赵 亮，王静波

(南阳市水利建筑勘测设计院，河南 南阳 473007)

利用水文数据库模型可以简化自然环境中复杂的水文现象，为水文资源的研究提供帮助[1- 3]。国外学者在水文数据模型相关研究中已经取得可观的成就，开发了许多实用的水文数据库产品和系统。自20世纪90年代末开始，德克萨斯大学(University of Texas System)水资源研究中心与美国环境系统研究所公司(Environmengtal Systems Reserrch Institute，ESRI)联合对Arc Hydro数据模型实行研究；进入21世纪以后才首次提出Arc Gis Hydro Data Model模型与文档草稿，至2002年才完全完成整体设计，提出该模型的David博士凭借该数据模型获得国际GIS用户大会的终身成就奖[4]。Arc Hydro数据模型通过Arc GIS实现空间、时间、属性数据等水文要素的存储，这些数据主要用来描述研究区流域的地形、地貌特征，由水流运动路径呈现出各个要素之间的联系[5]。我国在这方面的研究起步较晚，近年来也从理论向实践转变，对空间数据库、GIS、水文模型之间互相集成开展原型研究，取得可观的成果。

本文总结前人成果，将河南省作为研究对象区域，利用Nwis水文数据库模型中的Arc Hydro数据模型实行水文数据库设计与应用。

1 河南水文数据库设计

1.1 研究区概况

河南省位于我国中部，总面积16.7万km2，地跨四大水系(黄河、淮河、长江、海河)，属于地表水不丰富区域。平均全省年降水量约为767.4mm，6—9月(汛期)占全年降水量的65%，天然河川多年平均径流量324亿m3，折合为径流深度约为18.5mm，其中海河、淮河、长江、黄河等流域的多年平均径流量分别为21亿、189.6亿、67.8亿、48.5亿m3。由于地形地貌的限制，地表水资源分布不均。径流高低值区与降水情况区域相对应。大气环流对该地造成严重影响，地表水资源年内分配呈现高度集中状况。汛期雨量充沛经常导致暴雨洪水情况出现。秋伏大汛时期容易出现洪水暴涨暴落，洪涝灾害频发；而非汛期时期，降水量大幅度降低，导致当地极易出现干旱情况，为预测洪涝灾害，具有良好统计性的水文数据库就显得尤为重要。冬季与春季的地表径流为14%和6%～9%，冬季为枯水期，但是此时正是冬小麦等冬季作物大量需水的时期，地表径流水位降低，造成农业面临旱灾。河南省地下水资源约为231亿m3，浅层水与中深层水分别为203.6亿m3与25.2亿m3。浅层可开采水量约为116亿m3，主要分布地区为平原、山间盆地、山区河谷平原以及丘陵区域。浅层地下水具有埋藏浅、分布广、强富水性以及高存储条件、开采容易的特点，已经成为河南省主要地下水开采对象[6- 8]。

1.2 Arc Hydro数据模型

对GeoDatabase空间数据库模型实行扩展，得到Arc Hydro数据模型，可以监测出水资源数据与水文数据，同时还可以把由数据集成的水资源模型与水文模型向数据库映射。Arc Hydro数据模型主要分为4种要素数据集，分别为河道(Channel)、水文地理要素(Hydrrography)、水文网络(Network)与汇流区(Drainage)。监测数据的时间序列(Time Series)也对模型造成重要影响，时间序列与各要素数据集之间的关系就如同汇水区、监测点、水体和水利枢纽之间的关系。据此构建Arc Hydro数据模型的框架，围绕该框架开展相对位置计算以及水流计算[9- 13]。

Arc Hydro数据模型的框架内，应用对象类描述时间这类不存在几何特征的对象；对象类与要素类之间的关系由关系类描述。水文现象数据(水质、径流量以及水位等)会随时间变更而出现改变，这种变化定期由监测站以及其它相关设施观测，观测数据由对象类时间序列(Time Series)完成存储。经特性ID/水电ID(Feature ID/Hydro ID)实现监测点(Monitoring Point，点要素类)与时间序列之间的连接，同时某个事件序列下某个空间范围中检测站的测量记录查询使用关系类监测点时间序列(Monitoring Point Hastime Series)实现。在横断面点(Cross Section Point，对象类)与横断面(Cross Section)之间建立关系类(Cross Section HasPoint)关联，假如表示剖面位置时仅有一个横剖面，那么描述河道几何特征时可以使用数个横剖面点。

1.3 数据库整体框架设计

设计河南水文数据库的目的是将基础数据提供给政府以及科研部门，同时向政府相关部门提供环境和资源的相关辅助决策。遵循“集中管理、分布应用”原则应对庞大数据量问题，数据库整体框架如图1所示。

图1 数据库整体框架

该数据库将标准性的3层结构(应用层、逻辑层和数据层)体系作为逻辑框架的基础，整体网络框架使用浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)结合客户机/服务器(Client/Server，C/S)，以下为具体内容。

(1)应用层：考虑到河南水文数据库的业务需求，应用层提供图形管理、数据编辑、数据更新、空间分析等功能，全方位多角度管理数据库中的数据。

(2)逻辑层：使用Arc Hydro数据模型实现信息控制和事物逻辑控制，运用Arc SDE调度空间数据，确保整个数据库的业务逻辑能力[14- 16]，实现空间数据存储、调取、操作等功能，为应用层提供调用、数据访问等服务，保证数据库核心功能。

(3)数据层：在数据层中存在文本、空间及属性等类型的数据，依据数据类型不同分别管理和存储。

1.4 数据库建立

使用Arc GIS模型中包含的Arc Catalog能够建立以Acess作为基础的水文数据库。水文数据库能够储存河南省内流域的时间序列数据和水文要素。要素集的空间域为河南省内各流域边界区域。依据Arc Hydro数据模型中包含的数据储存分类规则，自水文数据库中加载河南省内流域的水文要素。河网(Hydro Edge)、汇流点(Hydro Junction)共同组成水文网络数据集；水电站(Structure)、水体(Waterbody)、坑孔(User Point)、水文监测站(Monitoring Point)共同组成水文数据集；集水区(Catchment)与流域边界(Wartershed)组成汇流区数据集；深泓线(Profile Line)与横断面(Cross Section)构成河道数据集；国道、省界、省道等辅助地理要素共同构成Geography数据集。

2 河南水文数据库应用

针对颍河全流域的观测包含气象观测数据以及水文观测数据，依据气象观测数据以及水文观测数据的相关标准实行统一整编，归入数据库中存储[17- 24]。水文观测数据主要包括2000—2020年之间近20年间颍河流域中每日的降水量、地表径流量以及水位变化情况；气象观测数据包含近20年间每日的蒸发量、降水情况以及平均温度等相关数据。

为验证本文数据库统计数据的准确性，以其近5年间实际测量颍川流域地表径流量情况，与本文数据库统计的地表径流量统计情况，结果见表1。

表1 地表径流量对比 单位：m3/d

从表3中能够看出实际测量的地表径流量数值与数据库统计的地表径流量数值接近，说明本文数据库在统计数据时具有良好的准确性。

3 结语

水文数据类模型与GIS等新型技术相结合不断发展获取了很多新的研究成果。本文利用NWIS中的Arc Hydro数据模型设计水文数据库并且实际应用于河南省内的颍河流域中。