淤地壩信息管理系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

侯紅雨，史玉龍，趙光成，高思達(dá)，蓋永崗

[1.云河(河南)信息科技有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003]

1 研發(fā)背景

淤地壩是黃土高原地區(qū)人民群眾在長期與水土流失斗爭中創(chuàng)造的一種行之有效的水土保持工程措施，在攔泥保土、減少入黃泥沙、防洪減災(zāi)、淤地造田、鞏固退耕還林(草)、保障生態(tài)安全，以及促進(jìn)糧食生產(chǎn)、水資源合理利用、經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)定發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用，是黃土高原水土流失綜合治理的關(guān)鍵措施之一。根據(jù)《黃河流域水土保持公報(2020年)》，截至2020年，黃河流域黃土高原地區(qū)有淤地壩58 129座。淤地壩量大面廣，分布于黃土高原千溝萬壑，有的位置偏遠(yuǎn)、交通不便，有的建設(shè)年代久遠(yuǎn)(有3.2萬座建于20世紀(jì)90年代前)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、泄洪設(shè)施不完善，加之整體管理手段特別是信息化管理手段落后，導(dǎo)致淤地壩防汛任務(wù)重、責(zé)任壓力大、監(jiān)管落實難。多年來，雖然國家監(jiān)管部門與地方水行政主管部門相繼加強了淤地壩的管理，但管理現(xiàn)狀仍不容樂觀，依然處于粗放式管理階段，尤其是信息化管理手段極為落后[1]。

在中共中央 國務(wù)院印發(fā)的《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》(以下簡稱《規(guī)劃綱要》)中明確提出，“建立跨區(qū)域淤地壩信息監(jiān)測機制，實現(xiàn)對重要淤地壩的動態(tài)監(jiān)控和安全風(fēng)險預(yù)警”。在水利部印發(fā)的《推動黃河流域水土保持高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》《水土保持“十四五”實施方案》中均提出，要加快安全監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施建設(shè)，實現(xiàn)淤地壩動態(tài)監(jiān)控和安全風(fēng)險預(yù)警，建立跨區(qū)域監(jiān)管信息平臺。為貫徹落實《規(guī)劃綱要》和水利部有關(guān)要求，按照水利部智慧水土保持建設(shè)的總體要求，加快淤地壩信息管理系統(tǒng)建設(shè)十分必要。信息管理系統(tǒng)建設(shè)對建立淤地壩多維多尺度時空數(shù)據(jù)庫，支撐淤地壩日常運行維護(hù)管理，落實淤地壩安全度汛管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源跨地區(qū)、跨部門互通共享，提升淤地壩信息服務(wù)和決策管理能力具有重要意義。

近年開展的淤地壩安全風(fēng)險預(yù)警，雖核實了多座中型以上淤地壩坐標(biāo)位置和工程特性，但對黃河重要支流、主要小流域壩系范圍內(nèi)淤地壩的數(shù)量及分布，每座淤地壩的地理坐標(biāo)、壩體屬性(壩高、壩頂長、壩頂寬)、淤積狀況、工程運行狀況，以及影響區(qū)域自然地理條件，特別是下游影響區(qū)居民、重要設(shè)施等資料掌握不全。雖建立了工程信息數(shù)據(jù)庫，但數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)匱乏，數(shù)據(jù)格式與隱患排查數(shù)據(jù)格式不一致，系統(tǒng)功能單一，缺乏前端可視化功能、科學(xué)高效的多維統(tǒng)計與分析功能，已不滿足當(dāng)下國家對淤地壩的監(jiān)管要求。目前，雖已建立黃土高原地區(qū)淤地壩監(jiān)管與安全預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)，但是從模型的角度而言，預(yù)報預(yù)警模型僅考慮淤地壩壩體屬性、壩控面積、淤積狀況及周邊植被覆蓋情況、下墊面等參數(shù)，且有些淤地壩因設(shè)計年代久遠(yuǎn)而資料匱乏，故模型參數(shù)率定難度大，僅粗放式地從宏觀角度提供了預(yù)報預(yù)警基礎(chǔ)模型。而從系統(tǒng)應(yīng)用的角度而言，缺乏將預(yù)報預(yù)警模型轉(zhuǎn)化為支撐預(yù)報預(yù)警功能的應(yīng)用系統(tǒng)，難以實現(xiàn)國家對淤地壩安全度汛的“四預(yù)”要求[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

通過對水利部智慧水利頂層設(shè)計與智慧水土保持建設(shè)方案的解析，充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與技術(shù)條件，通過監(jiān)測感知設(shè)施，采集實時數(shù)據(jù)，融合遙感數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、傾斜影像、氣象數(shù)據(jù)等，建設(shè)淤地壩數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建智能模型，并通過數(shù)據(jù)底板驅(qū)動智能業(yè)務(wù)模型，實現(xiàn)安全度汛“四預(yù)”等業(yè)務(wù)的深度應(yīng)用。

