杭州市標(biāo)準(zhǔn)堤塘數(shù)字化建設(shè)初步探討

沈利勤,王 新

(1.杭州市水利設(shè)施監(jiān)管中心,浙江 杭州 310016;2.杭州廣川科技有限公司,浙江 杭州 310020)

1 概 況

杭州市地處錢塘江下游,洪澇臺(tái)旱災(zāi)害頻繁、潮水傷人事件屢見(jiàn)不鮮。根據(jù)《浙江省水利工程管理體制改革實(shí)施辦法》、《關(guān)于錢塘江杭州郊區(qū)段標(biāo)準(zhǔn)堤塘管理有關(guān)問(wèn)題的協(xié)調(diào)會(huì)議紀(jì)要》、《關(guān)于加強(qiáng)杭州市市區(qū)標(biāo)準(zhǔn)堤塘管理若干意見(jiàn)的通知》和 《杭州市標(biāo)準(zhǔn)塘管理考核獎(jiǎng)勵(lì)辦法》等文件精神,要求實(shí)現(xiàn)工程管理的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和制度化以及實(shí)現(xiàn)堤塘管理的數(shù)字化。

1.1 管理模式

杭州市水利設(shè)施監(jiān)管中心 (以下簡(jiǎn)稱監(jiān)管中心)系杭州市林業(yè)水利局直屬全額撥款事業(yè)單位,主要職責(zé)之一為堤塘工程的建設(shè)管理及各區(qū)標(biāo)準(zhǔn)堤塘業(yè)務(wù)指導(dǎo)工作。各基層管理單位除蕭山區(qū)圍墾水利工程管理所為區(qū)圍墾指揮部所屬外,均系各區(qū)水利局直屬管理,管理單位性質(zhì)為全額撥款事業(yè)單位。管理模式結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 杭州市標(biāo)準(zhǔn)堤塘管理模式結(jié)構(gòu)圖

1.2 業(yè)務(wù)管理范圍

各基層管理所主要業(yè)務(wù)是堤塘安全運(yùn)行,主要職能是具體負(fù)責(zé)所轄區(qū)堤塘的管理,具體承擔(dān)巡查、觀測(cè)、維護(hù)、編制歲修及搶險(xiǎn)方案并具體實(shí)施,所需的管護(hù)經(jīng)費(fèi)由杭州市財(cái)政補(bǔ)助和各區(qū)共同承擔(dān)。杭州市標(biāo)準(zhǔn)堤塘共計(jì)294.6 km,其中市屬段合計(jì)244.2 km(見(jiàn)表1)。

表1 杭州市標(biāo)準(zhǔn)堤塘工程分布情況表[1-2].km

1.3 現(xiàn)有相關(guān)數(shù)字系統(tǒng)

(1)現(xiàn)有相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)?，F(xiàn)有相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)包括杭州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)江堤河道監(jiān)管中心管理信息系統(tǒng)、杭州市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)數(shù)字城管應(yīng)用系統(tǒng)、苕溪數(shù)字三維河道系統(tǒng)、余杭區(qū)苕溪河道管理所辦公自動(dòng)化系統(tǒng)。

(2)已建的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。已建的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)包括部分水情遙測(cè)系統(tǒng)、泵閘站運(yùn)行遙測(cè)系統(tǒng)、視屏監(jiān)控等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

(3)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與通信情況?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與通信情況為:下沙、濱江、笤溪、浦陽(yáng)江等單位已經(jīng)建立網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái),其他管理所已經(jīng)完成ADSL接入,其中蕭山圍墾水利工程管理所已經(jīng)完成光纖到戶。

2 數(shù)字堤塘建設(shè)方案

2.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換平臺(tái)是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)也是整個(gè)信息化建設(shè)成果生命力的保證,包括數(shù)據(jù)庫(kù)及其維護(hù)共享接口和備份恢復(fù)機(jī)制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換平臺(tái)的主要功能就是為應(yīng)用系統(tǒng)提供合理、最新的數(shù)據(jù)支持,因此需要提供更新維護(hù)接口。數(shù)據(jù)資源的合理應(yīng)用最基本的就是保證數(shù)據(jù)的安全性和標(biāo)準(zhǔn)化,防止各個(gè)系統(tǒng)各行其是,導(dǎo)致信息無(wú)法交流,形成信息孤島,因此需要在數(shù)據(jù)建設(shè)時(shí)遵循國(guó)家和省里已有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。信息存儲(chǔ)與交換平臺(tái)也是信息共享的核心,平臺(tái)的建設(shè)除了滿足監(jiān)管中心內(nèi)部信息共享的需求外,還要實(shí)現(xiàn)與外部資源共享。

