航电枢纽工程施工期智能度汛系统设计与应用
时间：2023-04-09 09:50:03 来源：千叶帆 本文已影响人
杨 洋
（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）
航电枢纽工程施工度汛贯穿工程建设的全过程，在施工过程中如何全面掌控施工期上游来水流量，分析施工期洪水对枢纽区各防洪对象的安全是否构成威胁，及时做出应对措施，降低洪水对施工期度汛的风险，已成为航电枢纽工程施工期安全亟待解决和值得研究的重要内容[1–3]。目前已有的度汛信息化系统，多集中于数据层面的实时展示，且主要通过上游监测站流量判断是否会对枢纽工程造成威胁，预警信息不直观，风险分析不全面。由于洪水演进过程十分复杂，并非简单的线性关系，必须通过构建洪水演进模型才能准确得到洪水流态、淹没范围和水深等信息。再进一步结合 GIS 强大的可视化技术与数据分析能力，叠加防洪要素信息，得到洪水影响范围与程度信息，才能为航电枢纽工程施工期度汛提供直观、可靠、及时的决策辅助信息[4]。
面对这些问题及挑战，基于三维 GIS 技术，从数据整合、模型构建、数据分析、预警预报等多个方面进行探索与尝试，进行航电枢纽工程施工期智能度汛系统（以下简称智能度汛系统）的建设，以科技为基础，智能为网，打好防汛预警“主动仗”，为工程施工期建设保驾护航。
1.1 建设内容
智能度汛系统的建设内容主要包括：
1）构建调度系统数据库。满足智能度汛系统数据存储及调用需求，并与水情系统数据对接，供水文计算使用。
2）构建水情预报模块。实现水情信息预报预警，枢纽区洪峰量级动态预报分析。
3）构建洪水演进分析模块。进行水文资料整理汇编、勘测分析、边界条件率定，同时构建施工期洪水演进模型，满足不同施工面貌洪水演算需求。
4）构建三维 GIS 数据大屏展示模块。基于 GIS技术，构建枢纽三维展示系统，接入水文分析模块计算成果，进行动态三维可视化展示，为防洪度汛提供决策支撑。
1.2 技术路线
基于智能度汛系统实际需要，采用 B/S 架构，前端采用 Vue.js 渐进式框架及 Cesium 二三维地图引擎，数据库采用 PostgreSQL 对象-关系型数据库管理系统（ORDBMS），并采用遵循 OpenGIS 规范的 PostGIS 为系统提供空间信息服务功能，如空间对象、索引、操作函数和操作符等。智能度汛系统建设完成后，能对枢纽区（库区）河道洪水流态进行展示，并与围堰、堤防、敏感要素等进行空间分析，从而为施工度汛决策提供支撑，技术路线如图1所示。
图1 智能度汛系统技术路线图
智能度汛系统数据库包括基础地理信息、三维地理空间、水情监测及预报、洪水演进分析和其他等数据，数据来源包括水文站点监测、水情测报成果、工程与运维管理等。数据来源多，结构复杂，因此需要对数据进行梳理分析，并在相关行业标准和安全度汛实际需要的基础上，建立以 GIS 数据为基础、多种数据形式共存的系统数据库[5–6]。
此外，应制定数据库接入规范及共享服务接口标准，建设数据共享互通机制，提高度汛数据的共享服务水平。系统数据库建设内容如表1所示。
表1 系统数据库建设内容
目前，国内外学者针对水动力学模型的研究成果较为丰富，成熟的洪水演进模型软件较多，智能度汛系统中的水文模型构建采用 DHI MIKE 系列软件进行洪水演进模型构建，能通过输入上游边界入库洪水过程，设置下游边界条件，实现洪水在关注河段的模拟演进，并能同步输出水位、水深、流速、流向等计算成果，为航电枢纽工程施工期的安全度汛提供支撑。
3.1 数据资料收集
翔实、可靠的数据资料是构建洪水演进模型的基础，建模所需数据主要包括：工程区域所在河段及周边区域的地形数据；
不同施工期各建筑物位置、尺寸数据；
河段上游控制断面及周边主要入流河道水文预报数据；
航电枢纽建设前，岷江下游控制断面实测水位流量关系曲线；
河段周边降雨蒸发数据；
工程建设前或期间，一次洪水过程中的上游水文站实测流量、河段下游水位、水面线或洪痕等实测数据。
3.2 建模软件选择
由于 DHI MIKE 系列软件中的二维非恒定流模型 MIKE 21 FM 具有简单、快速、精确、可视性良好、计算速度快、复杂地形拟合较好等优点，故智能度汛系统洪水演进模型选用 MIKE 21 FM 进行构建。MIKE 21 FM 模型采用二维非恒定流方程组作为控制方程，数值计算方法采用基于非结构网格的有限体积法[7–8]，不仅可计算各网格点不同时刻的水位及流速值，还能量化表征各动力场要素的平面分布特征。