2.1 總體架構(gòu)

以《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》為主要參考依據(jù)，建立淤地壩信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，見圖1。

圖1 淤地壩信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)底板建設(shè)

數(shù)據(jù)底板建設(shè)主要是指建立多維多尺度數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)主要有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、外部關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)及地理空間數(shù)據(jù)。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括淤地壩基本信息，如淤地壩所屬省(自治區(qū)、直轄市)、市、縣(區(qū))、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，淤地壩名稱、類型、結(jié)構(gòu)、控制面積、壩體屬性、庫容，淤地壩所在位置坐標(biāo)、所屬流域、建成時間等； 淤地壩下游影響區(qū)信息，如下游影響區(qū)村莊、居民、重要設(shè)施、社會經(jīng)濟(jì)狀況等信息；淤地壩管護(hù)信息，如淤地壩責(zé)任管護(hù)主體，淤地壩行政責(zé)任人、技術(shù)責(zé)任人和巡查責(zé)任人的姓名、聯(lián)系方式、職務(wù)等信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括雨量計、水位計、陣列位移計、拉繩位移計等監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)測數(shù)據(jù),以及視頻監(jiān)控設(shè)備采集的視頻及圖像等。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要包括淤地壩安全運行及與之相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。外部關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)主要收錄與淤地壩信息管理有關(guān)的來自外部的數(shù)據(jù)。地理空間數(shù)據(jù)主要包括DEM、DOM、BIM、傾斜攝影等數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計

數(shù)據(jù)底板建設(shè)完成后，可通過不同維度的數(shù)據(jù)組合，對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)按需求進(jìn)行統(tǒng)計、分析、匯總。結(jié)果可以表格、直方圖、專題圖等形式展示；也可利用統(tǒng)一代碼將圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)連接，生成單要素或多要素的統(tǒng)計圖表；還可利用遙感技術(shù)對水文類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、展示。

(1)分布概況查詢統(tǒng)計?？砂唇ǔ赡甏?、行政區(qū)劃、樞紐組成、庫容等，實現(xiàn)宏觀的基于淤地壩基本信息的查詢統(tǒng)計，采用餅狀圖和柱狀圖切換展示統(tǒng)計結(jié)果，見圖2。

圖2 分布概況查詢統(tǒng)計界面

(2)監(jiān)測信息查詢統(tǒng)計。可按監(jiān)測設(shè)施統(tǒng)計、工情報警信息統(tǒng)計等，實現(xiàn)多類別物聯(lián)感知設(shè)施的查詢統(tǒng)計，見圖3。

圖3 監(jiān)測信息查詢統(tǒng)計界面

(3)運行監(jiān)管查詢統(tǒng)計?？砂词∈锌h巡查統(tǒng)計、隱患統(tǒng)計、巡查記錄統(tǒng)計、整改統(tǒng)計等，實現(xiàn)淤地壩工情與人員的動態(tài)管理，見圖4。

圖4 運行監(jiān)管查詢統(tǒng)計界面

2.4 暴雨洪水預(yù)報預(yù)警

2.4.1 暴雨洪水預(yù)報

基于氣象部門降雨預(yù)報成果和監(jiān)測系統(tǒng)降雨監(jiān)測成果，采用降雨徑流經(jīng)驗公式法等，構(gòu)建小流域暴雨洪水預(yù)報模型[3]，以骨干壩、下游有保護(hù)對象的淤地壩為暴雨洪水預(yù)報方案建設(shè)重點，進(jìn)行洪量預(yù)報，為淤地壩洪水預(yù)警、防洪搶險等工作安排盡可能延長預(yù)見期，其暴雨洪水預(yù)報流程見圖5。

圖5 暴雨洪水預(yù)報流程

2.4.2 降雨預(yù)報及影響分析

(1)降雨預(yù)報。結(jié)合5 km格網(wǎng)精度的24 h降雨預(yù)報，形成降雨等值面圖，以GIS一張圖進(jìn)行展示，見圖6。

圖6 降雨預(yù)報疊加顯示界面

(2)降雨影響分析。通過對雨區(qū)淤地壩信息的統(tǒng)計，進(jìn)行降雨影響分析。在降雨預(yù)報范圍內(nèi)根據(jù)不同雨區(qū)的覆蓋情況，對雨區(qū)內(nèi)淤地壩信息進(jìn)行多維統(tǒng)計與分析，包括雨區(qū)淤地壩數(shù)量統(tǒng)計、影響人數(shù)統(tǒng)計、重要設(shè)施統(tǒng)計、不同降雨量影響淤地壩統(tǒng)計等，可采用餅狀圖和柱狀圖切換展示統(tǒng)計結(jié)果(見圖7)。

