長江荊江段河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

李圣偉

摘要：多年來，荊江河段崩岸頻繁，給長江保護(hù)與治理帶來了不利影響，為此開展荊江河段河道崩岸預(yù)警十分必要和迫切。結(jié)合河道及水文泥沙信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐，研究了河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)的總體框架、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析處理及入庫和功能設(shè)計(jì)，探討建立荊江河段河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)，以提供崩岸數(shù)據(jù)采集、管理、分析、預(yù)警、表現(xiàn)、發(fā)布等多元化信息服務(wù)，為崩岸預(yù)警和應(yīng)急搶險提供技術(shù)支持，從而為荊江河段的科學(xué)治理提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：河道崩岸;預(yù)警系統(tǒng);水文泥沙;信息系統(tǒng);荊江河段

中圖法分類號：TV85

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.08.013

崩岸是存在于江河海岸中的一種自然現(xiàn)象，歐美河流歷史上曾發(fā)生過多次崩岸，我國大江大河也存在崩岸現(xiàn)象[1]，尤其是汛期和汛后，以長江中下游河段最為典型[2]。河道崩岸會破壞岸坡穩(wěn)定，威脅防洪工程安全，影響河勢穩(wěn)定，阻礙岸線開發(fā)利用，不利于維持良好的航道條件，對充分發(fā)揮河流綜合服務(wù)功能造成不利影響。崩岸受水動力條件、泥沙輸移條件、河床邊界條件以及河道形態(tài)等多種因素影響，其成因和機(jī)理十分復(fù)雜這[3-5]。多年來，荊江河段崩岸頻繁，影響荊江防洪與河勢穩(wěn)定，給長江航運(yùn)、兩岸經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅[6]。

為確保荊江大堤和長江干堤的安全，服務(wù)荊江防洪、河道整治、航道整治和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)，保障長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的水安全，建立河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，河道崩岸預(yù)警尚處于起步階段，沒有成熟的崩岸預(yù)警信息系統(tǒng)。本文結(jié)合河道及水文泥沙信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐，基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，通過對崩岸綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理和分析，結(jié)合理論分析，綜合現(xiàn)場監(jiān)測、崩岸巡查和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，分析崩岸發(fā)生的機(jī)理及初步演變規(guī)律，構(gòu)建崩岸預(yù)測模型，探討建立崩岸數(shù)據(jù)采集、管理、分析、預(yù)警、表現(xiàn)、發(fā)布為一體的人機(jī)交互式的荊江河段河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

人機(jī)交互式的河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)框架見圖1。主要包括：

（1）收集整理崩岸的水流條件、河流邊界、河床組成、地下水及滲流、環(huán)境要素及人類活動調(diào)查資料，將數(shù)據(jù)整理成規(guī)范格式，遙測和實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)處理終端接人系統(tǒng)提供的入庫接口。

（2）利用綜合監(jiān)測成果，結(jié)合理論分析荊江段河岸土體的組成與力學(xué)特性，開展崩岸機(jī)理的定量分析，研究崩岸發(fā)生的機(jī)理及演變規(guī)律，建立崩岸預(yù)測模型，對崩岸發(fā)生的時間、形式、范圍進(jìn)行初步預(yù)測預(yù)警。

（3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。按照軟件工程的要求，將整個系統(tǒng)的開發(fā)過程分為需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)編碼和測試、系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)4個階段進(jìn)行。

（4）完成系統(tǒng)集成，將硬件平臺、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)和開發(fā)的應(yīng)用軟件，集成為功能和信息相互關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，使資源達(dá)到充分共享，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理，并部署安裝，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行。

系統(tǒng)收集、整理、存儲、管理相關(guān)崩岸監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提供崩岸信息的多條件多組合查詢，在分析水文泥沙和河道演變、岸坡變形崩岸等基礎(chǔ)上，利用崩岸預(yù)測預(yù)報模型，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、巡查、遠(yuǎn)程監(jiān)測和視頻監(jiān)控情況，以人機(jī)交互的方式，對崩岸發(fā)生的時間、形式、范圍進(jìn)行初步預(yù)測預(yù)報，并提供崩岸段不同時期地形變化的直觀、逼真的三維成果，提供基于互聯(lián)網(wǎng)的各種崩岸監(jiān)測信息、信息分析成果和預(yù)警成果的查詢及發(fā)布。系統(tǒng)總體上分為5個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)、崩岸分析預(yù)警子系統(tǒng)、三維可視化子系統(tǒng)和崩岸信息服務(wù)子系統(tǒng)，見圖2。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和崩岸模型庫組成。

