楊 洋

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

航電樞紐工程施工度汛貫穿工程建設(shè)的全過程，在施工過程中如何全面掌控施工期上游來水流量，分析施工期洪水對樞紐區(qū)各防洪對象的安全是否構(gòu)成威脅，及時(shí)做出應(yīng)對措施，降低洪水對施工期度汛的風(fēng)險(xiǎn)，已成為航電樞紐工程施工期安全亟待解決和值得研究的重要內(nèi)容[1–3]。目前已有的度汛信息化系統(tǒng)，多集中于數(shù)據(jù)層面的實(shí)時(shí)展示，且主要通過上游監(jiān)測站流量判斷是否會對樞紐工程造成威脅，預(yù)警信息不直觀，風(fēng)險(xiǎn)分析不全面。由于洪水演進(jìn)過程十分復(fù)雜，并非簡單的線性關(guān)系，必須通過構(gòu)建洪水演進(jìn)模型才能準(zhǔn)確得到洪水流態(tài)、淹沒范圍和水深等信息。再進(jìn)一步結(jié)合 GIS 強(qiáng)大的可視化技術(shù)與數(shù)據(jù)分析能力，疊加防洪要素信息，得到洪水影響范圍與程度信息，才能為航電樞紐工程施工期度汛提供直觀、可靠、及時(shí)的決策輔助信息[4]。

面對這些問題及挑戰(zhàn)，基于三維 GIS 技術(shù)，從數(shù)據(jù)整合、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警預(yù)報(bào)等多個方面進(jìn)行探索與嘗試，進(jìn)行航電樞紐工程施工期智能度汛系統(tǒng)（以下簡稱智能度汛系統(tǒng)）的建設(shè)，以科技為基礎(chǔ)，智能為網(wǎng)，打好防汛預(yù)警“主動仗”，為工程施工期建設(shè)保駕護(hù)航。

1 建設(shè)內(nèi)容與技術(shù)路線

1.1 建設(shè)內(nèi)容

智能度汛系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容主要包括：

1）構(gòu)建調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。滿足智能度汛系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲及調(diào)用需求，并與水情系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接，供水文計(jì)算使用。

2）構(gòu)建水情預(yù)報(bào)模塊。實(shí)現(xiàn)水情信息預(yù)報(bào)預(yù)警，樞紐區(qū)洪峰量級動態(tài)預(yù)報(bào)分析。

3）構(gòu)建洪水演進(jìn)分析模塊。進(jìn)行水文資料整理匯編、勘測分析、邊界條件率定，同時(shí)構(gòu)建施工期洪水演進(jìn)模型，滿足不同施工面貌洪水演算需求。

4）構(gòu)建三維 GIS 數(shù)據(jù)大屏展示模塊。基于 GIS技術(shù)，構(gòu)建樞紐三維展示系統(tǒng)，接入水文分析模塊計(jì)算成果，進(jìn)行動態(tài)三維可視化展示，為防洪度汛提供決策支撐。

1.2 技術(shù)路線

基于智能度汛系統(tǒng)實(shí)際需要，采用 B/S 架構(gòu)，前端采用 Vue.js 漸進(jìn)式框架及 Cesium 二三維地圖引擎，數(shù)據(jù)庫采用 PostgreSQL 對象-關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ORDBMS），并采用遵循 OpenGIS 規(guī)范的 PostGIS 為系統(tǒng)提供空間信息服務(wù)功能，如空間對象、索引、操作函數(shù)和操作符等。智能度汛系統(tǒng)建設(shè)完成后，能對樞紐區(qū)（庫區(qū)）河道洪水流態(tài)進(jìn)行展示，并與圍堰、堤防、敏感要素等進(jìn)行空間分析，從而為施工度汛決策提供支撐，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 智能度汛系統(tǒng)技術(shù)路線圖

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

智能度汛系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)地理信息、三維地理空間、水情監(jiān)測及預(yù)報(bào)、洪水演進(jìn)分析和其他等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源包括水文站點(diǎn)監(jiān)測、水情測報(bào)成果、工程與運(yùn)維管理等。數(shù)據(jù)來源多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理分析，并在相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和安全度汛實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，建立以 GIS 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、多種數(shù)據(jù)形式共存的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[5–6]。

此外，應(yīng)制定數(shù)據(jù)庫接入規(guī)范及共享服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)數(shù)據(jù)共享互通機(jī)制，提高度汛數(shù)據(jù)的共享服務(wù)水平。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)內(nèi)容如表1所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)內(nèi)容