圖7 雨區(qū)覆蓋淤地壩信息多維統(tǒng)計界面

2.4.3 暴雨洪水預(yù)報預(yù)警模型構(gòu)建

運用降雨徑流經(jīng)驗公式實現(xiàn)對洪峰流量、洪水總量和洪水過程線等洪水要素的計算，構(gòu)建暴雨洪水預(yù)報預(yù)警模型。通過構(gòu)建匯水面積與洪峰流量、洪水總量的經(jīng)驗關(guān)系進(jìn)行洪峰流量和洪水總量的計算，再通過三角形法等進(jìn)行洪水過程線的計算。經(jīng)驗公式在各地的表達(dá)形式不盡一致，一般選取與洪水要素密切相關(guān)的因子，構(gòu)建其與洪水要素的地區(qū)經(jīng)驗關(guān)系，且需根據(jù)實際情況進(jìn)行驗證，并結(jié)合各地水文手冊進(jìn)行應(yīng)用。

(1)計算洪峰流量的經(jīng)驗公式一般可采用以下兩種方法。

采用洪峰流量匯水面積相關(guān)法計算洪峰流量，其公式為

QP=KNFn

(1)

式中：QP為洪峰流量，m3/s;KN、n為重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗參數(shù)、指數(shù)；F為匯水面積，km2。

采用綜合參數(shù)法計算洪峰流量，其公式為

(2)

(3)

(4)

(2)洪水總量可按經(jīng)驗公式(5)或(6)進(jìn)行計算。

WP=φHPF

(5)

WP=AFr

(6)

式中：WP為洪水總量，萬m3；φ為洪水總量徑流系數(shù)，可由當(dāng)?shù)厮氖謨圆榈茫籄、r為洪水總量地理參數(shù)、指數(shù)；其余字母含義同前。

(3)結(jié)合式(2)～(6)的計算結(jié)果，將預(yù)報預(yù)警模型轉(zhuǎn)換為可被計算機系統(tǒng)識別的代碼，通過疊加降雨預(yù)報信息，形成暴雨洪水預(yù)報結(jié)果，再結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中庫容、控制面積、溢洪道等數(shù)據(jù)，對預(yù)報結(jié)果進(jìn)行綜合評判，分析確定淤地壩暴雨洪水風(fēng)險預(yù)警區(qū)域和預(yù)警級別，向相關(guān)主管部門推送預(yù)警信息。根據(jù)暴雨預(yù)報信息，淤地壩預(yù)警級別劃分如下：當(dāng)洪水入庫量占剩余庫容的95%時，為高危險；當(dāng)洪水入庫量占剩余庫容的80%時，為危險級；當(dāng)洪水入庫量占剩余庫容的60%時，為警示級。針對已淤滿的淤地壩，發(fā)送工情預(yù)警。

2.4.4 汛情預(yù)警查詢

將暴雨洪水預(yù)警信息以圖例的形式顯示在GIS底圖中，包含不同預(yù)警等級下的淤地壩數(shù)量統(tǒng)計、影響人數(shù)統(tǒng)計、重要設(shè)施統(tǒng)計、病險老舊壩影響人數(shù)統(tǒng)計等，也可按行政區(qū)劃進(jìn)行查詢歸類，同時在GIS底圖中顯示不同預(yù)警等級淤地壩的位置，并可點擊任意一處查詢預(yù)警淤地壩的分布概況，見圖8、9。

圖8 預(yù)警信息查詢界面

圖9 預(yù)警淤地壩分布概況顯示界面

2.4.5 預(yù)報預(yù)警提醒

在淤地壩信息管理系統(tǒng)中，結(jié)合降雨預(yù)報信息，通過暴雨洪水預(yù)報預(yù)警模型計算分析，可較精確地掌握不同雨區(qū)覆蓋情況及淤地壩運行情況，對可能出現(xiàn)的險情及時在界面上發(fā)送預(yù)報預(yù)警提醒，并在線發(fā)布，相關(guān)負(fù)責(zé)人可即時收到，為淤地壩安全度汛提供了預(yù)防期，見圖10。

圖10 預(yù)警信息發(fā)布界面

3 結(jié) 語

通過對淤地壩現(xiàn)狀與信息管理需求進(jìn)行分析，在《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》的指導(dǎo)下，初步實現(xiàn)了淤地壩信息化管理與應(yīng)用。鑒于目前淤地壩數(shù)量大、分布廣，基本信息核準(zhǔn)困難，而基于降雨徑流經(jīng)驗公式法的預(yù)報預(yù)警模型，需要對不同地區(qū)的徑流系數(shù)進(jìn)行逐一核準(zhǔn)，操作難度較大，下一步應(yīng)逐漸完善數(shù)據(jù)底板的建設(shè)，以便提供更準(zhǔn)確、更高效、更科學(xué)的信息化管理手段。