2.2 網(wǎng)絡(luò)與通訊平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是信息化的主要硬件平臺(tái)和連接通道,根據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際條件可以選擇多種方式,在保證可用性和經(jīng)濟(jì)性的前提下應(yīng)盡量使用公網(wǎng)資源。

監(jiān)管中心的外部通信主要是與各堤塘管理單位、林水局以及各信息采集點(diǎn)的連接。監(jiān)管中心與各堤塘管理單位采用VPN進(jìn)行連接,通過(guò)權(quán)限設(shè)定控制其訪問(wèn)相關(guān)資源,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)

按照各管理單位的業(yè)務(wù)需求建立數(shù)字堤塘業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng) (見(jiàn)圖3)。

圖2 數(shù)字堤塘系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 數(shù)字堤塘管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 海塘資料管理子系統(tǒng)功能

2.3.1.1 地圖信息查詢

(1)地圖信息主要指對(duì)象的空間位置信息。系統(tǒng)的地圖數(shù)據(jù)采用1∶10 000矢量圖以及0.61m的彩色遙感影像數(shù)據(jù),包括的圖層要素主要有行政區(qū)劃、河流、渠道、堤防、丁壩、涵閘、橋梁、堤防上的交叉建筑物、堤防管理所及其觀測(cè)站、海塘剖面位置等。

(2)地圖操作的功能描述主要包括地圖瀏覽 (移動(dòng)、放大、縮小)、地圖量算 (長(zhǎng)度、面積)、工程定位、對(duì)象屬性信息等。

圖4 數(shù)字堤塘管理系統(tǒng)—電子地圖

2.3.1.2 表格信息查詢

表格信息主要指結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理。表格數(shù)據(jù)按工程類別進(jìn)行組織,每一個(gè)工程使用一個(gè)惟一的工程代碼表示,每個(gè)工程采用多個(gè)屬性字段來(lái)描述工程相關(guān)信息 (如海塘等級(jí)、迎潮面結(jié)構(gòu)、防浪墻結(jié)構(gòu)、背坡面護(hù)面結(jié)構(gòu)等)。是針對(duì)通常的工程數(shù)據(jù),完成的是常規(guī)的MIS查詢,功能包括按名稱精確查詢,模糊查詢,多條件組合查詢,統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

2.3.1.3 三維海塘信息查詢系統(tǒng)

三維海塘信息查詢系統(tǒng)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ),利用DOM/DEM構(gòu)建一個(gè)真實(shí)環(huán)境的三維地理信息平臺(tái)。該系統(tǒng)以VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心,利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM),以及海塘專題矢量數(shù)據(jù)(DLG),通過(guò) “數(shù)字地球”技術(shù)模擬出真實(shí)的三維地形環(huán)境,系統(tǒng)以C/S的方式實(shí)現(xiàn),在此平臺(tái)基礎(chǔ)上利用GIS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海塘專題數(shù)據(jù)庫(kù), 交叉建筑物數(shù)據(jù)庫(kù), 以及實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析。部分三維環(huán)境見(jiàn)圖5。

圖5 部分三維環(huán)境圖

2.3.2 海塘安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

錢塘江海塘安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要海塘安全參數(shù)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬分析結(jié)果可預(yù)先判定海塘的安全狀況,進(jìn)而掌握錢塘江兩岸海塘的安全程度,為海塘的日常維護(hù)和搶險(xiǎn)提供決策依據(jù)。

2.3.2.1 海塘滲流監(jiān)測(cè)

錢塘江海塘滲透破壞類型主要有流土和管涌,其表現(xiàn)形式包括堤內(nèi)滲壓增大、大量江水滲透到堤防的背水坡面或坡腳。滲流監(jiān)測(cè)有點(diǎn)式監(jiān)測(cè)和分布式監(jiān)測(cè)2種形式(見(jiàn)表2)。

表2 滲流監(jiān)測(cè)形式對(duì)比表

根據(jù)近年來(lái)錢塘江兩岸堤防工程實(shí)際應(yīng)用[3].,海塘滲流監(jiān)測(cè)采用點(diǎn)式滲壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)于局部薄弱的堤段可相應(yīng)增設(shè)分布式滲流監(jiān)測(cè)。

2.3.2.2 海塘變形監(jiān)測(cè)

