長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉海蘭，韓俊杰，蘇維偉，鄧清祿

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

長距離輸送石油或天然氣管道(簡稱長輸油氣管道)沿線地質(zhì)災(zāi)害類型多、成因復(fù)雜，且危及范圍廣。與滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害相比，水毀災(zāi)害數(shù)量最多，是威脅長輸油氣管道安全運(yùn)行最主要的地質(zhì)災(zāi)害類型。長輸油氣管道不可避免地要穿越不同規(guī)模的河溝，河床和岸坡常處在不斷變動的情況之中，尤其在洪水作用下，河床和岸坡變動加劇，對長輸管道安全運(yùn)行的影響不可忽視。水毀災(zāi)害類型中，河溝道水毀災(zāi)害對長輸油氣管道安全運(yùn)行的影響最為嚴(yán)重，近些年國內(nèi)外發(fā)生的管道漂浮甚至斷裂事故，已引起人們對長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害問題的高度重視。

對長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害的研究，主要集中在水毀災(zāi)害危害特征、水毀災(zāi)害風(fēng)險評價等方面。目前，已有學(xué)者開展了長輸油氣管道地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)信息系統(tǒng)的研究，如操麗等、劉斌等以管道為研究對象，基于GIS平臺研制了通用地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)管道及其周邊地質(zhì)災(zāi)害空間信息的查詢、圖形顯示、分析統(tǒng)計(jì)、風(fēng)險評價等功能；張銀輝等基于云服務(wù)平臺設(shè)計(jì)了管道狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)；李順鑫針對油氣管道滑坡災(zāi)害,設(shè)計(jì)了基于光纖光柵傳感技術(shù)的油氣管道滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。但是，目前針對長輸油氣管道水毀災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)方面的研究還較少，因此設(shè)計(jì)長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，對于實(shí)現(xiàn)管道沿線地質(zhì)災(zāi)害信息化管理、動態(tài)預(yù)警預(yù)報以及管道維修搶修決策支持有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文根據(jù)忠武輸氣管道(忠縣至宜昌段)沿線地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查結(jié)果，通過分析該長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)育特點(diǎn)、作用因素及其對管道的影響等，以河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價為主題，結(jié)合GIS的空間分析和處理功能，對長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

忠武輸氣管道(忠縣至宜昌段)穿越鄂西山區(qū)，地形起伏較大，地貌形態(tài)多樣，坡面侵蝕切割強(qiáng)烈。研究區(qū)地處四川臺向斜和鄂黔臺褶帶兩個二級構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)廣泛出露侏羅系碎屑巖及三疊系碳酸鹽巖，在局部的山間斷陷盆地中堆積有中新生界碎屑巖和松散堆積物。該地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候區(qū)，多年平均降雨量在1 100～1 600 mm之間，降雨主要集中在5～9月，降雨的變異性特征明顯，河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)生往往由突發(fā)性強(qiáng)降雨所引發(fā)。

1.2 管道河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)育及危害特征

管道河溝道水毀災(zāi)害主要發(fā)育在穿越河溝或順河溝管道敷設(shè)段的河溝床及岸坡地帶。管道及其附屬水工保護(hù)構(gòu)筑物受到暴雨洪水的影響，根據(jù)破壞機(jī)理的不同，可能產(chǎn)生的管道河溝道水毀災(zāi)害破壞形式主要表現(xiàn)為下蝕作用(見圖1)、側(cè)蝕作用(見圖2)和側(cè)蝕下蝕作用。

其中，河道下切侵蝕河床是順河道敷設(shè)、交切溝谷開挖敷設(shè)的管道及其水工保護(hù)工程毀壞的主要因素。河道下切侵蝕作用可能造成水工保護(hù)構(gòu)筑物基礎(chǔ)變淺或被掏空，使管道安全運(yùn)行受到間接威脅；河道下切侵蝕作用會使無防護(hù)措施的管道埋深變淺甚至裸露，可能對管道產(chǎn)生直接危害。其危害形式有：短時強(qiáng)水流的沖擊，管道與管周覆土向下游發(fā)生移動，管體彎曲過大而破壞(推移)[見圖1(b)]；管道形成裸露段而產(chǎn)生的漂浮現(xiàn)象，受水的浮力管體彎曲變形過大而破壞(漂管)[見圖1(c)]；管道懸空段受水渦流擾動使管材疲勞破壞(懸跨)[見圖1(d)]等。