按照業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)際需求，以現(xiàn)有崩岸相關(guān)資料為依據(jù)進(jìn)行整理入庫和實(shí)時入庫;空間數(shù)據(jù)中矢量數(shù)據(jù)采取分幅和分要素組織的混合形式，將數(shù)據(jù)分為不同的要素圖層分幅，并存儲在系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫中，DEM和影像數(shù)據(jù)則按照測量項(xiàng)目的不同，分批次分塊組織存儲;崩岸模型庫管理組織崩岸預(yù)警的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)參數(shù)、預(yù)測岸坡的穩(wěn)定系數(shù)和分級評價指標(biāo)，以二維表的形式物理存儲在數(shù)據(jù)庫中。

2.2 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)數(shù)據(jù)按更新頻率高低可劃分為：①實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，如實(shí)時雨情數(shù)據(jù)、現(xiàn)場預(yù)埋的安全監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)和攝像頭等遠(yuǎn)程在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等，其更新頻率可為數(shù)天、數(shù)小時、數(shù)分鐘或數(shù)秒。②歷史監(jiān)測成果，包括水文整編資料、河道地形數(shù)據(jù)、河床組成等，其更新頻率不等。水文整編資料數(shù)據(jù)一般按年整編，主要由相關(guān)水文部門負(fù)責(zé)整編。長江中下游長程河道地形5a測一次，局部重點(diǎn)河段la數(shù)次，河道應(yīng)急測量時數(shù)天就測量一次，河道斷面數(shù)據(jù)la更新數(shù)次，河道地形及斷面數(shù)據(jù)主要由長江水利委員會水文局下屬河道勘測局測量。其他數(shù)據(jù)更新頻率一般為數(shù)月或數(shù)年。③基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、檔案數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要有衛(wèi)星遙感獲取的影像數(shù)據(jù)或地理信息系統(tǒng)生成的基礎(chǔ)地理信息，如行政邊界、流域邊界、河流等矢量數(shù)據(jù)或生成的DEM數(shù)據(jù)等，更新頻率一般為數(shù)月或數(shù)年。檔案數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的更新頻率一般為數(shù)月或數(shù)年。

按數(shù)據(jù)的內(nèi)容可劃分為來水來沙條件數(shù)據(jù)、河道邊界條件數(shù)據(jù)、河床組成數(shù)據(jù)，地下水及滲流數(shù)據(jù)、環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)以及人類活動調(diào)查數(shù)據(jù)等。

按數(shù)據(jù)屬性可分為屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)：①屬性數(shù)據(jù)，主要是按關(guān)系型數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)格式存儲的數(shù)據(jù)，如斷面實(shí)測數(shù)據(jù)、水位、流量、降水、含沙量、波浪、風(fēng)速風(fēng)向、河床組成、地下水位、滲流（壓）、孔隙水壓力、岸邊植被狀況、視頻、照片以及崩岸巡查報告和人類活動調(diào)查報告等分析報告。②空間數(shù)據(jù)，包括矢量型和光柵型兩類。前者是指以矢量格式儲存的地形圖，如水下地形圖、流態(tài)圖等;后者是指以光柵格式儲存的各種圖形，例如遙感圖像、DEM等。

系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)分類見圖3。

2.3 數(shù)據(jù)處理

對于數(shù)據(jù)庫格式的屬性數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)庫檢查（檢查數(shù)據(jù)的完整性和正確性，包括數(shù)據(jù)格式檢查，數(shù)據(jù)長度檢查，空值、默認(rèn)值檢查，完整性檢查，一致性檢查等），數(shù)據(jù)補(bǔ)錄（對缺失的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)錄與整合）等工作，對泥沙資料單位不一致的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到國際標(biāo)準(zhǔn)單位并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。同時，做好數(shù)據(jù)庫遷移前的準(zhǔn)備（建立字段對應(yīng)關(guān)系、數(shù)據(jù)字典整理、數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、數(shù)據(jù)差異分析、數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系建立等）。對于報表、報告圖表等非數(shù)據(jù)庫格式的屬性數(shù)據(jù)，通過手工處理、臨時編程、編寫宏等各種手段，從成果文檔中提取出來，最后整理成規(guī)范的入庫文檔。

