本文提出了一個實用的分析流域洪水計算的拓?fù)浞治龇椒ā４朔椒ǖ暮诵乃枷刖褪菍⒘饔蚋呕癁橐粡埞?jié)點圖，對節(jié)點的屬性、聯(lián)接方式以及拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行分析，運用鄰接表、鄰接矩陣和深度優(yōu)先遍歷的方法解決了模型之間的集成問題。該方法能夠應(yīng)用于流域洪水預(yù)報調(diào)度決策支持系統(tǒng)當(dāng)中，提高系統(tǒng)運行的效率，是一個簡明但行之有效的流域洪水計算模型系統(tǒng)集成的方法。

　　我國是一個洪澇災(zāi)害頻繁的國家，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的不斷增長，人們對防洪的要求越來越高。在防洪方面，人們普遍認(rèn)為從實時洪水預(yù)報系統(tǒng)過渡到防洪決策支持系統(tǒng)是當(dāng)前的發(fā)展趨勢。發(fā)達(dá)國家競相開展這類研究和開發(fā)工作，但目前仍處于只針對系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探索并在中小河流流域試驗開發(fā)的階段[2].防洪決策支持系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵技術(shù)就是如何將相對獨立的各個模型集成在一個大的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行整體計算，解決好模型之間數(shù)據(jù)的傳遞，提高系統(tǒng)運行的效率。目前國內(nèi)外的研究還沒有提出一個方便、有效的模型系統(tǒng)集成的辦法。有人在嘗試建立全流域的洪水模擬模型，對各部分統(tǒng)一求解。但這種辦法在交互式預(yù)報調(diào)度時會遇到諸多不便，而且對于各個不同的流域不可能用相同的全流域的洪水模擬模型。因此研究一種方便的模型系統(tǒng)集成辦法具有重要意義。本文提出了一個實用的流域洪水計算系統(tǒng)集成的辦法。對于河道特征比較復(fù)雜、水利工程比較多的流域來說，洪水計算首先要將流域水系進(jìn)行概化，將流域概化成互相聯(lián)系的不同類型的節(jié)點，不同類型的節(jié)點用到相應(yīng)不同的計算模型。一些常見的水文或水力學(xué)模型已經(jīng)為我們熟知，模型的編制問題不大，但是在模型的集成時卻會遇到很棘手的問題，那就是節(jié)點之間的聯(lián)接問題。只有搞清楚節(jié)點間是怎樣聯(lián)接的、節(jié)點間是怎樣交換數(shù)據(jù)的、節(jié)點的計算順序是怎樣的等問題才能將一個個分散的模型組成有機(jī)的整體，才能模擬出洪水在整個流域中的流動情況。節(jié)點的有機(jī)聯(lián)接就涉及到節(jié)點之間的拓?fù)潢P(guān)系，解決好了流域的拓?fù)潢P(guān)系，就能易如反掌地解決復(fù)雜流域洪水計算的模型集成問題。

　　1流域洪水計算拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的節(jié)點類型

　　進(jìn)行流域洪水計算時人們要用到流域洪水模擬技術(shù)，運用各種模型來計算洪水過程。為了計算方便，首先要對流域水系進(jìn)行概化，即把流域看成是由不同類型的節(jié)點聯(lián)接在一起的一個有機(jī)整體。節(jié)點類型主要有產(chǎn)匯流分區(qū)、河道洪水演進(jìn)、水量交匯點、水庫、閘門和平原區(qū)。各種不同類型的節(jié)點其計算方法是不同的，如P類（產(chǎn)匯流分區(qū)）節(jié)點所采用的是產(chǎn)匯流模型，計算產(chǎn)匯流的方法可以用新安江模型或其他方法；R類（河道洪水演進(jìn)）節(jié)點所采用的是水文學(xué)或水力學(xué)模型，如馬斯京干法、一維非恒定流法等；W類（水庫）節(jié)點采用的是水量平衡法進(jìn)行水庫調(diào)度等等。圖1 節(jié)點類型圖例（略）。

