洪水灾害是大自然维持能量平衡的重要途径,为了趋利避害,各类拦蓄工程应运而生。然而,我国修建于大跃进时期的中小型水库普遍存在建设标准低、工程质量差、预报调度体系缺乏等问题,溃坝事故频繁发生,严重威胁下游安全。受经济、技术条件限制,中小型水库对自身水文气象资料的掌握程度远不及大型水库与河川径流,难以直接应用目前发展较为完备的流域水文模型进行洪水预报。同时,基于库容曲线、二维标尺、洪水风险图等传统技术手段,无法直观形象的表达集水区接受汛期暴雨后,库区在未来有效时段内可能遭受的洪水威胁,尤其是坝体不同部位的受淹形态。因此,建立具有一定针对性和实用性的中小型水库防洪预警手段,并在三维虚拟场景中直观、有效的模拟库区水位抬升,揭示潜在风险,为其泄洪调度方案的优化制定提供决策支持,这对于我国水库洪水预报调度体系的完善,及信息化管理水平的提高具有重要意义。在实测资料较为受限的条件下,构建了针对汛期强降雨的中小型水库累计入库洪量计算模型。将传统只用作显示浏览的坝体三维模型与库区GIS地形场景无缝融合,形成一体化库区三维虚拟场景。以真实连续的下垫面进行淹没模拟及水位-库容关系推求。基于累计洪量计算与优化后的库区三维虚拟场景,实现高水位在地形和坝体建筑上的可视化表达。论文研究在三维GIS场景构建与空间分析的理论与方法上具有一定创新性,并为中小型水库汛期暴雨后的洪水风险与优化调度提供了一种新的计算表达环境。主要研究工作与成果如下:(1)长江中下游地区中小型水库具有气候湿润、植被丰富,同时面积较小的集水区域,汛期暴雨易形成洪水快速入库,威胁库区安全。通过构建双层前期土湿与产流计算模型,形成中小型水库累计入库洪量计算模型。模型上层土壤接受降雨,参与蒸发,形成地表径流;下层土壤接受上层渗漏,形成地下径流;以地表地下径流之和,求解直至次日的累计入库洪量。基于横山水库降雨量与坝前水位的历史实测资料推求模型相关参数,筛选单日累计降雨大于大雨级别的数据进行验证。结果表明,针对大暴雨及以上(包含接近大暴雨)级别的降雨,计算结果较为准确。在此基础上,将模型应用于水文气象条件近似的其他中小型水库,以验证其适用性。本模型针对性强,所需参数较少,对于长江中下游地区中小型水库汛期防洪工作具有一定实用价值。(2)提出一种无缝融合三维GIS地形与坝体模型,构建一体化库区三维虚拟场景的方法。基于库区多源空间数据,构建水面上下完整高程点集合,以保留沿岸、岛屿的地形特征。分析人工建筑三维模型不包含内部拓扑关系,并存在顶点冗余、表面裂缝、体元交叉的问题。提出一种建立辅助特征高程平面的方法,将比例与姿态正确的坝体模型间接修正至合理高度。通过提取融合边界,淘汰内部高程点,构建包含空洞的地形三角网,从而无缝融合坝体模型。该研究能够较好的还原库区整体下垫面形态,解决了以往三维虚拟场景构建时地形与水工建筑难以有效融合的问题,并为中小型水库水位精细模拟提供计算与可视化的环境。(3)设计了一种基于确定水位的三维虚拟场景淹没算法,其中地形以邻接迭代扩展确定受淹范围;坝体模型以高程比较,及离散体元轴对齐包围盒相交判断确定迎水面受淹形态。由此提出一种兼顾重要水工建筑表面形态的中小型水库水位-库容关系确定方法,对传统方法构建的库容曲线进行了有效延长。设计了一种面向高效淹没模拟的库区三维虚拟场景优化方法。以可控的精度、效率权重,控制地形下垫面离散程度与水位判定比较次数,从而获得针对不同水位的简化场景,提高淹没模拟与水位渲染的效率。本研究拓宽了传统三维建筑模型的应用领域,并为涉及人工建筑等特殊下垫面形态的空间分析提供了思路。(4)针对宜兴市横山水库,构建"中小型水库雨洪高水位模拟原型系统",应用于泄洪调度辅助决策的实际工作中。在探讨系统体系结构、功能模块、核心数据结构,以及三维可视化技术的基础上,以2012年汛期8月8日的大暴雨,进行累计入库洪量计算与雨洪高水位模拟,从而验证系统的精度与实用性。