數(shù)字渾河系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究與示范

劉 恒

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

我國是水資源大國，同時也是水患多發(fā)國家，據(jù)統(tǒng)計我國洪澇災害造成的損失在各種災害中居第一位。渾河作為沈陽市的內(nèi)河，歷史上曾多次發(fā)生洪澇災害。其中，1995年大洪水使渾南地區(qū)2/3面積受淹，受災人口近200萬人，造成全市經(jīng)濟損失76.2億元，防洪形勢十分嚴峻，在全國重點防洪城市中位列第三。隨著沈陽經(jīng)濟區(qū)一體化和“渾南大開發(fā)”戰(zhàn)略的進一步實施，沈陽市政府適時提出了把渾河打造成“世界一流名河”的發(fā)展目標，渾河沿線已成為沈陽市新的行政和文化中心，其防洪安全重要性日益凸顯。如何保障渾河安全穩(wěn)定運行是沈陽市經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障和關(guān)鍵所在。因此，急需實現(xiàn)渾河開發(fā)和管理的現(xiàn)代化、信息化和數(shù)字化，滿足沈陽市防洪管理、社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境高速發(fā)展對渾河現(xiàn)代化管理水平的要求。

1 現(xiàn)狀分析

隨著“數(shù)字城市”、“數(shù)字流域”等概念的相繼提出，我國先后提出了“數(shù)字黃河”、“數(shù)字長江”等一系列數(shù)字河流的建設(shè)規(guī)劃。但國內(nèi)外的研究主要集中在數(shù)字流域框架研究、基礎(chǔ)平臺建設(shè)和應用系統(tǒng)建設(shè)方面。由于數(shù)字流域技術(shù)研究的特殊性，目前在數(shù)字城市河流建設(shè)領(lǐng)域缺乏集多功能為一體的系統(tǒng)化成果。本文針對渾河現(xiàn)代化管理需求，開展了大量的技術(shù)攻關(guān)和實踐，研究出集洪水預報調(diào)度、河道洪水演進模擬、流域虛擬現(xiàn)實、河道風險分析、樞紐聯(lián)合調(diào)度、河道信息化管理的系統(tǒng)化解決方案，填補了相關(guān)技術(shù)空白。數(shù)字流域技術(shù)研究結(jié)合流域特點開展，渾河僅沈陽城市段已建橡膠壩4座、攔河壩2座、并呈梯級分布，尤其是主要控制樞紐均為橡膠壩。由于橡膠壩的柔性壩體結(jié)構(gòu)，需要開展特殊的研究工作。該研究提出以抗御能力為參數(shù)、以調(diào)度允許時間為約束條件的城市河流橡膠壩群的聯(lián)合控制運用方案，解決了橡膠壩群聯(lián)合調(diào)度的難題。構(gòu)建了城市段39.19km的實景水工模型，采用工程措施與非工程措施相結(jié)合的模式，從基礎(chǔ)理論和應用技術(shù)兩大方面開展研究。

2 研究目標

充分運用現(xiàn)代高科技手段，研發(fā)形成了一套先進實用的數(shù)字渾河系統(tǒng)構(gòu)建理論和技術(shù)體系。通過物理模型研究，結(jié)合河道原型實驗，構(gòu)建數(shù)學模型對渾河治理開發(fā)和管理的各種方案進行模擬與分析;應用洪水預報技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和信息化技術(shù)實現(xiàn)河道現(xiàn)代數(shù)字化管理;針對橡膠壩特點提出渾河沈陽城市段橡膠壩群的聯(lián)合控制運用方案，開發(fā)聯(lián)合調(diào)度數(shù)字化管理平臺，建立流域及其相關(guān)地區(qū)的數(shù)字化研究環(huán)境，實現(xiàn)流域洪水預報、風險分析、樞紐聯(lián)合調(diào)度和三維空間展示;運用全線通訊技術(shù)實現(xiàn)河道管理部門的專業(yè)信息化與會商支持。

3 物理模型建設(shè)技術(shù)