　　2節(jié)點聯(lián)接方式

　　流域內(nèi)各個節(jié)點之間的聯(lián)接方式大致分為3種：串聯(lián)，并聯(lián)以及復(fù)雜聯(lián)接（既有串聯(lián)又有并聯(lián)）。對某些簡單流域，可能所有節(jié)點之間的聯(lián)接都是串聯(lián)，而對復(fù)雜流域，一般各種聯(lián)接方式都存在。圖2表示了產(chǎn)匯流分區(qū)節(jié)點（P）、河道洪水演進(jìn)節(jié)點（R）、水庫節(jié)點（W）以及水量交匯點（N）與其他節(jié)點之間的聯(lián)接關(guān)系。各個符號的意義同前。產(chǎn)匯流分區(qū)是洪水產(chǎn)生的源節(jié)點，因此該類節(jié)點沒有入流節(jié)點，而且它的出流節(jié)點只有一個，故此類節(jié)點與其他節(jié)點之間的聯(lián)接為串聯(lián)。河道洪水演進(jìn)節(jié)點是洪水在河道中演進(jìn)的概化，它應(yīng)該有一個入流節(jié)點和一個出流節(jié)點，所以它與其他節(jié)點的聯(lián)接方式也為串聯(lián)。水量交匯節(jié)點是支流洪水交匯的節(jié)點，它又分為匯流節(jié)點、分流節(jié)點及復(fù)雜節(jié)點（既有匯流，又有分流），所以聯(lián)接方式一般為并聯(lián)或復(fù)雜聯(lián)接。水庫是流域中對水流進(jìn)行控制的節(jié)點，一般它應(yīng)該有一個或多個入流節(jié)點和一個出流節(jié)點，故為串聯(lián)或復(fù)雜聯(lián)接。閘門也是流域中對水流進(jìn)行控制的節(jié)點，它與其他節(jié)點的聯(lián)接方式與水庫節(jié)點類似。平原區(qū)是流域中洪水泛濫的地方，它的情況一般非常復(fù)雜，在洪水計算中通常都對它的邊界條件進(jìn)行簡化。

　　3節(jié)點聯(lián)接的拓?fù)浔硎痉?/strong>

　　流域洪水計算中，通常是要把流域進(jìn)行概化，圖3是一幅流域概化節(jié)點圖。這樣一張節(jié)點圖能夠直觀地反映洪水在流域內(nèi)的流動方向，也反映了洪水計算的順序。在某些節(jié)點沒有計算之前，其他節(jié)點是不能計算的。最常見的情況就是一些節(jié)點的入流就是其他節(jié)點的出流，我們只有計算出上節(jié)點的出流，才能計算下節(jié)點的洪水過程。

　　在許多情況下，流域概化節(jié)點圖在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上是圖而不是樹。圖和樹的區(qū)別在于：圖中的任意兩個節(jié)點之間都有可能相關(guān)，節(jié)點之間的鄰接關(guān)系是任意的；而在樹形結(jié)構(gòu)中，節(jié)點具有層次關(guān)系，每一層的節(jié)點只能與上一層中最多一個節(jié)點相關(guān)。圖結(jié)構(gòu)描述了一種復(fù)雜的數(shù)據(jù)對象，具有廣泛的應(yīng)用。

圖2幾種類型節(jié)點的聯(lián)接方式

　　這里首先引入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中圖的定義和術(shù)語。圖（Graph）G是由兩個集合V和E組成，記為G=（V，E）。V是圖中頂點（vertex）的集合；E是邊的集合。頂點和頂點之間的連線稱為邊，若邊是有向的，則圖成為有向圖，否則成為無向圖[4].若v，w是兩個頂點，則從v到w的有向邊成為一條狐，記為，從v到w的無向邊則記為（v，w）。

　　圖是一張有向的連通圖。為了知道節(jié)點之間的計算先后順序，用一種最簡單的拓?fù)潢P(guān)系來表達(dá)節(jié)點之間的聯(lián)接：將圖拆分成最小的子圖，子圖只包括一個起始節(jié)點、一個終止節(jié)點以及這兩個節(jié)點的聯(lián)接。只需在數(shù)據(jù)庫中建立一張節(jié)點鄰接表（NodesLink），就可以把所有的子圖的聯(lián)接關(guān)系反映在數(shù)據(jù)庫里，從而搞清楚整個流域內(nèi)節(jié)點的聯(lián)接關(guān)系。圖3的節(jié)點鄰接表如表1所示。

