淮河中游河床演變輔助分析系統(tǒng)研制

倪 晉 ，郁玉鎖 ，施 奇 ，張 輝

（1. 安徽省 · 水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000；2. 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000；3. 安徽省淮河河道管理局，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

淮河是新中國(guó)第1 條系統(tǒng)治理的大河[1]。70 a的治淮歷程，不僅構(gòu)建了一套現(xiàn)代化的水治理體系，也積累了豐富的實(shí)測(cè)資料，尤以水文站大斷面和各測(cè)次河道斷面數(shù)據(jù)居多。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行河床演變分析，能夠完整地重現(xiàn)沖淤變化的歷史過(guò)程、量級(jí)和分布，進(jìn)而定性甚至定量地預(yù)測(cè)河道未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，是研究淮河基本規(guī)律的主要途徑之一，也是進(jìn)一步提高淮河治理水平的關(guān)鍵。

然而，海量斷面數(shù)據(jù)的處理卻并非易事。原因主要有以下幾點(diǎn)：1）數(shù)據(jù)來(lái)源不一、種類(lèi)眾多。這些資料有的來(lái)源于水利部門(mén)，有的來(lái)源于航道管理部門(mén)，不僅數(shù)據(jù)格式五花八門(mén)，而且測(cè)量的范圍也有很大區(qū)別，比如：水利部門(mén)測(cè)量的多為大斷面，能覆蓋堤內(nèi)灘地與主槽；而航道部門(mén)更關(guān)注水下地形，多采集枯水期的主槽數(shù)據(jù)。2）分析處理工作量大，占用了大量的人力和時(shí)間。3）計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，比如河道沖淤量的分析需要有明確的總?cè)莘e和主槽的計(jì)算水位[2]，邊坡系數(shù)的計(jì)算也需要預(yù)先選取上下界面等。這些參數(shù)的確定帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性，并沒(méi)有一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)。不同人的計(jì)算成果難免存在協(xié)調(diào)性的問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行直接對(duì)比。

基于上述原因，本研究構(gòu)建了集基礎(chǔ)斷面數(shù)據(jù)庫(kù)和河床演變分析方法為一體的信息處理平臺(tái)，并將其應(yīng)用于淮河中游的河道中，不僅實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和標(biāo)準(zhǔn)化管理，促進(jìn)了科學(xué)數(shù)據(jù)的共享，而且能夠?qū)哟惭葑兲卣鬟M(jìn)行高效地分析，為開(kāi)展淮河基礎(chǔ)科研工作提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分析方法

以河床演變分析理論為依托，運(yùn)用目前先進(jìn)的現(xiàn)代信息管理技術(shù)，對(duì)流域內(nèi)各類(lèi)斷面資料進(jìn)行存儲(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)化管理，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面特征的提取和演變效果的表達(dá)。一方面可為淮河治理和工程建設(shè)提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支撐，另一方面也提高了河床演變分析的效率。

系統(tǒng)采用 C# 語(yǔ)言，Visual Studio 工具，利用組件技術(shù)開(kāi)發(fā)程序應(yīng)用[3–4]。業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方面采用 3 層結(jié)構(gòu)，具體如圖 1 所示。1）系統(tǒng)底層是以 SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，主要用來(lái)對(duì)水文測(cè)站、水文站大斷面、河道測(cè)量數(shù)據(jù)及沿程特征水位值進(jìn)行存貯、訪(fǎng)問(wèn)和管理。2）中間層為業(yè)務(wù)層，具體包括斷面和河段分析 2 個(gè)應(yīng)用功能，其中：斷面分析主要針對(duì)水文站固定斷面，可以實(shí)現(xiàn)斷面套繪，提取深泓高程、主槽河寬、河相系數(shù)等特征值；河道分析主要針對(duì)指定范圍的河段，能計(jì)算輸出面積、河寬、容積、最大坡比的沿程變化等。3）頂端則為表現(xiàn)層，采用 C/S 技術(shù)為用戶(hù)提供查詢(xún)、檢索計(jì)算的支撐。在數(shù)據(jù)加工方面，軟件采用 .Net接口的 Automation 技術(shù)，以及 AutoCAD 外部指令與內(nèi)部處理相結(jié)合的高速制圖與數(shù)據(jù)讀取技術(shù)，在Excel，AutoCAD，Txt 等不同數(shù)據(jù)格式之間實(shí)現(xiàn)了靈活高效的交互處理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

