目前，水文模型已开始用于流域管理中，并与ＧＩＳ

成功耦合［１～４］

。随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的不断发展和对ＧＩＳ的需求日益增长，利用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ在Ｗｅｂ上

发布空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能已成为ＧＩＳ发展的趋势，

于是基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的地理信息系统（Ｗｅｂ　ＧＩＳ）应运而生。Ｗｅｂ　ＧＩＳ将地图与相应的数据库结合，实现了图形与数据有效的连接。Ｗｅｂ　ＧＩＳ是当今ＧＩＳ发展的热点。我国在这一领域的研究和开发大多还仅限于实现流域水资源的查询、检索、地图发布和简单的空间分析，

将水文模型尤其是将分布式水文模型与ＷｅｂＧＩＳ相耦合较少。鉴此，本文在基于ＷｅｂＧＩＳ构建平台ＡｒｃＧＩＳ　

Ｓｅｒｖｅｒ的基础上，采用ＭＶＣ设计模式，构建了基于分布式水文模型ＥＳＳＩ与Ｉｎｅｒｎｅｔ技术的面向服务的流域管理系统。

１　分布式水文模型（ＥＳＳＩ

）水文模型是基于Ｗｅｂ的流域管理系统的核

心部分，可划分为集总式水文模型和分布式水文

模型。集总式模型参数较少，

但忽略了下垫面条件的时空变化，不能反映人类活动对水文过程的影响，而人类活动尤其是土地利用的变化又是流

域环境变化的主要因素，因此需选择一种能描述下垫面时空差异性并具有连续模拟能力的分布式

水文模型。本文选取分布式水文模型ＥＳＳＩ［５］

模

拟水文过程。

ＥＳＳＩ模型是以栅格为模拟单元的分布式水文模型，在栅格尺度上完成降水、蒸散发、冠层截流、

地表水下渗等水文过程，框图见图１。图１　基于通用产流模式的分布式水文模型ＥＳＳＩ框架

Ｆｉｇ．１　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｈｙｄｒｏｌｏｇ

ｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌＥＳＳＩ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｗａｔｅｒ－ｙｉｅｌｄ　ｐ

ｒｏｃｅｓｓＥＳＳＩ模型易于与ＲＳ、ＧＩＳ和ＤＥＭ数据匹配，具备与气候模式嵌套的快速扩展的能力，能模拟不同下垫面特征、不同气候条件下的流域水文过程，可得到任意空间位置、任意模拟时段的水文子过程的空间分布；还能模拟短期暴雨径流过程和长期降雨径流过程，能定量分析不同时间尺度下流域的水文水资源动态变化。

ＥＳＳＩ模型在湿润、半湿润区的江口流域和干旱、半干旱区的黑河山区流域进行了验证。结果表明，ＥＳＳＩ模型可模拟不同气候、

不同下垫面特

第３０卷第８期刘瑞娟等：基于ＷｅｂＧＩＳ的分布式水文模型构建研究

征下、从次洪过程到长时段的日、月、年尺度的降雨径流过程模拟，可实现洪水的预报和长时段径流过程模拟和预测，可为人类科学合理地管理水资源提供参考依据［５］。

２　系统架构与系统设计

２．１　系统架构

目前，ＷｅｂＧＩＳ的主要实现技术有：基于公共网关接口技术（ＣＧＩ）的构造方法［６］；基于ＳｅｒｖｅｒＡＰＩ的ＷｅｂＧＩＳ构造方法［７］；基于Ｐｌｕｇ．ｉｎ的ＷｅｂＧＩＳ构造方法；基于Ａｃｔｉｖｅ控件的ＷｅｂＧＩＳ构造方法；基于Ｊａｖａ　Ａｐｐｌｅｔ的ＷｅｂＧＩＳ构造方法等。大多数ＷｅｂＧＩＳ采用ＣＧＩ／Ｓｅｒｖｅｒ　ＡＰＩ构造技术。与ＡｒｃＩＭＳ相比，除能对空间数据进行显示外，ＡｒｃＧＩＳ　Ｓｅｒｖｅｒ还可利用自身的ＡＰＩ对空间数据进行管理和操作［８］。结合技术发展和软件扩展，并综合考虑发展趋势、开发成本和应用环境等因素，提出了以ＡｒｃＧＩＳ　Ｓｅｒｖｅｒ为ＷｅｂＧＩＳ构建平台，选用Ｗｉｎｄｏｗｓ运行环境，以ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ　２００５为后台数据库平台，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ．ＮＥＴ　２００５编程工具为开发环境，Ｗｅｂ服务器选用ＩＩＳ５．１，利用微软．ＮＥＴ三层分布式的架构进行设计开发。系统体系结构见图２

