長江口航道信息平臺(tái)建設(shè)和后續(xù)開發(fā)設(shè)想

陳衛(wèi)中

（交通運(yùn)輸部長江口航道管理局，上海 200003）

0 引言

在長江三角洲地區(qū)憑借其自身雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和重要的地理位置成為我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)，該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展對長江口航運(yùn)的需求不斷提高。長江口為巨型多沙河口，航道整治和維護(hù)的難度堪稱世界之最。因此航道規(guī)劃、科研、建設(shè)、維護(hù)和管理對長江口歷來和今后長期形成的成千上萬數(shù)據(jù)信息資源的整合利用提出了新的要求，建設(shè)具有長江口航道特性的數(shù)字信息管理成為燃眉之急。

交通運(yùn)輸部長江口航道管理局委托由中交水規(guī)院和上海春升科技發(fā)展公司共同開發(fā)了“長江口水文及水下地形信息管理平臺(tái)”項(xiàng)目，從2007年開始建設(shè)，于2010年基本建設(shè)完成。該平臺(tái)對提高長江口航道規(guī)劃、科研、建設(shè)、維護(hù)和管理數(shù)字信息的集成化、促進(jìn)今后航道管理和為航道管理提供輔助決策支持具有重要的意義。經(jīng)過近2 a的試運(yùn)行，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 長江口水文及水下地形信息管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 總體框架設(shè)計(jì)思路

通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地理信息系統(tǒng)“GIS”和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的集成，新開發(fā)建設(shè)一個(gè)地域上涵蓋長江口徐六涇以下整個(gè)長江口水域（至長江口外水深-20 m等深線），以長江口內(nèi)6個(gè)潮位站、7個(gè)浮標(biāo)測站（流速、含砂量、水文及含鹽度）、2個(gè)波浪站（波浪和風(fēng)速風(fēng)向）和其他設(shè)置的浮標(biāo)，以及大量的水下地形測量等處采集數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行水文數(shù)據(jù)整合分析、水下地形整合、航道回淤分析等應(yīng)用為目標(biāo)的“長江口航道信息管理平臺(tái)”（以下簡稱為“該平臺(tái)“）。

“該平臺(tái)”由數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用系統(tǒng)和管理系統(tǒng)構(gòu)成，總體框架見圖1所示。數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效整合及規(guī)范化管理；應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)常規(guī)數(shù)據(jù)處理分析業(yè)務(wù)的軟件自動(dòng)化操作；管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的穩(wěn)定與可持續(xù)運(yùn)行，保證信息數(shù)據(jù)的安全與同步更新。平臺(tái)設(shè)計(jì)遵循模塊化、通用化、系列化的基本原則，具有實(shí)用性、可靠性、可擴(kuò)展性等性能的特點(diǎn)。

圖1 “長江口水文及水下地形信息管理平臺(tái)”總體框架圖

1.2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫包括水文數(shù)據(jù)庫、地形數(shù)據(jù)庫、航道數(shù)據(jù)庫和涉水工程數(shù)據(jù)庫4個(gè)數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)中考慮了數(shù)據(jù)的兼容。數(shù)據(jù)庫的容量沒有限制，原則上容量可以任意大。

（1）水文數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)長江口相關(guān)水文測驗(yàn)數(shù)據(jù)和歷史水文數(shù)據(jù)，包括長江口水域施測的約50條水文固定垂線測驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中每季度測1次約10條垂線的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)；8條固定測流斷面（其中5條每季度1次監(jiān)測）；上游大通站來水來沙數(shù)據(jù)及其他相關(guān)約50個(gè)水文站的潮位數(shù)據(jù)；長江口水文、泥沙、波浪自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)。水文要素包括垂線分層流速、流向、垂線分層含沙量、垂線分層含鹽度、水溫、風(fēng)速、風(fēng)向、潮位、流量、輸沙率等，其中，垂線測驗(yàn)數(shù)據(jù)分六層。其他要素包括潮位站、水文測驗(yàn)斷面、水文測驗(yàn)垂線、浮標(biāo)、河床底質(zhì)采樣等。