圖1 管道河道溝水毀災(zāi)害下蝕作用破壞形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of erosion destruction of waterlogging disasters along the long-distance oil and gas pipelines

側(cè)蝕作用主要表現(xiàn)為凹岸侵蝕，在暴雨洪水條件下，水勢改變，側(cè)岸侵蝕作用強(qiáng)烈，在河流轉(zhuǎn)彎部位、水流頂沖部位是最容易發(fā)生沖刷的部位。河道側(cè)向侵蝕作用可能造成岸坡保護(hù)管道的擋墻基礎(chǔ)被掏空，擋墻失去支撐，繼而崩潰沖毀[見圖2(a)]。進(jìn)一步地，侵蝕向漫灘內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，可能影響到漫灘中敷設(shè)的管道，造成側(cè)蝕露管[見圖2(b)]，使防腐層甚至管道本體遭受破壞，進(jìn)而使管道附屬水工保護(hù)構(gòu)筑物遭受破壞，管道安全運(yùn)行則受到間接威脅。通常來說，側(cè)蝕作用對管道的危害性相對較小。

圖2 管道河道溝水毀災(zāi)害側(cè)蝕作用破壞形式示意圖 Fig.2 Schematic diagram of the destruction form of side erosion of waterlogging disasters along the long-distance oil and gas pipelines

2 管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警預(yù)報模型構(gòu)建

管道河溝道水毀災(zāi)害主控因素為暴雨這一氣象因素，其具有非常明顯的時空分布不均勻性。從本質(zhì)上看，設(shè)計(jì)基于降雨的氣象地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵是能夠根據(jù)氣象資料的變化快速更新預(yù)測評價，實(shí)現(xiàn)實(shí)時預(yù)警預(yù)報。定量計(jì)算評價管道風(fēng)險等級，需要將暴雨洪水引發(fā)河溝道沖刷與管道受災(zāi)建立聯(lián)系，得到一個管道風(fēng)險概率指數(shù)。除了河溝道沖刷，還要考慮其他因素，如已有的河床護(hù)底、護(hù)岸等減緩沖刷的措施，以及管道自身的易損性、后果損失特征等，但這些因素難以建立通用且可信的物理模型，而使用指標(biāo)評分法可以將這些因素包含在評價模型內(nèi)。本文以產(chǎn)流、匯流、河溝道沖刷定量計(jì)算模型結(jié)合半定量評價模型的方法，以湖北省氣象、水文資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建適用于忠武管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警預(yù)報模型。

2.1 河溝道水毀沖刷深度計(jì)算方法

首先根據(jù)流域面積、主河道長度及平均加權(quán)坡降等條件，應(yīng)用瞬時單位線法和推理公式法計(jì)算出河溝道的最大洪峰流量；然后通過河道寬度、設(shè)計(jì)斷面最大水深以及計(jì)算出的洪峰流量，應(yīng)用《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2002)推薦的64-1修正公式計(jì)算出河溝道水毀沖刷后的最大水深；最后結(jié)合最大水深、管道埋深、水工保護(hù)工程及植被等條件確定管道河溝道水毀災(zāi)害的風(fēng)險等級。因文章篇幅有限，計(jì)算部分本文不做具體闡述。

2.2 基于熵權(quán)法的管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價模型

2.2.1 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種，是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來確定指標(biāo)的客觀權(quán)重。指標(biāo)的信息熵越小，表明指標(biāo)值的變異程度越大，提供的信息量越多，在綜合評價中所能起到的作用也越大，其權(quán)重也就越大。

設(shè)有

n

個評價樣本，

m

個評價指標(biāo)，則

X

為第

i

個評價樣本的第

j

個評價指標(biāo)的數(shù)值(

i

=1，…，

n

；

j

=1，…，

m

)。由于各個評價指標(biāo)的計(jì)量單位并不統(tǒng)一，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算歸一化數(shù)值

Y

；再根據(jù)信息論計(jì)算各評價指標(biāo)的信息熵，通過信息熵確定各評價指標(biāo)的熵權(quán)。具體步驟如下：

(1) 歸一化處理。按下式分別對正向評價指標(biāo)和負(fù)向評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

