基于NetCDF格式的河網(wǎng)水流二維呈現(xiàn)技術(shù)研究

(1.上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海 200233；2.上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海 200233 )

基于NetCDF格式的河網(wǎng)水流二維呈現(xiàn)技術(shù)研究

錢真1,2

(1.上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海 200233；2.上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海 200233 )

為在在線預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)上展示模擬的河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)NetCDF格式標(biāo)準(zhǔn)和一、二維流速關(guān)系，采用C#語言編程開發(fā)，提出并研究了實(shí)現(xiàn)一維河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)的二維呈現(xiàn)技術(shù)，并在.net平臺(tái)上設(shè)計(jì)編寫了相應(yīng)的轉(zhuǎn)化模塊。此項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于黃浦江上游水源地突發(fā)污染預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)中。

污染預(yù)警；污染預(yù)報(bào)；數(shù)值模擬

平原感潮河網(wǎng)水流數(shù)值模型是研究平原感潮地區(qū)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律、編制防洪除澇和河網(wǎng)水環(huán)境整理規(guī)劃的重要工具[1-2]。數(shù)字河網(wǎng)水量水質(zhì)模型系統(tǒng)(Digital River Network Water Quantity & Quality Model System，簡(jiǎn)稱：DRWMS)是針對(duì)上海感潮河網(wǎng)地區(qū)水文條件及水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，集成水文水力學(xué)數(shù)值模擬、GIS、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，由上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院聯(lián)合研發(fā)形成的一套集模型建模、模擬計(jì)算、結(jié)果演示于一體的軟件系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于上海區(qū)域內(nèi)澇、水環(huán)境治理等相關(guān)科研和規(guī)劃設(shè)計(jì)中[3-4]。

近年來，隨著社會(huì)對(duì)水安全需求的不斷提高和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水量水質(zhì)數(shù)值模擬技術(shù)不僅被廣泛應(yīng)用于研究、規(guī)劃設(shè)計(jì)中，也被應(yīng)用于常規(guī)的業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警。在“大數(shù)據(jù)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，國內(nèi)外已研發(fā)了一系列先進(jìn)的在線預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)。著名的有ASA公司開發(fā)的OilMap和ChemMap系統(tǒng)[5-7]，但這些系統(tǒng)要求水流模型結(jié)果以二維流場(chǎng)的方式接入并展示，而傳統(tǒng)的河網(wǎng)水流模擬結(jié)果通常是一維的，無法被在線系統(tǒng)直接調(diào)用。

本文根據(jù)NetCDF數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和DRWMS的特點(diǎn)，從水流表征變量的物理意義出發(fā)，在.net平臺(tái)上，采用C#語言編程開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了NetCDF格式的河網(wǎng)流場(chǎng)文件自動(dòng)生成，并將此技術(shù)成功應(yīng)用于黃浦江上游水源地突發(fā)污染預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)中。

1 NetCDF格式

NetCDF(Network Common Data Form)網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式是由美國大學(xué)大氣研究協(xié)會(huì)(University Corporation for Atmospheric Research，UCAR)的Unidata項(xiàng)目科學(xué)家針對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)特點(diǎn)開發(fā)的，是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)的描述和編碼標(biāo)準(zhǔn)。目前，NetCDF被廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、水文、海洋學(xué)、環(huán)境模擬、地球物理等諸多領(lǐng)域[8]。

1.1 NetCDF數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

NetCDF數(shù)據(jù)集(.nc)并非固定格式，根據(jù)用戶需要自行定義。一個(gè)完整的NetCDF數(shù)據(jù)集包含維(Dimensions)、變量(Variables)及屬性(Attributes)3種描述類型，每種類型都會(huì)被分配一個(gè)名字和一個(gè)訪問ID，NetCDF庫可以同時(shí)訪問多個(gè)數(shù)據(jù)集，ID被用來識(shí)別不同數(shù)據(jù)集。變量存儲(chǔ)實(shí)際數(shù)據(jù)，維給出了變量維度信息，屬性則給出了變量或數(shù)據(jù)集本身的輔助信息屬性，又可以分為適用于整個(gè)文件的全局屬性和適用于特定變量的局部屬性，全局屬性則描述了數(shù)據(jù)集的基本屬性以及數(shù)據(jù)集的來源。一個(gè)NetCDF文件的結(jié)構(gòu)包括以下對(duì)象：

NetCDF name{

Dimensions：… ∥定義維數(shù)

Variables：… ∥定義變量

Attributes：… ∥屬性

Data：… ∥數(shù)據(jù)

}

1.2 NetCDF接口函數(shù)庫

NetCDF是開放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，用戶可以在具體學(xué)習(xí)其文件結(jié)構(gòu)后直接編程讀寫.nc文件，但這種方式效率低下，使用成本高昂，且易造成文件格式的變異，難以長期維護(hù)和升級(jí)NetCDF數(shù)據(jù)格式。因此，在NetCDF版本更新的同時(shí)官方也一并提供了NetCDF接口函數(shù)庫以方便用戶以編程方式訪問NetCDF數(shù)據(jù)，用戶只需熟悉接口函數(shù)庫的函數(shù)調(diào)用方式，而無需考慮數(shù)據(jù)底層的二進(jìn)制具體編碼和文件版本等細(xì)節(jié)問題。目前，NetCDF已經(jīng)升級(jí)到4.4.0，其接口函數(shù)庫支持的語言為C、C+ +、Fortran和Java。