針對渾河沈陽城區(qū)段，模擬已建、擬建的堤防、橋梁、攔河壩、隧洞、水閘和丁壩等建筑物，觀測在宣泄各設(shè)計頻率洪水時沿程水位、水流流速、流態(tài)、淹沒范圍等水力要素，為確定合理的工程設(shè)計參數(shù)、河道工程治理方案以及近期、遠景規(guī)劃方案提供技術(shù)支撐，并在巨大規(guī)模洪水來臨之時，準確地提供洪水淹沒區(qū)域和淹沒深度，計算出社會、經(jīng)濟等各方面的災情損失情況，并提供人群撤離和減災決策。

3.1 地理實驗相似建模

提出虛擬地理實驗相似建模的基本理論與流程，基于虛擬地理實驗的相似性理論實現(xiàn)物理模型實驗成果的數(shù)字化模擬。建立動態(tài)復雜性地理系統(tǒng)試驗方法和虛擬地理試驗環(huán)境的三維信息獲取與綜合建模方法?；诹鲌鰷y量系統(tǒng)、智能流速儀和傳感器網(wǎng)絡(luò)體系等技術(shù)實現(xiàn)指標參數(shù)的采集與管理。完成物模與數(shù)模洪水演進的協(xié)同聯(lián)動試驗，結(jié)合水動力學機理，開發(fā)了河道、灘地洪水演進模型，準確提供洪水淹沒區(qū)域和淹沒深度，為防洪風險分析提供依據(jù)。實現(xiàn)了物理模型實驗的空間參數(shù)、水力學參數(shù)、模型實驗參數(shù)和成果信息的數(shù)字化管理。

3.2 試驗觀測方法

試驗在多功能試驗廳內(nèi)完成，大廳長98.0m、寬33.6m，占地3300m2，廳內(nèi)設(shè)有各種水泵、泥漿泵、高位水箱和容積為1000m3、300m3的地下水庫各1座。配套設(shè)施有流場實時測量系統(tǒng)1套，水位、流速自動跟蹤系統(tǒng)各1套，活動控制室1間，以及各種測量、測試設(shè)備，最大循環(huán)供水流量1000L/s。分別采用流場實時測量系統(tǒng)VDMS、河工模型水位流速測量系統(tǒng)等設(shè)備實現(xiàn)對河道內(nèi)流量和水位的水情信息的實時監(jiān)測與記錄，為數(shù)字化計算提供數(shù)據(jù)支撐。

4 數(shù)字化模型技術(shù)

4.1 洪水演進模擬技術(shù)

該功能實現(xiàn)了洪水演進的模擬，根據(jù)河道高程條件，在三維場景中動態(tài)渲染，計算河道邊界淹沒線，并進行三維渲染，通過視景深度計算、水面以及河岸法線計算、光照渲染效果計算等，逼真模擬水面、河道邊界變化。當設(shè)置好洪水參數(shù)后，便可以進行洪水演進過程的動態(tài)模擬，用顏色的不同深度代表洪水淹沒的不同深度。同時，可以用鼠標點擊任意位置，查詢此次洪水該位置的洪水要素，從而為防汛人員進行防汛調(diào)度系統(tǒng)決策提供依據(jù)。

洪水演進模型采用元胞自動的洪水演進計算方法。該方法在離散時間和離散空間的框架下對河水流動的時空動態(tài)過程進行模擬，因此將實際研究區(qū)按照一定分辨率劃分成離散格網(wǎng)，格網(wǎng)單元為正方形單元，以固定的時間單元間隔Δt不斷演化。根據(jù)本文采用的計算法則，某一個格網(wǎng)的單寬流量變化率是由水平或豎直方向上的兩個格網(wǎng)的高程值決定，即T+2Δt時刻的單寬流量由T時刻的單寬流量以及T+Δt時刻的高程值決定。而某一格網(wǎng)的高程變化率是由其周圍四個格網(wǎng)的單寬流量決定，即T+3Δt時刻的高程值由T+Δt時刻的高程值以及 T+2Δt時刻的單寬流量決定。

根據(jù)洪水演進的計算方法和已有的觀測數(shù)據(jù)，元胞的演化由源頭(所模擬河段的最上游)的流速及水位變化決定。相鄰元胞的洪水傳播計算需要考慮。元胞所在河床的高度(DEM)、糙率、水深、x方向的單寬流量、y方向的單寬流量共五種變量屬性。因此對一個確定的元胞空間共設(shè)置六種元胞狀態(tài)屬性。