正向評價指標(biāo)：

(1)

負(fù)向評價指標(biāo)：

(2)

式中：

Y

為第

j

個評價指標(biāo)在第

i

個評價樣本上的歸一化值，

Y

∈[0,1]。

(2) 計(jì)算各評價指標(biāo)的信息熵

(3)

(3) 確定各評價指標(biāo)的的熵權(quán)。

根據(jù)公式(3)計(jì)算出各評價指標(biāo)的信息熵

E

,

E

,…,

E

，并通過信息熵計(jì)算各評價指標(biāo)的熵權(quán)：

(4)

式中：

W

為編號為

j

的評價指標(biāo)的熵權(quán)，0≤

W

≤1。

2.2.2 管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價模型

本文以忠武管道為例，構(gòu)建管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價指標(biāo)體系。以評價指標(biāo)的風(fēng)險概率指數(shù)表示其可能產(chǎn)生風(fēng)險的程度，因單指標(biāo)的風(fēng)險概率指數(shù)難以定量計(jì)算，故本文通過設(shè)置評價指標(biāo)的不同狀態(tài)，通過對不同評價指標(biāo)的狀態(tài)進(jìn)行評分(見表1)，并通過熵權(quán)法賦權(quán)根據(jù)下式計(jì)算不同評價指標(biāo)的風(fēng)險概率指數(shù)

P

(

R

)：

P

(

R

)=

H

×(1-

H

′)×

S

×

V

×(1-

V

′)

(5)

式中：

P

(

R

)為不同評價指標(biāo)的風(fēng)險概率指數(shù)；

H

為自然條件下災(zāi)害發(fā)生概率指數(shù)；

H

′為已采取的災(zāi)害體防治措施能完全阻止災(zāi)害發(fā)生的概率指數(shù)；

S

為災(zāi)害發(fā)生影響到管道的概率指數(shù)；

V

為沒有任何防護(hù)措施的管道受到災(zāi)害作用后發(fā)生破壞的概率指數(shù)；

V

′為管道防護(hù)措施能完全防止管道破壞的概率指數(shù)。取值范圍均為0～1。

然后按照下式計(jì)算管道失效后果損失指數(shù)：

E

=

PH

×

SP

×

DI

×

RC

(6)

式中：

PH

為產(chǎn)品危害系數(shù)，取值范圍為5～10；

SP

為泄漏系數(shù)，取值范圍為1～5；

DI

為擴(kuò)散系數(shù)，取值范圍為1.5～5；

RC

為受體系數(shù)，取值范圍為0.5～5.8。為保證量綱統(tǒng)一，需將管道失效后果損失指數(shù)進(jìn)行歸一化處理。根據(jù)上文，

E

的取值范圍[3.75,1 450]，則歸一化管道失效后果損失指數(shù)

E

′計(jì)算公式為：

E

′=(

E

-3.75)/(1 450-3.75)=(

E

-3.75)/1 446.25

本文管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價模型可表示為

P

=

P

(

R

)×

E

′

(7)

表1 長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價指標(biāo)評分表

2.2.3 管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價

通過計(jì)算不同評價指標(biāo)的風(fēng)險概率

P

(

R

)、歸一化管道失效后果損失指數(shù)

E

′兩個數(shù)值，前者為衡量風(fēng)險程度的關(guān)鍵指標(biāo)，并參考規(guī)范中的風(fēng)險等級劃分閾值，采用模糊邏輯關(guān)系建立風(fēng)險等級的模糊邏輯關(guān)系圖(見圖3)，以此確定5級劃分的風(fēng)險等級，得到預(yù)警結(jié)果的簡易化表述。即

P

(

R

)按照0～0.01、0.01～0.05、0.05～0.1、0.1～0.2、0.2～1分為低風(fēng)險、較低風(fēng)險、中風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險5個風(fēng)險等級，并結(jié)合管道失效后果損失指數(shù)

E

′進(jìn)行修正，即較低及以下風(fēng)險時若

E

′>0.06、中風(fēng)險時若

E

′>0.2、較高風(fēng)險時若

E

′>0.62，風(fēng)險等級則相應(yīng)提高一檔，其他情況不變。

圖3 風(fēng)險等級的模糊邏輯關(guān)系示意圖Fig.3 Fuzzy logic sketch diagram for risk assessment levels