智能度汛系统中已接入水情测报系统的预报流量数据，当预报流量超过设置的流量阈值后，MIKE软件构建的洪水演进模型，会自动调用 WebAPI 接口进行在线计算，也可通过手动输入流量进行自定义分析，故智能度汛系统的洪水演进模型支持在线与离线 2种计算模式。
在智能度汛系统中，洪水演进模型的边界条件支持以下 2种方式输入：
1）接入未来 24 h 逐时预报流量，通过 JSON 格式传递进行在线计算，服务器计算耗时约为 10 min。
2）输入自定义流量值，服务器进行离线计算，计算耗时约为 7 min。
2种计算模式耗时均较低，满足工程施工期对智能度汛预报的时效性要求。
3.3 模型搭建与率定
根据工程度汛需要，对航电枢纽工程上下游10 km 范围进行洪水演进模型构建，并基于实测水文观测数据，通过调整河道主槽、滩区的糙率，校核边界输入条件等，开展模型率定，使得河道典型断面计算水位或流量与实测数值相吻合，从而准确描述工程区域的洪水演进过程。典型断面流量过程率定示意图如图2所示。
图2 典型断面流量过程率定示意图
3.4 典型洪水演进方案计算
基于已率定的洪水演进模型进行分析计算，可自定义输入不同流量条件，模拟分析不同流量条件下航电枢纽工程区域洪水动态演进过程，并以基于时序的方式对洪水演进的路径、时间、水位，以及淹没水深、范围和历时等进行展现。洪水流态效果如图3所示。
图3 基于时序的洪水演进效果
智能度汛系统为 B/S 架构，数据库、水文模型、GIS 空间数据等均存储在服务器上，用户通过浏览器即可实现对系统的访问。相较于以往度汛信息化系统，智能度汛系统具有预报预警自动化、洪水演进可视化效果好、统计分析功能丰富、操作简单等特点与优势。智能度汛系统功能模块主要实现以下功能：
1）可视化大屏展示功能。主要包括三维 GIS 场景、水位流量与断面监测数据、枢纽工程处预报流量的展示，以及洪水预警、统计等功能，能实现对枢纽工程的实景展示及水文水情数据的可视化。
2）度汛一张图功能。主要包括水文、雨量监测，特征断面、河道水情、水库水情的数据查询展示，以及三维 GIS 场景中的测量、图层管理、动态标绘标注等功能。
3）台账报表功能。主要实现对数据及接口服务的管理功能，包括水情监测与预报、洪水演进分析结果、防洪要素等数据及与其他相关系统的共享接口服务等。
4）模拟分析功能。包括洪水预案分析、自定义分析、流态模拟，淹没效果模拟、影响分析，以及敏感性评价等子功能模块。模拟分析功能是智能度汛系统的核心与重点，通过实时接入预报流量数据或手动输入流量值，调用洪水演进模型进行在线计算，通过计算服务器计算后可得到分析结果，并在三维 GIS 场景中对枢纽防洪要素的淹没情况进行可视化展示与预警。智能度汛系统淹没影响分析如图4所示。
图4 智能度汛系统淹没影响分析
智能度汛系统的建设，解决了项目数据来源多、结构复杂、存储分散，洪水演进模型构建难度大，基于时序进行洪水演进可视化模拟分析技术难等一系列问题，从监测预警、受灾评估、综合研判等方面，为航电枢纽工程安全、智能度汛提供了技术支撑和保障。具体应用效果如下：
1）提高了汛情预报、预警水平。汛情预报、预警需要有丰富的数据源作支撑，智能度汛系统除接入上游已有的水情监测站点数据外，还通过数据共享服务接口，实现通航、水情测报等系统数据的接入，进一步丰富了汛情预报、预警的数据源，提高了汛情的预报、预警能力。
2）强化了洪水淹没分析及受灾评估能力。基于GIS 强大的时空分析能力，在洪水演进模型分析结果的基础上，实现了洪水淹没过程的可视化模拟。同时，叠加航电枢纽工程的防洪敏感建筑物及构筑物，利用 GIS 完成淹没分析并评估受灾情况，做到有针对性的防洪度汛。
3）增强了汛情综合研判及辅助决策能力。智能度汛系统不仅提高了洪水预报、预警水平，强化了洪水过程的预演能力，也为汛情的综合研判提供了技术支撑，并为制定科学有效的洪水预案奠定了基础，从而增强了汛情的辅助决策能力。
智能度汛系统的建设及应用，实现了对洪水演进过程的准确模拟及直观展示，再叠加防洪要素进行 GIS 分析，得到洪水影响范围和程度，对航电枢纽工程施工期的安全、科学度汛起到重要作用。当然，由于洪水演进模型并不具备通用性，因此本研究中的洪水演进模型只适用于建模区域内的航电枢纽工程，其他河段的航电枢纽工程则需单独构建洪水演进模型。但在技术路线、系统架构上具有较好的通用性，且相较于目前已有的防洪度汛信息化系统，本研究所建航电枢纽工程智能度汛系统在洪水演进模拟、防洪要素分析、预警信息发布等方面具有优势，在枢纽工程施工期防汛预警工作中具有重要意义。同时，智能度汛系统在流域防洪、联合调度等系统建设方面也具有参考价值。
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