劉 恒

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

我國(guó)是水資源大國(guó)，同時(shí)也是水患多發(fā)國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)洪澇災(zāi)害造成的損失在各種災(zāi)害中居第一位。渾河作為沈陽(yáng)市的內(nèi)河，歷史上曾多次發(fā)生洪澇災(zāi)害。其中，1995年大洪水使渾南地區(qū)2/3面積受淹，受災(zāi)人口近200萬人，造成全市經(jīng)濟(jì)損失76.2億元，防洪形勢(shì)十分嚴(yán)峻，在全國(guó)重點(diǎn)防洪城市中位列第三。隨著沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)區(qū)一體化和“渾南大開發(fā)”戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，沈陽(yáng)市政府適時(shí)提出了把渾河打造成“世界一流名河”的發(fā)展目標(biāo)，渾河沿線已成為沈陽(yáng)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(yùn)行是沈陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障和關(guān)鍵所在。因此，急需實(shí)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(yáng)市防洪管理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境高速發(fā)展對(duì)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(guó)先后提出了“數(shù)字黃河”、“數(shù)字長(zhǎng)江”等一系列數(shù)字河流的建設(shè)規(guī)劃。但國(guó)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(tái)建設(shè)和應(yīng)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(duì)渾河現(xiàn)代化管理需求，開展了大量的技術(shù)攻關(guān)和實(shí)踐，研究出集洪水預(yù)報(bào)調(diào)度、河道洪水演進(jìn)模擬、流域虛擬現(xiàn)實(shí)、河道風(fēng)險(xiǎn)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(bǔ)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(diǎn)開展，渾河僅沈陽(yáng)城市段已建橡膠壩4座、攔河壩2座、并呈梯級(jí)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(shí)間為約束條件的城市河流橡膠壩群的聯(lián)合控制運(yùn)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(shí)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(yīng)用技術(shù)兩大方面開展研究。

2 研究目標(biāo)

充分運(yùn)用現(xiàn)代高科技手段，研發(fā)形成了一套先進(jìn)實(shí)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(shí)驗(yàn)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)渾河治理開發(fā)和管理的各種方案進(jìn)行模擬與分析;應(yīng)用洪水預(yù)報(bào)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)河道現(xiàn)代數(shù)字化管理;針對(duì)橡膠壩特點(diǎn)提出渾河沈陽(yáng)城市段橡膠壩群的聯(lián)合控制運(yùn)用方案，開發(fā)聯(lián)合調(diào)度數(shù)字化管理平臺(tái)，建立流域及其相關(guān)地區(qū)的數(shù)字化研究環(huán)境，實(shí)現(xiàn)流域洪水預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)分析、樞紐聯(lián)合調(diào)度和三維空間展示;運(yùn)用全線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)河道管理部門的專業(yè)信息化與會(huì)商支持。

3 物理模型建設(shè)技術(shù)

針對(duì)渾河沈陽(yáng)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(cè)在宣泄各設(shè)計(jì)頻率洪水時(shí)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(jì)參數(shù)、河道工程治理方案以及近期、遠(yuǎn)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(shí)，準(zhǔn)確地提供洪水淹沒區(qū)域和淹沒深度，計(jì)算出社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各方面的災(zāi)情損失情況，并提供人群撤離和減災(zāi)決策。

3.1 地理實(shí)驗(yàn)相似建模

提出虛擬地理實(shí)驗(yàn)相似建模的基本理論與流程，基于虛擬地理實(shí)驗(yàn)的相似性理論實(shí)現(xiàn)物理模型實(shí)驗(yàn)成果的數(shù)字化模擬。建立動(dòng)態(tài)復(fù)雜性地理系統(tǒng)試驗(yàn)方法和虛擬地理試驗(yàn)環(huán)境的三維信息獲取與綜合建模方法?；诹鲌?chǎng)測(cè)量系統(tǒng)、智能流速儀和傳感器網(wǎng)絡(luò)體系等技術(shù)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)參數(shù)的采集與管理。完成物模與數(shù)模洪水演進(jìn)的協(xié)同聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)合水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，開發(fā)了河道、灘地洪水演進(jìn)模型，準(zhǔn)確提供洪水淹沒區(qū)域和淹沒深度，為防洪風(fēng)險(xiǎn)分析提供依據(jù)。實(shí)現(xiàn)了物理模型實(shí)驗(yàn)的空間參數(shù)、水力學(xué)參數(shù)、模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)和成果信息的數(shù)字化管理。