崩岸河段空間數(shù)據(jù)中柵格數(shù)據(jù)中的影像數(shù)據(jù)通過幾何校正、勻光與拼接、配準(zhǔn)、投影等處理后，建立影像金字塔，DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后分塊組織;通過掃描矢量化等手段，首先將半江地形和河道地形等矢量圖件處理為電子矢量圖，再對電子矢量圖進(jìn)行質(zhì)量檢查，最后對電子矢量圖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

2.4 數(shù)據(jù)入庫

利用工具將數(shù)據(jù)庫格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)人后臺數(shù)據(jù)庫。對于整理好的入庫文件，則通過開發(fā)應(yīng)用提供的入庫接口實(shí)現(xiàn)。在入庫過程中，提供必要的驗(yàn)證，以此來保證人庫數(shù)據(jù)質(zhì)量。所有條件均符合要求才可入庫，有一項(xiàng)不符立即撤銷入庫操作。

崩岸河段空間數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)提供的接口進(jìn)行入庫存儲。根據(jù)矢量數(shù)據(jù)測量批次，一方面利用半江地形或河道地形數(shù)據(jù)中的實(shí)測點(diǎn)以及等高線（首曲線、計(jì)曲線）的高程數(shù)據(jù)和邊界線，生成DEM并存人空間數(shù)據(jù)庫中，并記錄DEM的元數(shù)據(jù)信息;另一方面，將原始矢量數(shù)據(jù)入庫，并記錄這些要素的元數(shù)據(jù)信息。柵格數(shù)據(jù)處理完后，作為系統(tǒng)底圖的柵格數(shù)據(jù)以文件庫的形式存放在服務(wù)器上，而作為分析計(jì)算的柵格數(shù)據(jù)則入庫存儲。數(shù)據(jù)處理與入庫見圖4。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 功能概述

系統(tǒng)統(tǒng)一管理荊江河段河道崩岸相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、瀏覽、分析及初步預(yù)測預(yù)報。根據(jù)危險等級報警提示，提供快捷直觀的三維展示平臺，并附以重點(diǎn)崩岸河段信息發(fā)布和查詢等功能。系統(tǒng)主要服務(wù)對象為長江流域相關(guān)防汛、水文部門、相關(guān)其他部門以及社會公眾，根據(jù)不同的用戶權(quán)限，開展授權(quán)范圍內(nèi)的信息服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)是系統(tǒng)的支撐，對崩岸相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)一、安全、有效地管理和保存。除數(shù)據(jù)管理外，還對各級用戶進(jìn)行分級及操作權(quán)限管理，確保數(shù)據(jù)的安全;提供備份管理，以避免系統(tǒng)的軟硬件故障，并在操作失誤造成破壞時能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫恢復(fù);對服務(wù)器端進(jìn)行日志管理。該子系統(tǒng)—般不對外開放，僅供授權(quán)的系統(tǒng)管理員和數(shù)據(jù)維護(hù)人員使用。

3.3 信息查詢子系統(tǒng)

主要對河道崩岸數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)單條件、單組合和多條件、多組合等方式的任意查詢。提供友好的圖文一體化查詢界面，實(shí)現(xiàn)查詢結(jié)果的圖文一體化表達(dá)，可完成空間圖形與屬性數(shù)據(jù)實(shí)時聯(lián)動查詢，以及從空間圖形到屬性、屬性到空間圖形的雙向查詢功能。在圖上點(diǎn)擊重點(diǎn)崩岸段時，可顯示該崩岸段中歷史崩岸的相關(guān)位置、地點(diǎn)、時間、類型、規(guī)模等信息，來水來沙條件、河床邊界條件、環(huán)境要素、地下水、人類活動調(diào)查、相關(guān)文檔及有關(guān)圖片、錄像等多媒體信息，并可展示相關(guān)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