(1)堤防表面位移監(jiān)測(cè)—人工監(jiān)測(cè)。錢塘江堤防多數(shù)建在老堤基礎(chǔ)之上,地基固結(jié)良好,新建堤防后期的表面位移基本很小,因此,堤防表面位移可采用人工監(jiān)測(cè)。當(dāng)人工定期巡視發(fā)現(xiàn)可疑或達(dá)到例行檢查日期時(shí),采用精度和工效高的全站儀對(duì)指定堤段上的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三維位移觀測(cè),再將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行海塘安全穩(wěn)定性分析計(jì)算。

(2)內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)—分布式自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[4].。在海塘的迎水坡或背水坡一定高程處沿縱向布設(shè)一條光纖光柵,準(zhǔn)分布式變形傳感光纜,利用基于光干涉原理的調(diào)解儀,可以自動(dòng)獲得堤內(nèi)變形剖面及其隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù),由此分析確定海塘邊坡的整體穩(wěn)定性或潛在滑動(dòng)面的位置。

2.3.2.3 塘前水位監(jiān)測(cè)

海塘外側(cè)錢塘江水位采用壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè),在堤腳外側(cè)布置水位管,在管內(nèi)懸掛傳感器,根據(jù)傳感器的安裝高程和實(shí)測(cè)壓力可得到江面的水位。海塘內(nèi)側(cè)水位采用滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)斷面塘前安裝浮子式水位計(jì)[5].,實(shí)時(shí)獲取水位數(shù)據(jù)。

2.3.2.4 塘前灘地高程監(jiān)測(cè)

塘前灘地高程沿用人工觀測(cè)方法,并將測(cè)量資料輸入監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),以供海塘安全穩(wěn)定分析之用。

2.3.2.5 監(jiān)測(cè)站的建設(shè)

在選定的監(jiān)測(cè)斷面現(xiàn)場(chǎng)建監(jiān)測(cè)房1座,內(nèi)放置滲壓、水位傳感器的采集模塊和光纖傳感器的解調(diào)設(shè)備,并且為所有設(shè)備供電。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)E1設(shè)備接入光纖通信線路,傳到中心機(jī)房。

2.3.2.6 交叉建筑物管理

交叉建筑物的管理通過(guò)電子地圖、屬性信息查詢的方式實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖6)。

圖6 數(shù)字堤塘管理系統(tǒng)—交叉建筑物圖

2.3.2.7 海塘安全運(yùn)行預(yù)警與決策系統(tǒng)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并存入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)滲流分析和穩(wěn)定分析后,輸出結(jié)果,以供管理部門對(duì)海塘安全運(yùn)行情況進(jìn)行分析和決策。

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用C/S模式,分為基本參數(shù)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、安全穩(wěn)定分析及預(yù)警、模擬演示、用戶管理和系統(tǒng)幫助共6塊?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器和光纜,接入錢塘江海塘安全預(yù)警系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和整編分析。

(2)基本參數(shù)管理?！盎緟?shù)管理”菜單如圖7、8所示,主要包含了 “土層參數(shù)”、“灘地高程”和 “預(yù)警參數(shù)”3個(gè)部分。

(3)監(jiān)測(cè)參數(shù)管理?！氨O(jiān)測(cè)參數(shù)管理”菜單主要包含了“滲壓計(jì)水位”(見(jiàn)圖9)、“滲壓計(jì)考證表” 和“測(cè)斜儀考證表”3個(gè)部分。通過(guò)該模塊,可掌握所需時(shí)段的滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水位情況。圖9下部為滲壓計(jì)水位時(shí)間過(guò)程線,表示每個(gè)滲壓計(jì)隨時(shí)間的變化情況。

圖7 基本參數(shù)管理界面圖

圖8 土層參數(shù)界面圖

圖9 滲壓計(jì)水位界面圖

圖10 整體穩(wěn)定計(jì)算演示界面圖

(4)安全分析及預(yù)警?！鞍踩治黾邦A(yù)警”菜單主要包含了 “滲流穩(wěn)定計(jì)算”、“整體穩(wěn)定計(jì)算”(見(jiàn)圖10)和“測(cè)斜儀位移計(jì)算”3個(gè)部分。圖10中,黃色單元格(斜線部分)表示該值已經(jīng)超過(guò)預(yù)警值中設(shè)定的可疑值,如果是紅色則表示該值已經(jīng)超過(guò)預(yù)警值中設(shè)定的警戒值。同時(shí),界面上的“安全情況”燈也會(huì)根據(jù)所有數(shù)據(jù)中最大的警戒情況來(lái)進(jìn)行預(yù)警。