3.2 試驗(yàn)觀測(cè)方法

試驗(yàn)在多功能試驗(yàn)廳內(nèi)完成，大廳長(zhǎng)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(kù)各1座。配套設(shè)施有流場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)1套，水位、流速自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)各1套，活動(dòng)控制室1間，以及各種測(cè)量、測(cè)試設(shè)備，最大循環(huán)供水流量1000L/s。分別采用流場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)VDMS、河工模型水位流速測(cè)量系統(tǒng)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)河道內(nèi)流量和水位的水情信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，為數(shù)字化計(jì)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(jìn)模擬技術(shù)

該功能實(shí)現(xiàn)了洪水演進(jìn)的模擬，根據(jù)河道高程條件，在三維場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)渲染，計(jì)算河道邊界淹沒線，并進(jìn)行三維渲染，通過視景深度計(jì)算、水面以及河岸法線計(jì)算、光照渲染效果計(jì)算等，逼真模擬水面、河道邊界變化。當(dāng)設(shè)置好洪水參數(shù)后，便可以進(jìn)行洪水演進(jìn)過程的動(dòng)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(shí)，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)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(jìn)行防汛調(diào)度系統(tǒng)決策提供依據(jù)。

洪水演進(jìn)模型采用元胞自動(dòng)的洪水演進(jìn)計(jì)算方法。該方法在離散時(shí)間和離散空間的框架下對(duì)河水流動(dòng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行模擬，因此將實(shí)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(shí)間單元間隔Δt不斷演化。根據(jù)本文采用的計(jì)算法則，某一個(gè)格網(wǎng)的單寬流量變化率是由水平或豎直方向上的兩個(gè)格網(wǎng)的高程值決定，即T+2Δt時(shí)刻的單寬流量由T時(shí)刻的單寬流量以及T+Δt時(shí)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(gè)格網(wǎng)的單寬流量決定，即T+3Δt時(shí)刻的高程值由T+Δt時(shí)刻的高程值以及 T+2Δt時(shí)刻的單寬流量決定。

根據(jù)洪水演進(jìn)的計(jì)算方法和已有的觀測(cè)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(jì)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(duì)一個(gè)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(yù)報(bào)預(yù)警模型技術(shù)

渾河大沈區(qū)間洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的建立將充分運(yùn)用水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)及語(yǔ)音報(bào)汛系統(tǒng)采集到的水雨情信息，對(duì)渾河從大伙房到沈陽(yáng)站區(qū)間流域的水文預(yù)報(bào)與洪水演進(jìn)工作進(jìn)行全面的自動(dòng)化、信息化支持。采用的沈陽(yáng)站實(shí)用洪水預(yù)報(bào)模型為蓄滿產(chǎn)流模型，并根據(jù)渾河流域特點(diǎn)研究確定了渾河流域的預(yù)報(bào)參數(shù)。

該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大伙房水庫(kù)實(shí)際的放水情況演算到沈陽(yáng)站的流量過程預(yù)報(bào)。通過從水文自動(dòng)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的水庫(kù)的實(shí)際放水過程信息，演算沈陽(yáng)站的流量過程和水位過程，并計(jì)算出該次放水的洪水總量和不同流量的傳播時(shí)間。用戶也可手動(dòng)維護(hù)水庫(kù)的放水情況，并將最后的預(yù)報(bào)成果進(jìn)行保存，供管理和發(fā)布的需要。水文預(yù)報(bào)方法采用兩種模型進(jìn)行，當(dāng)水庫(kù)放水采用階梯型放水時(shí)，利用納稀S曲線法進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)水庫(kù)放水過程類似于自然洪水過程時(shí)，利用馬斯京根法抵償河長(zhǎng)多河段連續(xù)演算法進(jìn)行計(jì)算。洪水預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)修正方法采用水文時(shí)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(yù)報(bào)下一時(shí)段的誤差值。

5 樞紐聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用系統(tǒng)