利用多種可視化方式實(shí)現(xiàn)崩岸影響因子數(shù)據(jù)的空間、屬性信息聯(lián)合查詢，以及查詢信息和各類成果的報表和輸出。根據(jù)授權(quán)為長江流域相關(guān)防汛、水文部門、相關(guān)其他部門提供崩岸數(shù)據(jù)支持，可為各級用戶開展水文泥沙、河道演變分析、數(shù)學(xué)模型計(jì)算、崩岸機(jī)理分析研究和預(yù)警提供基礎(chǔ)和分析成果信息。

3.4 崩岸預(yù)警子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)基于實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)的來水來沙相關(guān)水文計(jì)算，進(jìn)行崩岸段相關(guān)水沙過程、水沙沿程變化、水沙年內(nèi)年際變化、水沙綜合關(guān)系、河床組成等分析，并根據(jù)實(shí)測河道地形、斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)、岸坡監(jiān)測數(shù)據(jù)開展河道演變分析和岸坡變形分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合河道崩岸的基本原理，通過研究建立河道崩岸預(yù)警模型，根據(jù)一定的水沙條件、河道演變以及環(huán)境要素、地下水等因子，初步預(yù)測預(yù)報崩岸發(fā)生的時間、形式、范圍等。根據(jù)預(yù)警的危險等級，在系統(tǒng)界面上以動態(tài)閃爍報警提示崩岸所在位置及相關(guān)信息。根據(jù)授權(quán)，可為長江流域相關(guān)防汛、水文部門提供決策支持依據(jù)。

3.5 三維可視化子系統(tǒng)

為河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)的分析、管理、預(yù)警提供最直觀的數(shù)據(jù)分析和結(jié)果展示，為綜合分析提供快捷直觀的三維展示平臺。同時，也為各級領(lǐng)導(dǎo)決策提供輔助工具。生成崩岸段不同時期的地形三維數(shù)據(jù)，展示重點(diǎn)崩岸段岸坡三維地形，根據(jù)不同時間的岸坡地形，仿真模擬位移過程，具備基于三維數(shù)據(jù)的幾何分析功能，包括量測、斷面剖面分析、透視分析及開挖分析等，直觀地計(jì)算崩岸段河道幾何形狀數(shù)據(jù)，以便于河道演變和岸坡位移的分析?？蓪?shí)現(xiàn)多要素合成三維建模，以及基于數(shù)字高程模型的多種地圖要素（主要水系、等高線、城鎮(zhèn)名稱標(biāo)注、水文測站標(biāo)注、斷面標(biāo)注、重點(diǎn)崩岸段及標(biāo)注）合成三維建模功能。根據(jù)授權(quán)可為各級用戶提供直觀的三維信息服務(wù)。

3.6 崩岸信息服務(wù)子系統(tǒng)

執(zhí)行重點(diǎn)崩岸河段信息發(fā)布和查詢以及網(wǎng)頁管理功能，在網(wǎng)絡(luò)上展現(xiàn)歷史崩岸的有關(guān)位置、地點(diǎn)、時間等屬性及信息通報文檔和現(xiàn)場照片、錄像等多媒體信息。實(shí)現(xiàn)可公布的監(jiān)測信息、分析和預(yù)警成果的可視化分析和表達(dá)，根據(jù)不同權(quán)限提供各種用戶網(wǎng)絡(luò)查詢和訪問頁面，并提供文檔資料管理和用戶管理等方面的功能。根據(jù)授權(quán)可為各級用戶提供直觀的崩岸信息服務(wù)。

4 結(jié)語

本文探討了荊江河段崩岸預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，旨在建立河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)，綜合系統(tǒng)地采集、管理相關(guān)崩岸影響因素?cái)?shù)據(jù)，提供崩岸數(shù)據(jù)查詢、分析、預(yù)警、表現(xiàn)、發(fā)布的多元化服務(wù)，為長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展提供水安全保障。

崩岸影響因素眾多，對崩岸的具體成因及發(fā)展模式尚不完全清楚，亟待深入研究[6]。今后還需要加強(qiáng)重點(diǎn)崩岸段的斷面和地形測量、水文測驗(yàn)、岸坡土體特性分析，探索開展預(yù)埋安全監(jiān)測傳感器和攝像頭等遠(yuǎn)程在線監(jiān)視工作。另外，也需要逐步建立完善的預(yù)警評價指標(biāo)體系，不斷完善河道崩岸預(yù)警模型，進(jìn)一步提高崩岸預(yù)測的精確性和實(shí)效性。

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