（2）地形數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)長江口水下相關(guān)地形監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用空間數(shù)據(jù)庫，包括長江口水域施測的水下地形數(shù)據(jù)；從相關(guān)部門獲得的地形數(shù)據(jù)和歷史海圖（海圖數(shù)字化）、長江口南港-北槽地形測圖；寶山南、北水道局部監(jiān)測圖分別為20幅和45幅。地形要素包括：長江口地形水深測點(diǎn)、地形岸線等。其他要素主要描述其他地形相關(guān)要素信息，如長江口航道管理局長江口地形定期監(jiān)測固定斷面信息、地圖分幅信息等。地形水深點(diǎn)采用三維矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，地形岸線和監(jiān)測固定斷面等線狀要素用二維矢量線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（3）航道數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)航道相關(guān)信息。航道要素包括航道、航標(biāo)位置、航道疏浚單元等。航道單元信息包括名稱、概況、地理位置等。此外，航道疏浚單元信息還包括單元面積、疏浚量、平均水深等。航道單元采用空間矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？臻g坐標(biāo)系統(tǒng)一采用北京54坐標(biāo)。

（4）涉水工程數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)相關(guān)涉水工程基本信息，岸線數(shù)字化、相關(guān)涉水工程邊界線數(shù)字化。涉水工程包括：航道工程、江堤丁壩、港口碼頭、光纜管線、橋梁隧道等。涉水工程要素信息主要包括工程的位置、建設(shè)規(guī)模、斷面結(jié)構(gòu)等。

1.3 應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用系統(tǒng)包括水文整編與統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)、河床沖淤演變分析系統(tǒng)和航道回淤分析系統(tǒng)。水文整編與統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的功能是通過水文整編與統(tǒng)計(jì)分析建模，實(shí)現(xiàn)水文要素特征值的自動(dòng)計(jì)算；河床沖淤演變分析系統(tǒng)的功能是通過地形分析建模，實(shí)現(xiàn)河床沖淤演變分析功能，通過GIS可視化，實(shí)現(xiàn)河道地形、河床沖淤結(jié)果的二維、三維可視化和河床歷史演變過程的二維動(dòng)畫演示；航道回淤分析系統(tǒng)的功能是通過航道回淤統(tǒng)計(jì)分析建模，實(shí)現(xiàn)航道各單元回淤特征值的自動(dòng)計(jì)算及回淤分布的可視化。

（1）整編與統(tǒng)計(jì)的水文要素主要包括長江口水文測驗(yàn)常規(guī)測驗(yàn)項(xiàng)目：垂線流速、流向、垂線含沙量、垂線含鹽度、斷面流量、斷面輸沙率和潮位等。此外，還包括河床底質(zhì)采樣數(shù)據(jù)。整編內(nèi)容主要指常規(guī)水文要素的統(tǒng)計(jì)值與特征值統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。垂線流速、流向資料整編內(nèi)容包括垂線平均流速、最大流速、最小流速、潮流歷時(shí)、單寬流量、單寬潮量、優(yōu)勢流、余流等。垂線含沙量整編內(nèi)容包括垂線平均含沙量、最大值、最小值、單寬輸沙率、單寬輸沙量、優(yōu)勢沙等。垂線含鹽度整編內(nèi)容包括垂線平均含鹽度，最大值、最小值等。斷面流量整編內(nèi)容包括斷面潮量計(jì)算等。潮位整編內(nèi)容包括高、低潮位統(tǒng)計(jì)、潮差統(tǒng)計(jì)等。河床底質(zhì)采樣分析內(nèi)容主要是河床底質(zhì)粒徑的空間分布和變化過程分析。水文整編與統(tǒng)計(jì)以圖形與報(bào)表為輸出方式。圖形有過程線、對比圖等。報(bào)表主要指各種水文整編常用統(tǒng)計(jì)報(bào)表，報(bào)表格式按專業(yè)常用格式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）河床沖淤演變分析的數(shù)據(jù)源主要是離散的河道地形水深測點(diǎn)，因此河床地形構(gòu)建以三角網(wǎng)地形為主。此外，三角網(wǎng)地形還具有最大程度保留原始河道地形監(jiān)測數(shù)據(jù)精度的優(yōu)點(diǎn)。除三角網(wǎng)外，地形還有柵格表現(xiàn)方式。柵格地形由地形離散點(diǎn)或三角網(wǎng)插值生成。柵格地形對地形表面進(jìn)行了插值處理，當(dāng)?shù)匦坞x散點(diǎn)精度有限時(shí)，柵格地形在某些分析處理上能夠取得較好的效果。河床沖淤演變分析內(nèi)容主要包括地形水深提取、斷面分析、等深線分析、容積（體積）計(jì)算和沖淤分析。可視化包括地形可視化、沖淤結(jié)果可視化、河床演變過程二維動(dòng)畫演示、等深線變化過程二維動(dòng)畫演示等。地形、沖淤可視化包括二維和三維。

