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全球变化以及人类活动的负面效应使得地球上的水循环格局正在发生显著变化,水问题日益突出,主要体现在:极端旱涝灾害频繁、水资源时空分布不均匀、水环境污染日趋严重等方面。水文模型是针对这些问题的管理与决策分析必不可少的工具。水文模型的构建应包含两层含义:一是流域产汇流过程的建模;二是产汇流过程模型在计算机中的具体实现。GIS技术的进步革新了集总式水文模型的建模思想,在与水文实践需求的共同推动下,分布式水文模型研究成为流域水文模型研究的热点。GIS发展到组件式阶段后,又极大提高了水文模型尤其分布式水文模型的开发效率、增强了水文模型的数据前后处理功能和展现功能,在一定程度上提高了模型的模拟精度。GIS和水文模型的结合走向桌面、C/S架构的紧密耦合式。为了解决C/S模式固有的的弊端,B/S体系架构的软件设计逐渐发展起来。GIS也相应的由桌面GIS进入WebGIS发展阶段。C/S模式下流域防洪调度系统、水资源管理系统等水利行业应用亟需转移到B/S模式下,而水文模型的实现是这些系统框架设计的核心。因此水文模型也需要充分集成到B/S体系架构中,并能够在B/S体系架构下利用WebGIS实现桌面水文模型的各种功能。
在上述背景下,本文首先回顾了桌面水文模型的发展历程,指出桌面GIS是水文模型计算机软件设计蓬勃发展的重要推动力;将水文模型与GIS的结合归纳为松散耦合和紧密耦合两种形式,并分别举例说明两种形式的体系架构和构建方式。然后详细介绍了基于B/S体系架构构建水文模型的技术原理,提出B/S体系架构下,结合WebGIS构建Web水文模型具有重要的理论与实践意义。详细介绍了ASP.NET平台与ArcGISServer平台结合构建Web水文模型的原理,并探讨了实现Web水文模型的关键技术。接下来,本文在以往工作的基础上,选择经典TopModel作为研建对象,在B/S体系架构下封装其产汇流计算过程,基于ArcGISServer实现流域空间数据的管理、处理与分析,最终构建成功了Web水文模型DotTop。该模型的产汇流过程基于经典TopModel,运行平台只需客户端浏览器,最后以实际流域水文模拟为例,说明DotTop的适应性。总结起来,主要的工作内容及结论如下:
(1)深入研究经典TopModel水文模型的产汇流过程,在B/S体系架构下构建了三层结构的Web水文模型DotTop。数据模型基于ArcGISServer的Geodatabase构建,通过ArcSDE实现和关系数据库系统的连接。DotTop可以在线调用后台GIS数据库中存储的地形、降水等数据,计算地形指数,实现气象数据的在线插值等功能。DotTop的用户在客户端浏览器即可以方便的管理空间数据;提供人性化的参数输入接口;模型的运行由服务器端ASP.NET和ArcGISServer协同完成,通过HTTP实现请求和应答的传输。
(2)为了DotTop将来发展成为Web实时防洪调度模型库系统,在设计过程中深入探讨了空间数据的Web插值方法实现过程。并提出考虑数据变换的流域降水空间插值方法。选择泾河流域气象站点验证考虑数据变换的插值方法,结果验证了数据系列经过对数、平方根、立方根变换后,插值精度可以相对提高。在DotTop的插值方法中,本文集成了对数数据变换方法。
(3)选择淮河沂沭河流域角沂子流域和汉江流域酉水街小流域作为实验对象检验模型的运行结果。结果显示,模型能较好的拟合实测流量曲线,能较好的响应降水径流事件,同时对于洪峰量和时间上的模拟效果也非常好。可以说本文构建的基于Web的DotTop模型结构是合理的,模型的运行是成功的。