。

图２　Ｗｅｂ－ＥＳＳＩ系统结构图

Ｆｉｇ．２　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｗｅｂ－ＥＳＳＩ　ｓｙｓｔｅｍ２．２　Ｗｅｂ－ＥＳＳＩ系统设计模式

为使系统具有较强的伸缩性，更易于扩展和维护，Ｗｅｂ－ＥＳＳＩ采用ＭＶＣ设计模式进行开发，将应用程序的输入、处理和输出强制性分开，使其各自处理各自的任务。ＭＶＣ设计模式由模型（Ｍｏｄｅｌ）、视图（Ｖｉｅｗ）和控制器（Ｃｏｎｔｒｏｌ）三个核心部分组成，相互独立，从而使软件在代码复用和构架方面上了一个新台阶，使软件具有更强的健壮性和可扩展性。

（１）控制层处理用户与软件的交互操作。接收用户输入，将输入反馈给模型，进而实现对模型

的计算控制。在Ｗｅｂ－ＥＳＳＩ模型中，控制层中主要定义了日志管理、模型参数设置和模型参数传递、模拟结果输出、数据访问等功能。在系统设计时将这些功能抽象出形成Ｃ＃中的类或接口，调用这些类或接口完成控制功能，见表１。

表１　控制层中的主要类和功能

Ｔａｂ．１　Ｍａｉｎ　ｃｌａｓｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ

主要类功能

日志记录用户登录信息和程序发生异常的信息

模型运行参数从外部读入或用户设置模型运行参数

栅格图层读入各种栅格数据，并初始化图层数据，定义图

层的各种信息，包括分辨率、坐标系统等

气象数据参数读入各种气象数据，对气象数据进行空间插值

土壤参数数据定义从数据库中读取各种土壤参数数据和土地

利用属性数据的方法

结果输出定义模型模拟结果的输出形式和输出类别

（２）实现模型层的相关计算。在Ｗｅｂ－ＥＳＳＩ中，模型层的实现主要是实现分布式水文模拟过程中涉及的模型及其相关算法。根据文献［５］，水文过程中的冠层截留采用改进的概念性Ａｓｔｏｎ指数模型模拟。林冠截留量为：

Ｉｉｎｔ＝Ｃｍ（１－ｅ－ｋＰＣｍ）＋ｅｗＴ（１）式中，Ｉｉｎｔ为冠层截留能力；Ｃｍ为冠层截留能力；ｋ为降雨截留系数；Ｐ为降雨量；ｅｗ为林冠蒸发率；Ｔ为降雨历时。

融雪量采用度日因子法估计：

Ｍ＝Ｍｆ（Ｔｉ－Ｔｂ）（２）式中，Ｍｆ为度日融雪因子；Ｔｉ为气温指标，可取为日平均温度或日最高温度；Ｔｂ为基础温度，通常取为０℃。

潜在蒸散发（ＥＰ）可由实测数据得到，也可由ＰＭ法得到：

ＥＰ＝

Δ（Ｑｎ－Ｇ）＋８．６４×１０４γ（０．６２２λρａｉｒ／Ｐ）（ｅ０ｚ－ｅｚ）／γａ

Δ＋γ１＋γｃγａ

（３）式中，Ｑｎ为冠层表面净辐射；Ｇ为土壤热通量，在长时段模拟时取为０；ρａｉｒ为空气密度；Ｐ为大气压；ｅｚ为高度ｚ处的实际水汽压，由相对湿度计算获得。

实际蒸散发采用Ｂｏｕｃｈｅｔ提出的互补相关方程：

Ｅａ＋ＥＰ＝２Ｅｐ０（４）式中，Ｅａ为实际蒸散发量；Ｅ

ｐ０

为区域地表均一且充分湿润时的蒸散发量，此时潜在蒸散发量和实际蒸散发量相等。

地下水下渗采用霍顿模型，其计算公式为：

ｆ＝ｆｃ＋（ｆ０－ｆｅ）ｅｋｔ（５）式中，ｆ为时段下渗率；ｆｃ为稳渗滤；ｆ０为起始下

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