（3）航道回淤分析內(nèi)容包括：航道各單元的疏浚工程量(上、下方)、回淤量和平均水深的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。輸出結(jié)果包括：航道疏浚量分布圖、航道回淤量分布圖和航道單元平均水深圖等。

1.4 管理系統(tǒng)

管理系統(tǒng)的功能包括平臺(tái)管理和數(shù)據(jù)管理。平臺(tái)管理的內(nèi)容是用戶權(quán)限管理，針對不同用戶可以設(shè)不同權(quán)限，并賦以相應(yīng)的功能，用戶不能使用非授權(quán)的功能；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)錄入、更新、刪除與數(shù)據(jù)庫備份，平臺(tái)可通過用戶界面操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理，并且提供數(shù)據(jù)正確性與安全性驗(yàn)證機(jī)制。

網(wǎng)絡(luò)安全管理包括通信安全管理、防火墻安全管理、VPN安全管理等。為確保平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性，較長時(shí)間內(nèi)將平臺(tái)的安全性控制在一定范圍內(nèi)。安全控制措施包括：應(yīng)急處置機(jī)制和配套服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性監(jiān)測；網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品運(yùn)行監(jiān)測；定期檢查和評估；系統(tǒng)升級和補(bǔ)丁提供；跟蹤最新安全漏洞；災(zāi)難恢復(fù)機(jī)制與預(yù)防。

2 長江口水文及水下地形信息管理平臺(tái)主要功能

長江口水文及水下地形信息管理平臺(tái)的功能分成四個(gè)大模塊：應(yīng)用統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊、報(bào)表模塊、圖形曲線可視化模塊和水下地形分析模塊。

2.1 應(yīng)用統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊

一般情況下，由于工程性質(zhì)不同、研究目的不一，在分析的方法、內(nèi)容上應(yīng)有所不同和側(cè)重。對于航道整治工程的河勢演變分析應(yīng)側(cè)重在各個(gè)時(shí)段的河道沖淤變化規(guī)律，也即研究河勢演變與河流的水沙條件、動(dòng)力要素、河床組成等條件的變化分析。平臺(tái)為此建立優(yōu)勢流、優(yōu)勢沙計(jì)算、垂線平均流速、含沙量、含鹽度計(jì)算和斷面潮量計(jì)算、單寬潮流量、輸沙量計(jì)算等相關(guān)的計(jì)算模塊，同時(shí)建立垂線平均最大值和測點(diǎn)最大值流速的統(tǒng)計(jì)、斷面垂線和測點(diǎn)最大流速統(tǒng)計(jì)、垂線平均最大含沙量統(tǒng)計(jì)、懸沙和床沙顆粒分朽統(tǒng)計(jì)、波高、風(fēng)速風(fēng)向等統(tǒng)計(jì)模塊，供河勢演變分析應(yīng)用。圖2為優(yōu)勢流計(jì)算圖。

圖2 優(yōu)勢流計(jì)算圖

物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算是當(dāng)前河口整治方案研究中重要的技術(shù)手段，但模型是否與原型相似，需要進(jìn)行驗(yàn)證和率定。對水流模型的驗(yàn)證和率定，主要是水位驗(yàn)證、流速驗(yàn)證和潮量的對比驗(yàn)證（尤其是特征潮位，特征流速），同時(shí)，為配合動(dòng)床物理模型試驗(yàn)的模型沙選擇，平臺(tái)建立了懸沙和床沙顆粒分析統(tǒng)計(jì)模塊，配合平面二維水流、泥沙、鹽水入侵的數(shù)值模型，建立垂線底層最大和平均含沙量統(tǒng)計(jì)、垂線平均最大和最小含鹽度統(tǒng)計(jì)、垂線漲、落憩平均含鹽度統(tǒng)計(jì)等統(tǒng)計(jì)模塊。

