河勢(shì)模擬仿真系統(tǒng)在長江南京河段防汛抗洪工作應(yīng)用的實(shí)踐與思考

朱春光，王義坤，王波，程揚(yáng)

（1.南京市長江河道管理處；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司）

1 引言

防洪減災(zāi)是保障長江河勢(shì)穩(wěn)定和堤防安全運(yùn)行的重要工作，其中河道監(jiān)測分析是其主要的基礎(chǔ)工作，通過監(jiān)測分析了解河道演變的趨勢(shì)、預(yù)測險(xiǎn)情發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)分析手段是將測圖等深線進(jìn)行套比人工分析，數(shù)據(jù)處理成果誤差大[1]。本文利用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，結(jié)合長江南京段歷年水下地形數(shù)據(jù)和護(hù)岸工程數(shù)據(jù)，構(gòu)建河道水下地形三維模型，對(duì)長江南京段河勢(shì)的演變過程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)的仿真模擬。具體包括三項(xiàng)內(nèi)容。

①河勢(shì)動(dòng)態(tài)仿真。構(gòu)建長江南京段河道水下地形三維模型及其動(dòng)態(tài)演變過程。

②險(xiǎn)情預(yù)警。結(jié)合河道的沖淤、邊坡和護(hù)岸工程等影響因素建立險(xiǎn)情預(yù)警數(shù)學(xué)模型，對(duì)河道防汛能力進(jìn)行評(píng)估、分級(jí)。

③防汛搶險(xiǎn)模擬推演。構(gòu)建搶險(xiǎn)模擬推演系統(tǒng)，實(shí)景模擬搶險(xiǎn)工作開展的全過程，為防汛演練工作提供新方法。

2 河勢(shì)動(dòng)態(tài)仿真模擬模型的建立

河勢(shì)演變過程是涉及水力學(xué)和泥沙動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜過程，但現(xiàn)有理論和技術(shù)對(duì)于估測和量化河勢(shì)演變的真實(shí)過程尚有難度[2]。隨著GIS 技術(shù)的發(fā)展，其強(qiáng)大的空間分析與可視化能力為河勢(shì)演變提供了技術(shù)支撐[3]。本文采用等比例插值的方法在Unity3D 引擎中每隔一定的時(shí)間繪制不同高程的水下地形，實(shí)現(xiàn)河勢(shì)的動(dòng)態(tài)變化過程展示，具體算法如下：

選定兩期水下地形的高程分別為H0、Hr，則河勢(shì)演變過程中的每一幀河道地形高程為

式中：N為演變過程動(dòng)畫插入的總幀數(shù)，N 越大動(dòng)態(tài)變化越連貫，但計(jì)算量也越大，對(duì)系統(tǒng)的性能要求越高。多次實(shí)驗(yàn)確定合適的幀數(shù)和播放的間隔時(shí)間，使河勢(shì)動(dòng)態(tài)變化過程直觀逼真（見圖1）。

圖1 河勢(shì)演變模擬

3 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)的建立

3.1 河道崩岸預(yù)警級(jí)別

按照崩岸險(xiǎn)情發(fā)生可能性及可能造成的危害程度，將預(yù)警級(jí)別分為三級(jí)（見表1）。

表1 河道預(yù)警分級(jí)

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

評(píng)價(jià)一個(gè)岸段穩(wěn)定與否涉及岸坡的物質(zhì)組成、形態(tài)和岸坡結(jié)構(gòu)等內(nèi)因，以及江水沖刷、水位漲落、地下水滲透等外因，模型建立了由14 個(gè)指標(biāo)組成的指標(biāo)體系。

①外部因素。包括水文情況（暴雨強(qiáng)度、洪水位及歷時(shí)），加固情況（工程等級(jí)及搶險(xiǎn)情況、護(hù)岸工程情況），管理情況（管理日常安全、信息化監(jiān)測），其他情況（隱患探測情況、堤防斷面及堤線布置）。