圖3流域概化節(jié)點（圖）

圖4節(jié)點鄰接矩陣

表1節(jié)點鄰接

　　圖的存儲結(jié)構(gòu)還可以用鄰接矩陣來表示。圖3可以用圖4所示的矩陣來表示。流域共有28個節(jié)點，所以該矩陣是28×28的方陣。該矩陣具有如下的性質(zhì)：

　　其物理意義也很清楚，例如，A[1，3]=1表示P1和R1是連通的，而且方向是從P1指向R1.而A[3，1]=0則表示雖然P1和R1連通，但是方向不能逆轉(zhuǎn)，即不能從R1指向P1.這樣一來，整個流域內(nèi)洪水的流動方向都可以從該矩陣中得到了反映。

　　用鄰接矩陣表示法來存儲圖，在計算機(jī)程序中可用如下方法實現(xiàn)：定義一個一維數(shù)組來存儲各個節(jié)點的信息，例如節(jié)點類型等；定義一個二維數(shù)組來存儲圖4所示的鄰接矩陣；定義兩個整型變量分別儲存圖的節(jié)點數(shù)和邊數(shù)；定義一個整型變量來表示圖的類型，例如用0表示無向圖，1表示有向圖等等。

　　4流域洪水計算

　　流域洪水計算就是要搞清楚水在流域內(nèi)的運動、分布和存儲情況。計算包括暴雨模擬、產(chǎn)匯流、河道洪水演進(jìn)、流域內(nèi)水利工程調(diào)度、平原區(qū)洪水泛濫以及潮位模擬等一系列過程直到洪水流入大海。降水量扣除蒸散發(fā)、植物截留、洼地儲蓄以及補充土壤含水量等水量損失，剩下的部分為凈雨量，即產(chǎn)生徑流的雨量。凈雨量的計算稱之為產(chǎn)流計算。分布在流域各處的凈雨，從不同地方向流域出口斷面匯集的過程乃是流域匯流的過程，匯流計算的目的就是計算流域出口斷面的洪水過程。洪水在河槽中的運動過程，我們稱之為河道洪水演進(jìn)。洪水水流受到水利工程（如閘門、水庫）的調(diào)蓄和控制，需要進(jìn)行洪水的調(diào)度計算。另外洪水在平原區(qū)的流動情況我們稱之為平原區(qū)的洪水泛濫。無論是產(chǎn)匯流計算，還是洪水演進(jìn)計算，以及洪水泛濫的計算等，都有比較成熟的水文、水力學(xué)模型來實現(xiàn)。問題是用什么樣的辦法才能把流域洪水計算的模型有機(jī)地結(jié)合在一起，實現(xiàn)流域內(nèi)洪水計算的一體化。

圖5深度優(yōu)先遍歷算法的程序框

表2R類節(jié)點屬性

表3P類節(jié)點屬性

　　前面介紹了如何把流域概化成為節(jié)點圖，下面將分析如何利用節(jié)點圖來幫助進(jìn)行洪水計算。假設(shè)我們采用節(jié)點鄰接表（如表1）來表示圖的存儲結(jié)構(gòu)，再建立節(jié)點屬性表，節(jié)點屬性表包括節(jié)點編號、節(jié)點所采用的計算模型及其參數(shù)等信息。表2、表3是節(jié)點屬性表。