2.2 報(bào)表模塊

報(bào)表形成模塊是將各種類型的經(jīng)過格式化、標(biāo)準(zhǔn)化的原始數(shù)據(jù)或經(jīng)過整編后的數(shù)據(jù)按規(guī)范化管理的要求自動(dòng)形成各種形式的表格、報(bào)表。報(bào)表主要采用各種水文整編常用統(tǒng)計(jì)報(bào)表，報(bào)表格式也按專業(yè)常用格式進(jìn)行設(shè)計(jì)。除個(gè)別未作規(guī)定的報(bào)表，其報(bào)表格式采用自行設(shè)計(jì)。報(bào)表包括：遙測遙報(bào)水文要素統(tǒng)計(jì)報(bào)表、垂線水文要素統(tǒng)計(jì)報(bào)表、斷面水文要素統(tǒng)計(jì)報(bào)表、潮位統(tǒng)計(jì)報(bào)表、河床質(zhì)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和各水文要素計(jì)算成果表。

報(bào)表形成模塊又按各類原始數(shù)據(jù)的輸入和成果輸出的要求不同，又分成遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊、人工實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊。各自均有若干個(gè)特征值、統(tǒng)計(jì)特征值計(jì)算功能組成。

2.3 圖形曲線可視化模塊

圖形模塊按不同需要顯示又分為時(shí)間序列圖形顯示模塊，單個(gè)要素結(jié)合地理信息系統(tǒng)的平面分布顯示模塊二大類。圖形模塊的功能和作用是將現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和遙測系統(tǒng)的海量水文要素信息，通過計(jì)算機(jī)的視頻效果，將不同的要素?cái)?shù)據(jù)鏈的過程線及其組合在同一視頻上顯示出來，甚至可將各要素在縱向、橫向、平面上的分布情況從圖形上顯示出來，將其本身固有的自然規(guī)律和各水文要素之間的相互關(guān)系用可視化反映出來。

將數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的各類要素經(jīng)整編后的遙測和實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)圖形形成模塊，分類為單站單要素圖、組合圖形圖和單個(gè)要素結(jié)合地理信息系統(tǒng)的圖。單站單要素圖將各單個(gè)要素的數(shù)據(jù)以時(shí)間順序排列的圖形顯示，以直觀形象反映要素?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)的整個(gè)過程。充分反映了其本身固有的自然規(guī)律，便于對資料的檢查和分析。單站單要素圖（圖3）顯示有以下幾種：

潮位過程線、垂線平均流速過程線圖、垂線平均流向過程線圖、各分層流速過程線圖、各分層流向過程線圖、垂線表層含沙量過程線圖、垂線表層含鹽度過程線圖、垂線表層水溫過程線圖、測站風(fēng)速、風(fēng)向玫瑰圖、測站氣溫過程線圖、測站波高柱狀圖。組合圖形圖可將各類要素的圖形放在同一屏幕上顯示出來，以便使要素本身固有的自然規(guī)律和各水文要素之間的相互關(guān)系反映出來。其中包括三種類型：單站多要素、多站單要素、多站多要素（見圖4）。單個(gè)要素結(jié)合地理信息系統(tǒng)的圖有單要素?cái)嗝娴戎稻€圖和單個(gè)要素的平面變化圖。圖5為水流流速矢量分布圖。

圖3 單站單要素圖形圖

2.4 水下地形分析模塊

圖4 多站多要素圖

圖5 水流流速矢量平面分布圖

水下地形分析模塊包括從采集數(shù)據(jù)的管理和斷面、等深線、沖淤、航道等分析功能。水深勘測數(shù)據(jù)的集中管理和累計(jì)采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)將測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，為以后資料的累計(jì)、管理和分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采用斷面法進(jìn)行地形定量分析可以針對某一深度的斷面寬度、斷面面積等內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以用于航道等的定量分析和對比分析。采用等深線分析地形演變針對不同時(shí)期的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行同一深度值的等深線分析并進(jìn)行疊加，可以定性分析該區(qū)域地形的演變情況。圖6為等深線圖。利用DEM進(jìn)行沖淤分析可以采用三角網(wǎng)法或者斷面法進(jìn)行沖淤量計(jì)算為生產(chǎn)和研究提供依據(jù)。航道設(shè)計(jì)和工程量計(jì)算在確定了航道中心線、左右邊坡、岸線深度、超深超挖等即可計(jì)算出航道設(shè)計(jì)斷面模擬航道設(shè)計(jì)地形及航道疏浚工程量。