淮河中游為典型的沖積性河道，橫斷面多為灘槽分明的復(fù)式型，如圖 2 所示。從河床的幾何形態(tài)來(lái)看：主槽阻力小，流速大，是泄洪排沙的主要通道；灘地阻力大，流速低，在水沙輸移中起輔助作用[5]。

圖2 淮河中游河道典型斷面示意

結(jié)合文獻(xiàn) [6] 提出的各河段計(jì)算水位及坡比界面選取方法，對(duì)主槽及全斷面的特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，主要公式如下：

式中：ξ為河相系數(shù)；Bc為平灘河寬；Ac為平灘面積；Zg為平均河底高程；Zc為主槽計(jì)算水位；Sl為左岸坡比；(XA，YA)，(XB，YB)分別為圖 2 中上下界面A，B2 點(diǎn)的坐標(biāo)。

系統(tǒng)采用梯形法進(jìn)行河道沖淤量計(jì)算。設(shè)子河段上、下斷面 2 個(gè)測(cè)次某一高程下的斷面面積分別為As1，As2和Ax1，Ax2，則上、下斷面的沖淤面積Asc，Axc分別為：

當(dāng)上、下斷面的間距為L(zhǎng)sx時(shí)，2 個(gè)斷面間子河段的沖淤體積Vt可表達(dá)為：

若Vt為負(fù)，表明子河段為沖刷，否則為淤積。將各子河段成果進(jìn)行累加，即可得到計(jì)算河段的總體沖淤量。

2 系統(tǒng)分析工具

系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔美觀，具有良好的導(dǎo)引功能。功能模塊的操作界面由 4 個(gè)部分組成：1）頭部菜單區(qū)域，建有各功能模塊及幫助主題的一級(jí)菜單；2）左側(cè)子窗體導(dǎo)航區(qū)，用戶(hù)點(diǎn)擊后可隨時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)主要分析模塊及操作介紹、退出部分；3）顯示工作區(qū)，該區(qū)域與左側(cè)導(dǎo)引欄相對(duì)應(yīng)，是用戶(hù)進(jìn)行檢索和分析的操作場(chǎng)所；4）底部狀態(tài)區(qū)，用于顯示操作提示和計(jì)算進(jìn)度。

2.1 斷面分析功能

淮河干流中游設(shè)有王家壩、潤(rùn)河集、魯臺(tái)子、吳家渡、小柳巷 5 處水文站，各站觀測(cè)項(xiàng)目中均包含大斷面要素。這類(lèi)斷面測(cè)量位置固定，資料歷時(shí)長(zhǎng)，對(duì)其分析可獲得豐富的河床演變信息。目前，水文大斷面數(shù)據(jù)均已整理入庫(kù)。操作時(shí)，首先在下拉列表中，選取需要分析的水文站斷面。后臺(tái)接收界面?zhèn)鬟f的斷面名稱(chēng)，通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取該水文站各測(cè)次斷面信息，并以表格的方式顯示在工作區(qū)域中。依次點(diǎn)擊“斷面測(cè)次”“分析項(xiàng)目”，并指定結(jié)果文件的路徑后，單擊右下角執(zhí)行操作按鈕，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水文站大斷面的河床演變分析。圖 3 為系統(tǒng)自動(dòng)繪制的吳家渡站歷年大斷面主槽寬度及面積的變化情況。用戶(hù)還可以根據(jù)研究目的，進(jìn)行多測(cè)次斷面套繪，或者分析河底深泓、河底平均高程、河相系數(shù)等其他特征值的變化。