2 一維河網(wǎng)水流的二維呈現(xiàn)

2.1 基本原理

在一維河網(wǎng)中，描述水流狀態(tài)通常采用特征斷面的水位、流量和平均流速。其中斷面平均流速通常由下式得到：

(1)

式中，A表示斷面流量為Q時(shí)對(duì)應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e，斷面的平均流速方向垂直于斷面并指向下游。

而在二維流場(chǎng)中，一般采用考察點(diǎn)位的水位和水深平均流速(或單寬流量)描述水流狀態(tài)。其中，在笛卡爾坐標(biāo)下水深平均流速由x、y軸上分量u、v組成的矢量形式表示：

(2)

因此，要將一維河網(wǎng)中的水流以二維方式呈現(xiàn)，需進(jìn)行如下處理：

(1) 確定一維河網(wǎng)的二維考察點(diǎn)。此次研究中利用一維河網(wǎng)模型中已有橫斷面線，取其兩岸及中心點(diǎn)作為考察點(diǎn)。

(2) 將斷面平均流速做x、y投影：

(3)

式中，θ為平均流速方向與正東方向的夾角。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

流場(chǎng)數(shù)據(jù)文件用于存儲(chǔ)日常定時(shí)運(yùn)算的水動(dòng)力模型得到的流場(chǎng)結(jié)果，結(jié)果參數(shù)包括流速和流向。由于NetCDF格式數(shù)據(jù)具備運(yùn)算與顯示速度快的特點(diǎn)，為支撐業(yè)務(wù)化運(yùn)行與應(yīng)急管理的需要，該研究增加了流場(chǎng)結(jié)果實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為NetCDF數(shù)據(jù)文件的模塊，從而為溢油模型和化學(xué)品泄漏模型的運(yùn)算提供實(shí)時(shí)流場(chǎng)條件。

此次研究中采用的一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型軟件正是基于.net平臺(tái)，采用C#語言開發(fā)完成桌面應(yīng)用軟件，無縫集成數(shù)值模型、數(shù)據(jù)庫與GIS等多個(gè)應(yīng)用模塊。盡管C#被越來越多地應(yīng)用于科學(xué)研究和工程應(yīng)用中(如math.net項(xiàng)目)，但目前NetCDF接口函數(shù)庫尚無直接支持C#的版本。

在C#中操作NetCDF文件這種安全可行的方法是使用DllImport調(diào)運(yùn)非托管的NetCDF接口函數(shù)庫，鏈接相應(yīng)的操作函數(shù)，以作為C#中類的方法(見圖1)。

圖1 .net平臺(tái)調(diào)用非托管.dll

3 程序設(shè)計(jì)

WRWMS2NetCDF程序的主要功能是讀取一維河網(wǎng)水流模型軟件生成的斷面位置文件和時(shí)序數(shù)據(jù)文件，處理生成符合平臺(tái)要求的NetCDF文件。WRWMS2NetCDF模塊主要包括：主函數(shù)類(WC2nc)、河網(wǎng)數(shù)據(jù)集類(WC_Data)、NetCDF數(shù)據(jù)類(NetCDF)和NetCDF數(shù)據(jù)寫入類(NetCdfWriter)(見圖2)。

圖2 WRWMS2NetCDF模塊架構(gòu)

3.1 主函數(shù)類(WC2nc)

WC2nc為靜態(tài)類，外部程序在引用WRWMS2NetCDF.dll時(shí)可以直接調(diào)用其中的函數(shù)Transform(string[] WCFiles, string ncFile)：WCFiles為WRWMS輸出文件的地址列表，程序根據(jù)后綴名自動(dòng)判斷文件類型；ncFile為生成NetCDF文件的地址。

3.2 河網(wǎng)數(shù)據(jù)集類(WC_Data)

WC_Data是從文件中讀取WRWMS河網(wǎng)數(shù)據(jù)后在內(nèi)存中生成河網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)象，讀取WRWMS河網(wǎng)數(shù)據(jù)是該對(duì)象的方法，WC_Data定義的是一個(gè)動(dòng)態(tài)類，讀取一次河網(wǎng)數(shù)據(jù)隨即生成一個(gè)河網(wǎng)數(shù)據(jù)集對(duì)象。該類中另外引用2個(gè)類：Point和Section，以簡(jiǎn)化斷面數(shù)據(jù)的讀取。

(1) Point：封裝控制點(diǎn)的坐標(biāo)信息，初始化函數(shù)：public Point(double xValue, double yValue)。

(2) Section：封裝斷面所屬河段號(hào)(strRiver)、斷面編碼(strSec)、斷面控制點(diǎn)集(secPoints)、斷面法向(Alpha)以及斷面時(shí)序變量值(Data)。