②內(nèi)部因素。包括堤頂高程、臨背坡度、滲透系數(shù)、空隙比、地質(zhì)條件和其他因素。

采用德爾菲法（專家打分法）進(jìn)行權(quán)重賦值，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出定量指標(biāo)計(jì)算方法、定性指標(biāo)分級(jí)與賦值方法，以及指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法，對(duì)險(xiǎn)情風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估，具體方法為：①定性指標(biāo)采用模糊數(shù)學(xué)方法賦值；②定量指標(biāo)采用模糊數(shù)學(xué)法中隸屬度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算；

③采用層次分析法計(jì)算主觀權(quán)重值，采用熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重值，兩種權(quán)重值綜合計(jì)算，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重；

④基于各指標(biāo)數(shù)值和權(quán)重，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值。

3.3 險(xiǎn)情預(yù)警分級(jí)展示

在三維河道模型中，根據(jù)險(xiǎn)情預(yù)警模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)各岸段進(jìn)行不同顏色或符號(hào)的分級(jí)標(biāo)注處理，以直觀的展示長江南京河段的崩岸危險(xiǎn)、危害狀況。

4 防汛搶險(xiǎn)模擬推演分析

4.1 搶險(xiǎn)流程梳理

險(xiǎn)情發(fā)生和處置過程中，涉及領(lǐng)導(dǎo)、專家和各組工作人員的組織和配合。以小年圩崩岸為例，梳理和優(yōu)化搶險(xiǎn)處置的流程，將搶險(xiǎn)過程概括為險(xiǎn)情發(fā)生、及時(shí)匯報(bào)、現(xiàn)場處置、確定搶險(xiǎn)方案、搶險(xiǎn)施工和后續(xù)措施等步驟。

1）險(xiǎn)情發(fā)生及匯報(bào)

本底值樣地剖面形態(tài)的 7Be垂直分布特征反映了降雨攜帶 7Be沉降的數(shù)量和土壤吸附后再滲透分布的變化，與研究區(qū)的旱雨季轉(zhuǎn)變和雨季期間的降雨及降雨量的波動(dòng)情況有關(guān)。因?yàn)檠芯繀^(qū)位于滇西高原季風(fēng)氣候地帶，3月的本底值樣地的土壤表層，由于較長時(shí)期干旱形成裂隙結(jié)構(gòu)利于降雨迅速滲透至土壤深層，以致在3月剖面中下部出現(xiàn)間斷分布；5月本底值樣地由于降雨致使表層土壤顆粒分散并充填土壤裂隙，土壤表層吸收水份并不連續(xù)向下滲透，在土壤剖面表層中呈現(xiàn)高濃度值，并且在次表層和底部出現(xiàn)多個(gè)峰值層；8月降雨持續(xù)進(jìn)行，降雨后地表細(xì)流多于向土壤層垂直方向滲透的水分，致使本底值剖面出現(xiàn)較低濃度的 7Be含量。

將險(xiǎn)情狀況電話匯報(bào)上級(jí)，及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

2）現(xiàn)場處置及水下測量

布置好警戒、巡查和疏散等工作，進(jìn)行水下測量掌握險(xiǎn)情動(dòng)態(tài)。

3）確定搶險(xiǎn)方案

結(jié)合歷年的監(jiān)測和護(hù)岸工程的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，商討搶險(xiǎn)處置方案。

4）施工搶險(xiǎn)

5）后續(xù)措施

持續(xù)水下地形監(jiān)測，了解險(xiǎn)情動(dòng)態(tài)。

4.2 仿真系統(tǒng)開發(fā)

利用三維建模工具SketchUp，實(shí)現(xiàn)場景模型三維仿真，基于Unity引擎，實(shí)現(xiàn)場景轉(zhuǎn)換、三維物體的運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)交互等相關(guān)功能（見圖2）。

圖2 防汛搶險(xiǎn)三維模擬仿真系統(tǒng)

5 結(jié)語

河勢(shì)分析是一個(gè)專業(yè)技術(shù)性較強(qiáng)的工作，將三維模擬仿真技術(shù)應(yīng)用到河勢(shì)分析領(lǐng)域，使河勢(shì)分析成果更加立體直觀，同時(shí)結(jié)合歷年水下地形及護(hù)岸工程數(shù)據(jù)，對(duì)河勢(shì)的演變過程及趨勢(shì)進(jìn)行模擬與仿真，幫助行政決策者提供場景模擬手段支撐。