圖6 等深線圖

3 下一步開發(fā)的設(shè)想

長江口水文及水下地形信息管理平臺(tái)于2010年初步建成。目前在長江口的河勢演變和航道變化分析、航道回淤及疏竣分析、鹽水入侵和風(fēng)浪掀沙對航道的影響研究等方面發(fā)揮作用。

雖然長江口深水航道治理工程12.5 m深水航道已于2010年建成通航，但將隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對水運(yùn)需求的不斷提升，《長江口航道發(fā)展規(guī)劃》確定的“一主(主航道)兩輔(南槽、北港航道)一支(北支航道)”航道體系目標(biāo)將終究會(huì)實(shí)現(xiàn)。所以，更需要長江口水文信息管理工作的不斷深化，需要該平臺(tái)的不斷升級。下面提出幾點(diǎn)設(shè)想。

3.1 由長江口局部的信息化向長江口全息化邁進(jìn)

該平臺(tái)所收集的信息，從長遠(yuǎn)發(fā)展和管理角度看，這些信息內(nèi)容還顯不足。設(shè)想，在現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步開發(fā)形成更加智能、更加通用、更適合長江口航道管理局管理職能的管理平臺(tái)。如在涉水工程數(shù)據(jù)庫中加載航道設(shè)施中的修復(fù)情況（包括軟體排），包括修復(fù)位置、損壞原因和修復(fù)方案等信息，還有重要的海損情況信息等供航道管理用。再如航道回淤分析功能可以擴(kuò)大到任意需要進(jìn)行分析的航區(qū)，在航道數(shù)據(jù)庫中加載影響長江口的臺(tái)風(fēng)信息、長江口疏浚土傾倒區(qū)使用情況信息、長江口特設(shè)的儲(chǔ)泥坑使用情況信息、長江口水域采砂信息，以及專供航道有關(guān)區(qū)域的回淤分析。這樣便可形成長江口這一獨(dú)特水域的全息化管理平臺(tái)，快速查詢、方便比照、有利信息的條件組合等等。

另外，分析、了解和掌握長江口河床演變需大量資料，這些資料跨越時(shí)間越長分析就越準(zhǔn)確。所以，應(yīng)重視僅錄入近幾年的有關(guān)信息的同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)跨系統(tǒng)覆蓋面，更廣地收集歷史資料和信息的工作。這是一項(xiàng)持之以恒的系統(tǒng)工作。

3.2 從對長江口信息簡單管理過渡到科學(xué)化管理

隨著信息量的增加和信息使用率的不斷增加，該平臺(tái)的重要性也不斷提升，需要深入研究大量信息的管理，如何做到信息管理規(guī)范、信息安全、信息準(zhǔn)確及時(shí)等等。設(shè)想，從人員上保證有2～3位專職工作人員，主要職責(zé)為對該平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行必要維護(hù)等日常工作（專業(yè)編程單位也作為維護(hù)單位），收集信息和錄入。同時(shí)，對錄入的信息準(zhǔn)確性應(yīng)該有甄別，探討部分?jǐn)?shù)據(jù)信息甄別的程序設(shè)計(jì)，減少人工作業(yè)強(qiáng)度和可能的誤入。對錄入的信息來源應(yīng)有記錄，對更換信息的情況應(yīng)有說明，對該平臺(tái)系統(tǒng)改進(jìn)應(yīng)有方案，對突發(fā)事件應(yīng)有應(yīng)對措施。在科學(xué)化管理中，應(yīng)重視階段性的統(tǒng)計(jì)、分析和小結(jié)，提出值得關(guān)注的變化情況和原因，以及處理方案。

4 結(jié)語

約占4500 km2面積的長江口，是一塊處于中國乃至世界上最發(fā)達(dá)的長三角經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)正在開發(fā)的寶地。保護(hù)、利用和合理開發(fā)好這塊寶地是我們應(yīng)盡的責(zé)任和義務(wù)。

[1]張行南.水文學(xué)原理（Principium of Hydrology）[M].南京：河南大學(xué)出版社.