WC_Data以河網(wǎng)為描述對(duì)象，通過方法ReadSectionPosition(string fileName)、ReadLonLat(string fileName)、ReadHisBinary(string fileName)等獲取斷面對(duì)象的空間信息和時(shí)序數(shù)據(jù)后，進(jìn)行變量數(shù)據(jù)的處理(如，計(jì)算斷面平均流速的u，v分量)，并將變量從斷面對(duì)象解析出來，這些變量如表1所示。

表1 WC_Data屬性

注：PointCount為控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，TimeCount為計(jì)算時(shí)間步長數(shù)。

3.3 NetCDF數(shù)據(jù)類(NetCDF)

NetCDF通過引用InteropServices，以DllImport方式，調(diào)用非托管的netcdf.dll(C版本),其中對(duì)netcdf.dll的函數(shù)和控制參數(shù)進(jìn)行重定義(見圖3)。

圖3 C#中netcdf.dll的部分函數(shù)重定義

3.4 NetCDF數(shù)據(jù)寫入類(NetCdfWriter)

NetCdfWriter中Write(string path, WC_Data wc)的主要功能是根據(jù)WC_Data對(duì)象生成.nc文件，主要流程：

(1) 創(chuàng)建.nc文件；

(2) 創(chuàng)建維度，并定義最大范圍；

(3) 創(chuàng)建所有變量；

(4) 寫入屬性；

(5) 寫入所有變量值，先寫低維度變量，后寫高維度變量；

(6) 關(guān)閉.nc文件。

圖4 研究區(qū)域河網(wǎng)水系示意

4 應(yīng)用實(shí)例

在DRWMS上建立了上海全市及黃浦江沿太浦河上游(面積約8 613.5 km2)范圍內(nèi)的河網(wǎng)水量水質(zhì)模型(見圖4)，其中，降雨網(wǎng)格(3 km×3 km)655個(gè)，河段1 633個(gè)，斷面821個(gè)，泵閘139座。以2014年3月12～20日和2014年7月10～26日期間實(shí)測(cè)的降雨、水文及工情對(duì)該模型率定驗(yàn)證，使其精度滿足預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)需求。在實(shí)際應(yīng)用中，DRWMS根據(jù)實(shí)時(shí)的降雨、水文及工情條件進(jìn)行水流計(jì)算，通過WRWMS2NetCDF模塊自動(dòng)將結(jié)果轉(zhuǎn)換NetCDF格式，供黃浦江上游水源地突發(fā)污染預(yù)警系統(tǒng)(見圖5)實(shí)時(shí)調(diào)用，結(jié)合OilMap和ChemMap可對(duì)突發(fā)水污染事件進(jìn)行預(yù)報(bào)。

圖5 預(yù)警系統(tǒng)中局部流場(chǎng)示意

5 結(jié) 語

本文研究了基于NetCDF格式的一維河網(wǎng)二維呈現(xiàn)原理和技術(shù)，在.net平臺(tái)上，設(shè)計(jì)和編寫了WRWMS2NetCDF模塊(申請(qǐng)并獲得軟件著作權(quán))，并成功應(yīng)用于黃浦江上游水源地突發(fā)污染預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)中。本文的研究成果可以為類似的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)提供技術(shù)參考。

[1] 李光熾，錢真．感潮河道區(qū)間入流反分析[J]．水科學(xué)進(jìn)展，2013，24(2)：266-271．

[2] 錢真，賈衛(wèi)紅．基于GIS的感潮地區(qū)城市區(qū)域除澇能力評(píng)估[J]．水電能源科學(xué)，2014，32(3)：85-87．

[3] 錢真，譚瓊，賈衛(wèi)紅．基于城市雨洪綜合模擬的區(qū)域除澇分析[J]．水利水電科技進(jìn)展，2015，35(6)：57-61．

[4] 譚瓊，時(shí)珍寶，張建頻，等．排水實(shí)時(shí)模型在上海防汛中的應(yīng)用示范[J]．中國給水排水，2012，28(15)：49-52．

[5] 李保剛，周克梅，林濤，等．水源地保護(hù)及突發(fā)性水污染事件預(yù)警應(yīng)急的研究與實(shí)施進(jìn)展[J]．水資源保護(hù)，2008，24(1)：87-91．

[6] 陳榮昌，陳俊峰．ChemMap在長江危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策研究中的應(yīng)用[J]．港航節(jié)能，2011(1)：2-5．

[7] 陳榮昌，趙前，鄧健，等．Delft3D和OilMap在內(nèi)河溢油模擬中的聯(lián)合應(yīng)用研究[J]．中國水運(yùn)，2011，11(4)：65-67．

[8] 曹柱，蘇天赟，王國宇．大規(guī)模海洋水文環(huán)境多維可視化技術(shù)研究[J]．中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017，47(4)：132-138．

2017-08-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“長江水源地供水保證率提升對(duì)策與措施”資助項(xiàng)目(2017YFC0405406)

錢 真，男，上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心，工程師.

1006-0081(2017)12-0039-04

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A

(編輯:朱曉紅)