4.2 洪水預報預警模型技術(shù)

渾河大沈區(qū)間洪水預報調(diào)度系統(tǒng)的建立將充分運用水文自動測報系統(tǒng)及語音報汛系統(tǒng)采集到的水雨情信息，對渾河從大伙房到沈陽站區(qū)間流域的水文預報與洪水演進工作進行全面的自動化、信息化支持。采用的沈陽站實用洪水預報模型為蓄滿產(chǎn)流模型，并根據(jù)渾河流域特點研究確定了渾河流域的預報參數(shù)。

該技術(shù)實現(xiàn)了大伙房水庫實際的放水情況演算到沈陽站的流量過程預報。通過從水文自動測報數(shù)據(jù)庫中讀取的水庫的實際放水過程信息，演算沈陽站的流量過程和水位過程，并計算出該次放水的洪水總量和不同流量的傳播時間。用戶也可手動維護水庫的放水情況，并將最后的預報成果進行保存，供管理和發(fā)布的需要。水文預報方法采用兩種模型進行，當水庫放水采用階梯型放水時，利用納稀S曲線法進行計算;當水庫放水過程類似于自然洪水過程時，利用馬斯京根法抵償河長多河段連續(xù)演算法進行計算。洪水預報的實時修正方法采用水文時間序列模型，結(jié)合衰減記憶最小二乘法推出最優(yōu)自回歸方程來預報下一時段的誤差值。

5 樞紐聯(lián)合調(diào)度運用系統(tǒng)

首次提出以抗御能力為參數(shù)的橡膠壩控制運用方案，以調(diào)度允許時間為約束條件，提出了城市河流橡膠壩群的聯(lián)合控制運用方案，并開發(fā)了聯(lián)合調(diào)度支持系統(tǒng)模型，尤其適用于梯級橡膠壩群的優(yōu)化調(diào)度，填補了橡膠壩群防洪調(diào)度與水資源調(diào)控領(lǐng)域的技術(shù)空白。

5.1 聯(lián)合調(diào)度運用方案

隨著沈陽市對城市生態(tài)環(huán)境的建設(shè)需求，對渾河沈陽段的水生態(tài)環(huán)境的建設(shè)要求也越來越高，沈陽市先后在渾河上建設(shè)了一批功能不同的水利設(shè)施，從根本上改變了沈陽市的水生態(tài)環(huán)境。沈陽城市段的大規(guī)模攔河蓄水，使渾河水位平均上漲了2～3m高，總蓄水量達到上億m3(相當于大型水庫)。另外，渾河上游的大伙房水庫對沈陽市的防洪工作影響較大，如何合理有效地進行渾河梯級樞紐的聯(lián)合調(diào)度和風險分析，關(guān)系到沈陽市的經(jīng)濟發(fā)展和人民的生命財產(chǎn)安全。本研究主要完成內(nèi)容如下:

a.渾河沈陽城市段梯級調(diào)度區(qū)段劃分。

b.各區(qū)段特性參數(shù)的制作與率定(各區(qū)段水位—面積、水位—庫容、區(qū)段出口不同調(diào)度模式的泄流曲線等)。

c.各區(qū)段不同調(diào)度模式的實用調(diào)度圖編繪與制作。

d.各區(qū)段控制運用方案的編制。

5.2 聯(lián)合控制運用系統(tǒng)

該系統(tǒng)實現(xiàn)了渾河沈陽城市段樞紐模擬控制平臺的搭建，操作人員通過該系統(tǒng)可以模擬各個樞紐動態(tài)運行過程，監(jiān)控各個樞紐的運行狀態(tài)，并可生成相應的水位、流量過程線。功能主要包括干河子壩工程、王家灣調(diào)度、沈水灣調(diào)度、砂山壩調(diào)度、聯(lián)合調(diào)度演算、調(diào)度成果演示、調(diào)度成果發(fā)布。其中各橡膠壩的調(diào)度，首先輸入“初始壩前水位”，其次輸入對應的流量過程時間段，選擇“樞紐狀態(tài)”，選擇一種調(diào)度方式?？梢园褧r段流量添加到列表中，刪除列表中時段流量。通過VB與數(shù)據(jù)庫SQL SERVER 2000進行連接，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互。