首次提出以抗御能力為參數(shù)的橡膠壩控制運(yùn)用方案，以調(diào)度允許時(shí)間為約束條件，提出了城市河流橡膠壩群的聯(lián)合控制運(yùn)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(jí)橡膠壩群的優(yōu)化調(diào)度，填補(bǔ)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(yùn)用方案

隨著沈陽(yáng)市對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的建設(shè)需求，對(duì)渾河沈陽(yáng)段的水生態(tài)環(huán)境的建設(shè)要求也越來越高，沈陽(yáng)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(yáng)市的水生態(tài)環(huán)境。沈陽(yáng)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(dá)到上億m3(相當(dāng)于大型水庫(kù))。另外，渾河上游的大伙房水庫(kù)對(duì)沈陽(yáng)市的防洪工作影響較大，如何合理有效地進(jìn)行渾河梯級(jí)樞紐的聯(lián)合調(diào)度和風(fēng)險(xiǎn)分析，關(guān)系到沈陽(yáng)市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本研究主要完成內(nèi)容如下:

a.渾河沈陽(yáng)城市段梯級(jí)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(kù)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(shí)用調(diào)度圖編繪與制作。

d.各區(qū)段控制運(yùn)用方案的編制。

5.2 聯(lián)合控制運(yùn)用系統(tǒng)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了渾河沈陽(yáng)城市段樞紐模擬控制平臺(tái)的搭建，操作人員通過該系統(tǒng)可以模擬各個(gè)樞紐動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程，監(jiān)控各個(gè)樞紐的運(yùn)行狀態(tài)，并可生成相應(yīng)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?jí)吻八弧?，其次輸入?duì)應(yīng)的流量過程時(shí)間段，選擇“樞紐狀態(tài)”，選擇一種調(diào)度方式?？梢园褧r(shí)段流量添加到列表中，刪除列表中時(shí)段流量。通過VB與數(shù)據(jù)庫(kù)SQL SERVER 2000進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。

6 信息化管理平臺(tái)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊專線，實(shí)現(xiàn)各級(jí)部門之間的網(wǎng)絡(luò)連接、資源共享和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化辦公，為各子系統(tǒng)的運(yùn)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(yuǎn)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(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)4個(gè)管理所的16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)視頻信息遠(yuǎn)程傳輸與系統(tǒng)開發(fā)。具體包括:干河子船閘管理所4個(gè)視頻監(jiān)控，王家灣橡膠壩管理所4個(gè)視頻監(jiān)控，沈水灣船閘管理所4個(gè)視頻監(jiān)控，砂山橡膠壩管理所4個(gè)視頻監(jiān)控，管理中心視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)。

6.3 綜合會(huì)商平臺(tái)技術(shù)

綜合會(huì)商平臺(tái)建設(shè)在沈陽(yáng)市水利局，會(huì)商系統(tǒng)主要由DLP數(shù)據(jù)投影機(jī)、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(jī)、有線電視、攝像機(jī)、多媒體計(jì)算機(jī)等的音視頻信號(hào)，但在會(huì)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(huì)議提供所需材料，用于防汛調(diào)度工作的會(huì)商決策或會(huì)議報(bào)告。

6.4 決策支持系統(tǒng)技術(shù)

近年來，圍繞渾河沈陽(yáng)城市段已開展多個(gè)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(dú)立運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。但各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，無法將其成果信息快速整合到一起，然而，防汛過程中時(shí)間緊迫，決策者必須在有限的時(shí)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(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)了各專業(yè)子系統(tǒng)的集成，建立綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，無縫銜接各專業(yè)子系統(tǒng)成果數(shù)據(jù)庫(kù)，為不同級(jí)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(zhǔn)確地調(diào)用各子系統(tǒng)成果信息，以及對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行操作。系統(tǒng)建成后，將規(guī)范防汛業(yè)務(wù)流程，變被動(dòng)防汛為主動(dòng)防汛。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)城市河流的開發(fā)越來越重要，“數(shù)字渾河”為實(shí)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(yàn)。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?？茖W(xué)驗(yàn)證了渾河沈陽(yáng)城市段的防洪標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)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(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境效益巨大。由于河道受人類改造活動(dòng)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(shí)俱進(jìn)的完善，因此，需要建立一套完善的管理與動(dòng)態(tài)維護(hù)機(jī)制，以保證研究成果能夠在長(zhǎng)期的應(yīng)用過程中發(fā)揮重要的作用。

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