3 管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的需求分析

長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)是在GIS技術(shù)的支持下，結(jié)合管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險評價的實(shí)際需要，以保護(hù)管道為目的而設(shè)計(jì)的WebGIS系統(tǒng)。

開發(fā)者需要從用戶需求、使用體驗(yàn)角度考慮系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)，從而決定系統(tǒng)運(yùn)行平臺、數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)、界面樣式及功能等的設(shè)計(jì)。該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的研究對象是管道河溝道水毀災(zāi)害，系統(tǒng)目標(biāo)用戶定位為管道維護(hù)管理者，面向管道公司的所有員工。在這樣的背景條件下，該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)需要具有以下功能：①數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。主要包括災(zāi)害隱患點(diǎn)的基本信息數(shù)據(jù)，管道線路、場站閥室、周邊人口聚集區(qū)、周邊道路、自然地理環(huán)境等地理信息數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行預(yù)測預(yù)警所需的降雨數(shù)據(jù)等；②數(shù)據(jù)的存儲。既包括以上導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，也包括預(yù)測預(yù)警計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)，它們將以某種格式、某種方式進(jìn)行存儲；③數(shù)據(jù)的處理。導(dǎo)入的數(shù)據(jù)將能夠進(jìn)行計(jì)算分析，并得到預(yù)警結(jié)果，實(shí)現(xiàn)輸入—輸出對應(yīng)；④數(shù)據(jù)的可視化。數(shù)據(jù)除了需要存儲、分析外，還需要將其以可視化的方式，即圖、表、文字等綜合方式展現(xiàn)出來，以便操作人員直觀地認(rèn)識數(shù)據(jù)；⑤預(yù)警信息的發(fā)布。預(yù)警計(jì)算的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)能夠發(fā)送給相應(yīng)的管理人員，以真正地實(shí)現(xiàn)提前警示作用。

系統(tǒng)的目標(biāo)是通過該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)以下作用：①對潛在風(fēng)險點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息匯總與查看等管理；②進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警預(yù)報工作，如預(yù)警計(jì)算得到的風(fēng)險概率指數(shù)或風(fēng)險等級增高時，可提示相關(guān)人員對該處風(fēng)險隱患點(diǎn)進(jìn)行臨時緊急加固，當(dāng)風(fēng)險概率指數(shù)較低時，可指導(dǎo)相關(guān)人員進(jìn)行一般巡查；③根據(jù)歷史風(fēng)險預(yù)警評價結(jié)果，獲得災(zāi)害發(fā)育規(guī)律，可指導(dǎo)水工保護(hù)護(hù)岸、護(hù)底等工程投資，并根據(jù)災(zāi)害發(fā)展的輕重緩急變化，優(yōu)化工程投資；④作為構(gòu)建更大的綜合類管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的一部分，搭建框架與試驗(yàn)。

4 管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖4 長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警 系統(tǒng)架構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Detailed design of the structure of the meteorolo- gical risk early warning system for waterlogging disasters along long-distance oil and gas pipelines

該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)在需求分析的基礎(chǔ)上，采用構(gòu)建WebGIS三層架構(gòu)模式的應(yīng)用程序，即地圖服務(wù)—數(shù)據(jù)服務(wù)—地球可視3個模塊，詳細(xì)設(shè)計(jì)見圖4。其中，地圖服務(wù)器采用開源的GeoServer服務(wù)器，可以管理各類地圖數(shù)據(jù)，亦可提供在線高清衛(wèi)星影像地圖；數(shù)據(jù)服務(wù)平臺包括業(yè)務(wù)邏輯層與應(yīng)用管理層，利用Flask框架，采用Python語言實(shí)現(xiàn)，其中應(yīng)用管理層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)庫以及系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)的存取與訪問、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與優(yōu)化、存儲空間管理以及對系統(tǒng)地圖資源的訪問等，業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層中的各項(xiàng)功能、模塊及子模塊提供功能支撐；地球可視平臺采用Cesium地圖引擎，基于JavaScript編寫，支持2D及3D地圖展示，對絕大多數(shù)瀏覽器與觸摸屏有良好的支持，通過可視化的手段將數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果可視化，直觀地展示預(yù)測結(jié)果。