3 洪水演進(jìn)模型構(gòu)建

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對水動力學(xué)模型的研究成果較為豐富，成熟的洪水演進(jìn)模型軟件較多，智能度汛系統(tǒng)中的水文模型構(gòu)建采用 DHI MIKE 系列軟件進(jìn)行洪水演進(jìn)模型構(gòu)建，能通過輸入上游邊界入庫洪水過程，設(shè)置下游邊界條件，實(shí)現(xiàn)洪水在關(guān)注河段的模擬演進(jìn)，并能同步輸出水位、水深、流速、流向等計(jì)算成果，為航電樞紐工程施工期的安全度汛提供支撐。

3.1 數(shù)據(jù)資料收集

翔實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)資料是構(gòu)建洪水演進(jìn)模型的基礎(chǔ)，建模所需數(shù)據(jù)主要包括：工程區(qū)域所在河段及周邊區(qū)域的地形數(shù)據(jù)；不同施工期各建筑物位置、尺寸數(shù)據(jù)；河段上游控制斷面及周邊主要入流河道水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；航電樞紐建設(shè)前，岷江下游控制斷面實(shí)測水位流量關(guān)系曲線；河段周邊降雨蒸發(fā)數(shù)據(jù)；工程建設(shè)前或期間，一次洪水過程中的上游水文站實(shí)測流量、河段下游水位、水面線或洪痕等實(shí)測數(shù)據(jù)。

3.2 建模軟件選擇

由于 DHI MIKE 系列軟件中的二維非恒定流模型 MIKE 21 FM 具有簡單、快速、精確、可視性良好、計(jì)算速度快、復(fù)雜地形擬合較好等優(yōu)點(diǎn)，故智能度汛系統(tǒng)洪水演進(jìn)模型選用 MIKE 21 FM 進(jìn)行構(gòu)建。MIKE 21 FM 模型采用二維非恒定流方程組作為控制方程，數(shù)值計(jì)算方法采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法[7–8]，不僅可計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)不同時(shí)刻的水位及流速值，還能量化表征各動力場要素的平面分布特征。

智能度汛系統(tǒng)中已接入水情測報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)流量數(shù)據(jù)，當(dāng)預(yù)報(bào)流量超過設(shè)置的流量閾值后，MIKE軟件構(gòu)建的洪水演進(jìn)模型，會自動調(diào)用 WebAPI 接口進(jìn)行在線計(jì)算，也可通過手動輸入流量進(jìn)行自定義分析，故智能度汛系統(tǒng)的洪水演進(jìn)模型支持在線與離線 2種計(jì)算模式。

在智能度汛系統(tǒng)中，洪水演進(jìn)模型的邊界條件支持以下 2種方式輸入：

1）接入未來 24 h 逐時(shí)預(yù)報(bào)流量，通過 JSON 格式傳遞進(jìn)行在線計(jì)算，服務(wù)器計(jì)算耗時(shí)約為 10 min。

2）輸入自定義流量值，服務(wù)器進(jìn)行離線計(jì)算，計(jì)算耗時(shí)約為 7 min。

2種計(jì)算模式耗時(shí)均較低，滿足工程施工期對智能度汛預(yù)報(bào)的時(shí)效性要求。

3.3 模型搭建與率定

根據(jù)工程度汛需要，對航電樞紐工程上下游10 km 范圍進(jìn)行洪水演進(jìn)模型構(gòu)建，并基于實(shí)測水文觀測數(shù)據(jù)，通過調(diào)整河道主槽、灘區(qū)的糙率，校核邊界輸入條件等，開展模型率定，使得河道典型斷面計(jì)算水位或流量與實(shí)測數(shù)值相吻合，從而準(zhǔn)確描述工程區(qū)域的洪水演進(jìn)過程。典型斷面流量過程率定示意圖如圖2所示。

圖2 典型斷面流量過程率定示意圖

3.4 典型洪水演進(jìn)方案計(jì)算

基于已率定的洪水演進(jìn)模型進(jìn)行分析計(jì)算，可自定義輸入不同流量條件，模擬分析不同流量條件下航電樞紐工程區(qū)域洪水動態(tài)演進(jìn)過程，并以基于時(shí)序的方式對洪水演進(jìn)的路徑、時(shí)間、水位，以及淹沒水深、范圍和歷時(shí)等進(jìn)行展現(xiàn)。洪水流態(tài)效果如圖3所示。

圖3 基于時(shí)序的洪水演進(jìn)效果

4 系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

智能度汛系統(tǒng)為 B/S 架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫、水文模型、GIS 空間數(shù)據(jù)等均存儲在服務(wù)器上，用戶通過瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的訪問。相較于以往度汛信息化系統(tǒng)，智能度汛系統(tǒng)具有預(yù)報(bào)預(yù)警自動化、洪水演進(jìn)可視化效果好、統(tǒng)計(jì)分析功能豐富、操作簡單等特點(diǎn)與優(yōu)勢。智能度汛系統(tǒng)功能模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）可視化大屏展示功能。主要包括三維 GIS 場景、水位流量與斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)、樞紐工程處預(yù)報(bào)流量的展示，以及洪水預(yù)警、統(tǒng)計(jì)等功能，能實(shí)現(xiàn)對樞紐工程的實(shí)景展示及水文水情數(shù)據(jù)的可視化。