6 信息化管理平臺技術(shù)

6.1 全線通訊技術(shù)

建立渾河管理中心與各管理所的全線通信，建立點對點通訊專線，實現(xiàn)各級部門之間的網(wǎng)絡(luò)連接、資源共享和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化辦公，為各子系統(tǒng)的運行提供條件。具體通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)如下:渾河管理中心與干河子船閘管理所，河管理中心與王家灣橡膠壩管理所，渾河管理中心與沈水灣船閘管理所，渾河管理中心與砂山橡膠壩管理所。

6.2 遠程視頻監(jiān)控技術(shù)

以全線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，構(gòu)建遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)4個管理所的16個現(xiàn)場視頻信息遠程傳輸與系統(tǒng)開發(fā)。具體包括:干河子船閘管理所4個視頻監(jiān)控，王家灣橡膠壩管理所4個視頻監(jiān)控，沈水灣船閘管理所4個視頻監(jiān)控，砂山橡膠壩管理所4個視頻監(jiān)控，管理中心視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺。

6.3 綜合會商平臺技術(shù)

綜合會商平臺建設(shè)在沈陽市水利局，會商系統(tǒng)主要由DLP數(shù)據(jù)投影機、拼接屏幕及圖形拼接系統(tǒng)組成，用來逼真地還原DVD、錄像機、有線電視、攝像機、多媒體計算機等的音視頻信號，但在會商室中投影系統(tǒng)最常用的還是將電腦中的信息投射到大屏幕上，快速直觀地為會議提供所需材料，用于防汛調(diào)度工作的會商決策或會議報告。

6.4 決策支持系統(tǒng)技術(shù)

近年來，圍繞渾河沈陽城市段已開展多個專業(yè)子系統(tǒng)建設(shè)，包含硬件建設(shè)和軟件建設(shè)，各自獨立運行，在實際運行中發(fā)揮著重要作用。但各子系統(tǒng)相互獨立，無法將其成果信息快速整合到一起，然而，防汛過程中時間緊迫，決策者必須在有限的時間內(nèi)獲得所有防汛信息，從而組成正確的判斷。因此，必須提供一個統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺，能夠集成各專業(yè)子系統(tǒng)成果信息，并在成果信息基礎(chǔ)上，通過方案優(yōu)選，快速制定出最佳方案，為決策人員提供參考依據(jù)。本文研究開發(fā)的決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)了各專業(yè)子系統(tǒng)的集成，建立綜合數(shù)據(jù)庫，無縫銜接各專業(yè)子系統(tǒng)成果數(shù)據(jù)庫，為不同級別用戶提供訪問的權(quán)限。在防汛過程中，決策人員可通過該系統(tǒng)快速、準確地調(diào)用各子系統(tǒng)成果信息，以及對各子系統(tǒng)進行操作。系統(tǒng)建成后，將規(guī)范防汛業(yè)務流程，變被動防汛為主動防汛。

7 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，我國城市河流的開發(fā)越來越重要，“數(shù)字渾河”為實現(xiàn)河道的優(yōu)化管理調(diào)度提供了一套系統(tǒng)化的解決方案。通過“三條渾河”的建設(shè)，渾河管理水平得到質(zhì)的飛躍，成功經(jīng)歷了2010年大洪水的考驗。系統(tǒng)建成后，使城市河流抗御洪水能力和生態(tài)環(huán)保水平顯著提高，保證了流域防洪與興利功能的充分發(fā)揮。科學驗證了渾河沈陽城市段的防洪標準，為實施大渾南開發(fā)戰(zhàn)略和城市生態(tài)景觀建設(shè)提供了有力依據(jù)，產(chǎn)生的經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境效益巨大。由于河道受人類改造活動和洪水影響，構(gòu)建起的渾河數(shù)字化模型同樣也需要與時俱進的完善，因此，需要建立一套完善的管理與動態(tài)維護機制，以保證研究成果能夠在長期的應用過程中發(fā)揮重要的作用。

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