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)將主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、存儲、處理以及可視化功能。

(1) 數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。本系統(tǒng)所需導(dǎo)入的數(shù)據(jù)主要包括三類：降雨氣象數(shù)據(jù)，管道線路、場站閥室及災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)，背景地圖數(shù)據(jù)。這三類數(shù)據(jù)中，管道線路、場站閥室及災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)是長期固定的，可內(nèi)置在系統(tǒng)中，系統(tǒng)運(yùn)行時讀取即可；背景地圖數(shù)據(jù)量十分龐大，可采用從網(wǎng)絡(luò)上加載當(dāng)前查看地區(qū)的地圖數(shù)據(jù)至本地緩存的方式導(dǎo)入；降雨氣象數(shù)據(jù)通過手動上傳文件的方式導(dǎo)入，也可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)API自動獲取數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)的存儲。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器上，以數(shù)據(jù)庫的形式統(tǒng)一管理。

(3) 數(shù)據(jù)的處理。該系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)為管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警的計(jì)算，以氣象風(fēng)險定量預(yù)測計(jì)算為核心功能算法。

(4) 數(shù)據(jù)的可視化。各數(shù)據(jù)信息元素的呈現(xiàn)方式為地圖、列表、柱狀/餅狀/折線圖，以獲得清晰直觀的展示效果，便于用戶理解和使用。根據(jù)該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的可視化界面包括：①主地圖，包括地名、道路等背景圖層以及管線、場站閥室、災(zāi)害隱患點(diǎn)等，用于直觀地展示風(fēng)險隱患點(diǎn)的地理空間關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)地圖的縮放、隱患點(diǎn)信息查看等人機(jī)交互方式；②評價點(diǎn)的屬性信息列表，以展示評價點(diǎn)的詳細(xì)信息；③預(yù)警結(jié)果的展示，包括洪峰流量、風(fēng)險概率指數(shù)、風(fēng)險等級等輸出結(jié)果的展示，以曲線/柱狀圖的形式，可直觀地了解最近一次及近幾次的風(fēng)險預(yù)警評價結(jié)果；④鷹眼圖，即地圖總覽，用戶縮放地圖時，能夠顯示縮放部分在總體區(qū)域的位置。

4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要分為結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)和背景地圖數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)又包括純表型結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)和包含地理信息的表型結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)。包含地理信息的表型結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)采用shp文件的形式，它是ArcGIS等地理信息軟件通用的數(shù)據(jù)格式，同時具有地理位置、屬性表的特性，可以實(shí)現(xiàn)地理位置展示、數(shù)據(jù)讀取。其中，管道線、場站閥室等文件的屬性表結(jié)構(gòu)中僅需包含一個名稱字段以便將其顯示在地圖上；而風(fēng)險隱患點(diǎn)的屬性表結(jié)構(gòu)中則應(yīng)包括參與計(jì)算所需的各個參數(shù)，見表2。

表2 風(fēng)險隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)屬性結(jié)構(gòu)

純表型結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)主要是降雨量數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括一個評價點(diǎn)樁位號(文本型)和3個降雨量(浮點(diǎn)型)，即未來1 h、6 h、24 h點(diǎn)降雨量。通過評價點(diǎn)樁號來對應(yīng)每一個評價點(diǎn)，從而讀取其未來1 h、6 h、24 h點(diǎn)降雨量，導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警計(jì)算。數(shù)據(jù)輸入采用文本上傳或調(diào)用氣象局?jǐn)?shù)據(jù)接口的方式獲取，實(shí)時或設(shè)置定時存放到數(shù)據(jù)庫。shp文件的空間展示、背景地圖數(shù)據(jù)使用Geoserver服務(wù)器，Geoserver是一個功能齊全、遵循OGC開放標(biāo)準(zhǔn)的開源 WFS-T和 WMS服務(wù)器，允許用戶查看和編輯地理數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)利用該服務(wù)器，從本地加載shp文件并提供地理位置和樣式顯示，從網(wǎng)絡(luò)加載用戶查看的當(dāng)前地區(qū)衛(wèi)星地圖至本機(jī)緩存，并可以對其進(jìn)行后臺管理。