2）度汛一張圖功能。主要包括水文、雨量監(jiān)測，特征斷面、河道水情、水庫水情的數(shù)據(jù)查詢展示，以及三維 GIS 場景中的測量、圖層管理、動態(tài)標(biāo)繪標(biāo)注等功能。

3）臺賬報(bào)表功能。主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)及接口服務(wù)的管理功能，包括水情監(jiān)測與預(yù)報(bào)、洪水演進(jìn)分析結(jié)果、防洪要素等數(shù)據(jù)及與其他相關(guān)系統(tǒng)的共享接口服務(wù)等。

4）模擬分析功能。包括洪水預(yù)案分析、自定義分析、流態(tài)模擬，淹沒效果模擬、影響分析，以及敏感性評價(jià)等子功能模塊。模擬分析功能是智能度汛系統(tǒng)的核心與重點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)接入預(yù)報(bào)流量數(shù)據(jù)或手動輸入流量值，調(diào)用洪水演進(jìn)模型進(jìn)行在線計(jì)算，通過計(jì)算服務(wù)器計(jì)算后可得到分析結(jié)果，并在三維 GIS 場景中對樞紐防洪要素的淹沒情況進(jìn)行可視化展示與預(yù)警。智能度汛系統(tǒng)淹沒影響分析如圖4所示。

圖4 智能度汛系統(tǒng)淹沒影響分析

智能度汛系統(tǒng)的建設(shè)，解決了項(xiàng)目數(shù)據(jù)來源多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存儲分散，洪水演進(jìn)模型構(gòu)建難度大，基于時(shí)序進(jìn)行洪水演進(jìn)可視化模擬分析技術(shù)難等一系列問題，從監(jiān)測預(yù)警、受災(zāi)評估、綜合研判等方面，為航電樞紐工程安全、智能度汛提供了技術(shù)支撐和保障。具體應(yīng)用效果如下：

1）提高了汛情預(yù)報(bào)、預(yù)警水平。汛情預(yù)報(bào)、預(yù)警需要有豐富的數(shù)據(jù)源作支撐，智能度汛系統(tǒng)除接入上游已有的水情監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)外，還通過數(shù)據(jù)共享服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)通航、水情測報(bào)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入，進(jìn)一步豐富了汛情預(yù)報(bào)、預(yù)警的數(shù)據(jù)源，提高了汛情的預(yù)報(bào)、預(yù)警能力。

2）強(qiáng)化了洪水淹沒分析及受災(zāi)評估能力。基于GIS 強(qiáng)大的時(shí)空分析能力，在洪水演進(jìn)模型分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了洪水淹沒過程的可視化模擬。同時(shí)，疊加航電樞紐工程的防洪敏感建筑物及構(gòu)筑物，利用 GIS 完成淹沒分析并評估受災(zāi)情況，做到有針對性的防洪度汛。

3）增強(qiáng)了汛情綜合研判及輔助決策能力。智能度汛系統(tǒng)不僅提高了洪水預(yù)報(bào)、預(yù)警水平，強(qiáng)化了洪水過程的預(yù)演能力，也為汛情的綜合研判提供了技術(shù)支撐，并為制定科學(xué)有效的洪水預(yù)案奠定了基礎(chǔ)，從而增強(qiáng)了汛情的輔助決策能力。

5 結(jié)語

智能度汛系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對洪水演進(jìn)過程的準(zhǔn)確模擬及直觀展示，再疊加防洪要素進(jìn)行 GIS 分析，得到洪水影響范圍和程度，對航電樞紐工程施工期的安全、科學(xué)度汛起到重要作用。當(dāng)然，由于洪水演進(jìn)模型并不具備通用性，因此本研究中的洪水演進(jìn)模型只適用于建模區(qū)域內(nèi)的航電樞紐工程，其他河段的航電樞紐工程則需單獨(dú)構(gòu)建洪水演進(jìn)模型。但在技術(shù)路線、系統(tǒng)架構(gòu)上具有較好的通用性，且相較于目前已有的防洪度汛信息化系統(tǒng)，本研究所建航電樞紐工程智能度汛系統(tǒng)在洪水演進(jìn)模擬、防洪要素分析、預(yù)警信息發(fā)布等方面具有優(yōu)勢，在樞紐工程施工期防汛預(yù)警工作中具有重要意義。同時(shí)，智能度汛系統(tǒng)在流域防洪、聯(lián)合調(diào)度等系統(tǒng)建設(shè)方面也具有參考價(jià)值。