圖3 吳家渡大斷面主槽變化（1965—2015 年）

2.2 河段分析功能

結(jié)合河道特性及工程要素的空間分布，可將淮河干流安徽段 428 km 長(zhǎng)的河道，分為洪河口—臨淮崗、臨淮崗—正陽(yáng)關(guān)、正陽(yáng)關(guān)—蚌埠閘、蚌埠閘—浮山及浮山—洪山頭 5 段。系統(tǒng)主要針對(duì)以上河段進(jìn)行河床演變分析，具體操作方法與斷面分析類(lèi)似，首先在下拉列表中，選取需要分析的河段，并明確計(jì)算的起訖樁號(hào)。起訖樁號(hào)可以選擇默認(rèn)值，即計(jì)算整個(gè)河段，也可以進(jìn)一步縮小范圍，研究局部河段的變化情況。后臺(tái)通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取與該范圍相關(guān)各測(cè)次河道信息，并以表格的方式顯示到工作界面上。依次點(diǎn)擊選擇的“河道測(cè)次”“分析項(xiàng)目”，并指定結(jié)果文件的路徑后，單擊右下角執(zhí)行操作按鈕，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道演變的分析。

利用河道分析功能，可迅速對(duì)河道沿程的斷面特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)以表格或圖形方式顯示。以淮河干流蚌埠以下花園湖進(jìn)洪閘（樁號(hào) 45 +000）至棗巷段（樁號(hào) 66 + 139）為例，選取 1992和 2009 年 2 個(gè)測(cè)次，計(jì)算實(shí)測(cè)坡比及斷面特征參數(shù)的沿程變化情況，具體成果如圖 4 及表 1 所示。

圖4 實(shí)測(cè)坡比計(jì)算

表1 河段沿程特征值提取

2.3 與傳統(tǒng)方法及成果的比較

淮河較系統(tǒng)的河床演變研究始于 20 世紀(jì)90 年代。為了認(rèn)識(shí)淮河的河性，歷代治淮工作者從豐富的實(shí)測(cè)斷面資料中，歸納總結(jié)出很多實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和規(guī)律，有力地支撐了治淮工程的建設(shè)。但是，以往對(duì)斷面資料的分析過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜，需要人工處理的環(huán)節(jié)較多。雖然也陸續(xù)出現(xiàn)了一些自編程序，但是由于信息集成度低、計(jì)算功能單一，已越來(lái)越難以滿(mǎn)足新時(shí)期治淮的需求。

數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)是高效利用資料的基礎(chǔ)，河床演變理論能為資料分析提供方法，而資料分析也能夠揭示新的現(xiàn)象和規(guī)律，并進(jìn)一步豐富河床演變的理論。因此，三者之間是環(huán)環(huán)相扣，緊密相連的。本系統(tǒng)將收集到的歷次斷面資料集中入庫(kù)，并采用統(tǒng)一的方法和參數(shù)進(jìn)行處理，極大地減少了工作量，為大規(guī)模深入開(kāi)展資料分析創(chuàng)造了可能。為分析成果的合理性，利用系統(tǒng)抽取蚌埠至浮山段河道數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出 2001—2009 年間河道總體表現(xiàn)為沖刷，灘地、主槽的沖刷量分別為 1 419 和 4 396 萬(wàn) m3，與文獻(xiàn) [7] 的計(jì)算是一致的。

3 結(jié)語(yǔ)

淮河河道特性和河床演變的分析研究、治淮工程實(shí)施過(guò)程的監(jiān)視和工程建設(shè)后評(píng)估均以河道觀測(cè)資料分析為前提條件。該系統(tǒng)緊密?chē)@當(dāng)前及進(jìn)一步治淮的需要，收集了大量的實(shí)測(cè)斷面資料并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析，運(yùn)用河流動(dòng)力學(xué)理論，集中提煉了河床演變分析中遇到多項(xiàng)參數(shù)，較為系統(tǒng)地展示了河床演變的全貌。目前，系統(tǒng)已經(jīng)初步試運(yùn)行，今后將通過(guò)多渠道進(jìn)一步充實(shí)斷面數(shù)據(jù)，優(yōu)化現(xiàn)有的指標(biāo)參數(shù)體系，同時(shí)考慮建設(shè)基于 WebGIS 的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，為淮河的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和科研提供基礎(chǔ)性的信息服務(wù)和技術(shù)支撐平臺(tái)。