4.4 系統(tǒng)開發(fā)及功能實(shí)現(xiàn)

經(jīng)初步開發(fā)，該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、預(yù)警計(jì)算與結(jié)果展示等核心功能，其瀏覽器端可視化界面見圖5。該界面的整體布局使用科技風(fēng)深藍(lán)色主題，符合大眾審美要求；界面中部為主地圖，其下方為當(dāng)前地點(diǎn)降雨量與風(fēng)險等級對比曲線圖；界面左側(cè)由當(dāng)前地點(diǎn)洪峰流量曲線圖、當(dāng)前地點(diǎn)風(fēng)險概率指數(shù)曲線圖、當(dāng)前地點(diǎn)風(fēng)險等級圖組成；界面右側(cè)由風(fēng)險隱患地點(diǎn)數(shù)據(jù)屬性信息表和鷹眼圖組成。

圖5 長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)可視化界面Fig.5 Visual interface of meteorological risk early warning system for waterlogging disasters along long-distance oil and gas pipelines

該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的使用方法簡單，配置好服務(wù)器后，用戶不限設(shè)備，在瀏覽器輸入相應(yīng)地址即可進(jìn)入系統(tǒng)可視化界面；系統(tǒng)自動加載在線衛(wèi)星影像地圖、風(fēng)險隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)與管道線、場站閥室、附近人口聚集區(qū)等shp文件；用戶上傳降雨量文本文件，之后系統(tǒng)后臺自動讀取各點(diǎn)的降雨量數(shù)據(jù)，讀取評價點(diǎn)基本信息，并進(jìn)行預(yù)警計(jì)算與預(yù)警結(jié)果展示，無需多余的人機(jī)交互。

在交互操作方面，若用戶使用PC端，鼠標(biāo)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)的操作有：左鍵在任意位置按住拖動，可移動地圖；左鍵在風(fēng)險點(diǎn)附近單擊可以選中風(fēng)險點(diǎn)，選中的風(fēng)險點(diǎn)樣式突出，并以不同顏色表示不同的風(fēng)險等級，如紅色表示較高風(fēng)險，右側(cè)邊欄還可見其詳細(xì)信息列表(見圖6)；鼠標(biāo)滾輪可以進(jìn)行地圖縮放，向上放大、向下縮小，便于查看大范圍和小范圍自然地理環(huán)境、管道位置及走向、河溝影像特征與人口聚集區(qū)。某點(diǎn)單次風(fēng)險概率指數(shù)結(jié)果展示實(shí)例見圖7。若用戶使用移動端，則按住觸屏某點(diǎn)拖動為移動地圖，兩指斜向遠(yuǎn)離滑動為放大地圖，兩指斜向靠近滑動為縮小地圖，在風(fēng)險點(diǎn)附近點(diǎn)觸為選中風(fēng)險點(diǎn)。

圖6 風(fēng)險隱患點(diǎn)詳細(xì)信息列表Fig.6 Detailed information list of potential risk points

圖7 某點(diǎn)單次風(fēng)險概率指數(shù)結(jié)果展示Fig.7 Result of single risk probability index

5 結(jié) 論

本文對長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害的發(fā)育及危害特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，并在管道河溝道水毀沖刷深度計(jì)算的基礎(chǔ)上建立了半定量評價指標(biāo)體系，對長輸油氣管道河溝段水毀災(zāi)害的氣象風(fēng)險進(jìn)行評價，設(shè)計(jì)了基于WebGIS的長輸油氣管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，并對設(shè)計(jì)思路和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹。

在風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Geoserver、Cesium并結(jié)合Flask框架，開發(fā)了B-S架構(gòu)計(jì)算機(jī)程序。該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)充分利用WebGIS強(qiáng)大的屬性數(shù)據(jù)管理與處理功能和python語言的編程功能，實(shí)現(xiàn)了對管道河溝道水毀災(zāi)害空間信息的有效管理；在此基礎(chǔ)上通過輸入降雨量，運(yùn)用可靠的數(shù)學(xué)模型可對管道河溝道水毀災(zāi)害氣象風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測預(yù)警。該風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)可為管道管理部門有效地控制與防治河溝道水毀災(zāi)害、降低河溝道水毀災(zāi)害對管道運(yùn)營的不利影響提供決策依據(jù)。