　　在進(jìn)行洪水計算時，可以選擇流域內(nèi)任意一個節(jié)點V，用深度優(yōu)先遍歷法對其上游節(jié)點搜索。深度優(yōu)先遍歷的思想是：從圖中V節(jié)點出發(fā)，從節(jié)點鄰接表中任意選擇一個未被訪問的V的鄰接節(jié)點W，從W出發(fā)，繼續(xù)深度優(yōu)先搜索，直到圖中所有和V有路徑相通的上游節(jié)點都已經(jīng)計算完畢，再開始計算V節(jié)點。這樣我們可以方便地知道流域內(nèi)任何節(jié)點的洪水情況。注意不同類型的節(jié)點所選用的計算模型是不同的，模型的選擇以及模型參數(shù)正是通過節(jié)點屬性表進(jìn)行選擇。下面以圖5（取名為G）為例給出深度優(yōu)先搜索的非形式算法的框圖，算法中設(shè)一個標(biāo)志數(shù)組visited，該數(shù)組設(shè)為全局變量，數(shù)組長度就是圖的頂點數(shù)，初始值都設(shè)為0，表示均未被訪問，當(dāng)某個節(jié)點Vi被訪問過，則把visited數(shù)組所對應(yīng)的分量設(shè)為1。

　　將這種辦法應(yīng)用到防洪預(yù)報調(diào)度決策支持系統(tǒng)當(dāng)中，可以很方便地解決決策者與系統(tǒng)的交互問題。例如，決策者可以選擇任意一個自己所關(guān)心的節(jié)點，設(shè)定好預(yù)報調(diào)度方案后，針對該節(jié)點進(jìn)行計算，系統(tǒng)會自動向上搜索與該節(jié)點相關(guān)的節(jié)點，在計算完這些節(jié)點以后回到該節(jié)點，此時該節(jié)點計算的邊界條件已經(jīng)確定，就可以對該節(jié)點進(jìn)行計算了。如果決策者對此次計算的結(jié)果不滿意，還可以重新設(shè)定預(yù)報調(diào)度方案，然后再次對該節(jié)點進(jìn)行計算直到得出滿意的結(jié)果。如果決策者想要一次計算流域內(nèi)所有的節(jié)點，可以選擇流域出口節(jié)點作為計算的節(jié)點，這樣當(dāng)計算完出口節(jié)點之后，流域內(nèi)所有的節(jié)點也就計算完了�？梢灾苯油ㄟ^結(jié)果查看界面查看所有節(jié)點的信息。

　　5結(jié)束語

　　本文分析了流域洪水計算模型系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系的方法：先對復(fù)雜流域進(jìn)行概化，得到一張流域節(jié)點圖，然后建立流域內(nèi)各個節(jié)點之間的聯(lián)接關(guān)系（可以用鄰接表或鄰接矩陣來表示），并將這種關(guān)系反映在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，用深度優(yōu)先遍歷的方法并與模型庫相結(jié)合進(jìn)行計算就可以順利完成系統(tǒng)集成。這種方法概念清晰。靈活有效，而且能夠使模型庫與系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。用節(jié)點聯(lián)接替代原先的模型耦合的辦法有如下好處：

　�。�1）計算時對同一類型的節(jié)點可以方便地選擇不同的計算模型，例如，產(chǎn)匯流模型可以用新安江模型也可以用水箱模型，這充分體現(xiàn)了模型庫建設(shè)的思想；

　�。�2）用節(jié)點聯(lián)接的方式來集成模型系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的靈活性，例如，我們可以方便地添加、刪除節(jié)點或者改變節(jié)點的聯(lián)接方式以使流域節(jié)點圖能最真實地反映實際情況；

　�。�3）模型相對獨立體現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計模塊化的思想，符合當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)、計算模擬技術(shù)發(fā)展的潮流。該方法在“鱔流域洪水預(yù)報調(diào)度決策支持系統(tǒng)”中得到應(yīng)用，實踐證明，這種辦法可以提高系統(tǒng)運行的效率，大量減少程序運行的時間。此法用于復(fù)雜河網(wǎng)（例如有環(huán)行水流）的計算時有缺陷，如環(huán)形結(jié)構(gòu)中兩個節(jié)點往往互為條件，在遞歸調(diào)用的時候會出現(xiàn)死循環(huán)。水文工作者可以在不斷的應(yīng)用中還可以根據(jù)實驗情況做相應(yīng)的變換和改進(jìn)，以完善這種方法。況做相應(yīng)的變換和改進(jìn)，以完善這種方法。