2.3.3 防潮安全管理子系統(tǒng)

2.3.3.1 防潮安全設(shè)施管理

主要是進(jìn)行對(duì)安全防護(hù)門、宣傳標(biāo)語(yǔ)、安全警示牌、宣傳牌、管理崗?fù)さ确莱卑踩O(shè)施的管理;及時(shí)記錄安全設(shè)施的檢查情況,維修情況等,以便掌握設(shè)施現(xiàn)狀,并能通過(guò)統(tǒng)計(jì)以分析安全設(shè)施的易損地點(diǎn),好加強(qiáng)防范措施。圖像監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。

圖11 視屏監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3.3.2 防潮預(yù)案與文件

用于查詢相關(guān)的規(guī)章制度,比如《杭州市錢塘江防潮安全管理辦法》等。防潮預(yù)案用于管理各區(qū)提交的防潮預(yù)案,可以方便地查看各個(gè)區(qū)的防潮工作預(yù)案,以及實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)案的全文檢索。防潮人員主要是進(jìn)行防潮相關(guān)責(zé)任人員的基本信息管理,如責(zé)任區(qū)、分管領(lǐng)導(dǎo)、職務(wù)、牽頭部門、聯(lián)系人、職務(wù)、電話、處罰部門、聯(lián)系人、電話等,以及各區(qū)防潮巡防人員的管理,如堤防段名稱、巡防人員姓名、聯(lián)系電話等。

2.3.4 防汛安全管理子系統(tǒng)

防汛安全管理子系統(tǒng)見(jiàn)圖12所示。其中防汛物資管理主要用來(lái)管理防汛工作燈、救生衣、防汛編織袋、土工布、砂石料等防汛物資,包括物資儲(chǔ)備地點(diǎn),物資類別及數(shù)量等,方便防汛搶險(xiǎn)時(shí)使用(見(jiàn)圖13)。

圖12 防汛安全管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖13 數(shù)字堤塘管理系統(tǒng)—防汛倉(cāng)庫(kù)圖

2.3.5 海塘養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)

海塘養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)包括塘身、護(hù)塘建筑物、交叉建筑物、護(hù)塘地等的養(yǎng)護(hù)記錄查詢與輸入。

2.3.6 泵閘站運(yùn)行管理子系統(tǒng)

設(shè)立泵閘站運(yùn)行數(shù)據(jù)的中心數(shù)據(jù)庫(kù),海塘上各泵閘站主動(dòng)上報(bào)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)(閘門開(kāi)孔數(shù)、開(kāi)啟高度、閘上水位、閘下水位、時(shí)間等)到中心數(shù)據(jù)庫(kù),可以考慮每5 min或運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)報(bào)1次數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)工況查詢和歷史運(yùn)行記錄查詢,以表格或圖形方式顯示(見(jiàn)圖14)。

圖14 泵閘站運(yùn)行管理系統(tǒng)圖

2.3.7 信息發(fā)布子系統(tǒng)

信息發(fā)布子系統(tǒng)實(shí)行內(nèi)、外分級(jí)制度,根據(jù)信息的重要程度和保密等級(jí),實(shí)行分級(jí)發(fā)布的方式。包括WEB信息發(fā)布平臺(tái)功能、手機(jī)信息發(fā)布平臺(tái)功能、PDA信息發(fā)布平臺(tái)功能。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)在現(xiàn)有數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的堤塘管理業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)—杭州市數(shù)字堤塘管理系統(tǒng),包括海塘資料、海塘安全、防潮安全、防汛安全、堤塘養(yǎng)護(hù)、泵閘站運(yùn)行、信息發(fā)布管理子系統(tǒng)。

(2)建設(shè)杭州市數(shù)字堤塘建設(shè),以信息化、自動(dòng)化為手段,可提高相關(guān)管理單位的管理效率和管理水平。

(3)數(shù)字堤塘管理系統(tǒng)向杭州市相關(guān)各部門提供所轄標(biāo)準(zhǔn)堤塘的各種信息,滿足不同部門工作需要,實(shí)現(xiàn)杭州市標(biāo)準(zhǔn)堤塘管理工作的數(shù)字化和科學(xué)化,同時(shí)增強(qiáng)防洪決策的科學(xué)性,提高工作效率和決策支持水平,并盡量減少人員傷亡事故,具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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