杭州市标准堤塘数字化建设初步探讨

沈利勤,王 新

(1.杭州市水利设施监管中心,浙江 杭州 310016;2.杭州广川科技有限公司,浙江 杭州 310020)

1 概 况

杭州市地处钱塘江下游,洪涝台旱灾害频繁、潮水伤人事件屡见不鲜。根据《浙江省水利工程管理体制改革实施办法》、《关于钱塘江杭州郊区段标准堤塘管理有关问题的协调会议纪要》、《关于加强杭州市市区标准堤塘管理若干意见的通知》和 《杭州市标准塘管理考核奖励办法》等文件精神,要求实现工程管理的标准化、规范化和制度化以及实现堤塘管理的数字化。

1.1 管理模式

杭州市水利设施监管中心 (以下简称监管中心)系杭州市林业水利局直属全额拨款事业单位,主要职责之一为堤塘工程的建设管理及各区标准堤塘业务指导工作。各基层管理单位除萧山区围垦水利工程管理所为区围垦指挥部所属外,均系各区水利局直属管理,管理单位性质为全额拨款事业单位。管理模式结构见图1。

图1 杭州市标准堤塘管理模式结构图

1.2 业务管理范围

各基层管理所主要业务是堤塘安全运行,主要职能是具体负责所辖区堤塘的管理,具体承担巡查、观测、维护、编制岁修及抢险方案并具体实施,所需的管护经费由杭州市财政补助和各区共同承担。杭州市标准堤塘共计294.6 km,其中市属段合计244.2 km(见表1)。

表1 杭州市标准堤塘工程分布情况表[1-2].km

1.3 现有相关数字系统

(1)现有相关应用系统。现有相关应用系统包括杭州市经济技术开发区江堤河道监管中心管理信息系统、杭州市经济开发区管委会数字城管应用系统、苕溪数字三维河道系统、余杭区苕溪河道管理所办公自动化系统。

(2)已建的现场数据监控系统。已建的现场数据监控系统包括部分水情遥测系统、泵闸站运行遥测系统、视屏监控等现场数据监控系统。

(3)现有网络与通信情况。现有网络与通信情况为:下沙、滨江、笤溪、浦阳江等单位已经建立网络通讯平台,其他管理所已经完成ADSL接入,其中萧山围垦水利工程管理所已经完成光纤到户。

2 数字堤塘建设方案

2.1 数据中心

数据存储与交换平台是应用系统的基础也是整个信息化建设成果生命力的保证,包括数据库及其维护共享接口和备份恢复机制。数据存储与交换平台的主要功能就是为应用系统提供合理、最新的数据支持,因此需要提供更新维护接口。数据资源的合理应用最基本的就是保证数据的安全性和标准化,防止各个系统各行其是,导致信息无法交流,形成信息孤岛,因此需要在数据建设时遵循国家和省里已有的标准规范。信息存储与交换平台也是信息共享的核心,平台的建设除了满足监管中心内部信息共享的需求外,还要实现与外部资源共享。

2.2 网络与通讯平台

网络通信系统是信息化的主要硬件平台和连接通道,根据传输的内容和当地的实际条件可以选择多种方式,在保证可用性和经济性的前提下应尽量使用公网资源。

监管中心的外部通信主要是与各堤塘管理单位、林水局以及各信息采集点的连接。监管中心与各堤塘管理单位采用VPN进行连接,通过权限设定控制其访问相关资源,网络结构见图2。

2.3 业务应用平台

按照各管理单位的业务需求建立数字堤塘业务应用系统 (见图3)。

图2 数字堤塘系统网络结构图

图3 数字堤塘管理系统结构图

2.3.1 海塘资料管理子系统功能

2.3.1.1 地图信息查询

(1)地图信息主要指对象的空间位置信息。系统的地图数据采用1∶10 000矢量图以及0.61m的彩色遥感影像数据,包括的图层要素主要有行政区划、河流、渠道、堤防、丁坝、涵闸、桥梁、堤防上的交叉建筑物、堤防管理所及其观测站、海塘剖面位置等。

(2)地图操作的功能描述主要包括地图浏览 (移动、放大、缩小)、地图量算 (长度、面积)、工程定位、对象属性信息等。

图4 数字堤塘管理系统—电子地图

2.3.1.2 表格信息查询

表格信息主要指结构化数据,使用关系型数据库管理。表格数据按工程类别进行组织,每一个工程使用一个惟一的工程代码表示,每个工程采用多个属性字段来描述工程相关信息 (如海塘等级、迎潮面结构、防浪墙结构、背坡面护面结构等)。是针对通常的工程数据,完成的是常规的MIS查询,功能包括按名称精确查询,模糊查询,多条件组合查询,统计报表等。

2.3.1.3 三维海塘信息查询系统

三维海塘信息查询系统是以信息技术为基础,利用DOM/DEM构建一个真实环境的三维地理信息平台。该系统以VR虚拟现实技术为核心,利用遥感卫星数据(DOM)、数字高程模型(DEM),以及海塘专题矢量数据(DLG),通过 “数字地球”技术模拟出真实的三维地形环境,系统以C/S的方式实现,在此平台基础上利用GIS技术来实现对海塘专题数据库, 交叉建筑物数据库, 以及实时监控数据的查询、统计和分析。部分三维环境见图5。

图5 部分三维环境图

2.3.2 海塘安全监测子系统

钱塘江海塘安全监测自动化系统可实现对重要海塘安全参数的实时、动态监测,根据监测数据和模拟分析结果可预先判定海塘的安全状况,进而掌握钱塘江两岸海塘的安全程度,为海塘的日常维护和抢险提供决策依据。

2.3.2.1 海塘渗流监测

钱塘江海塘渗透破坏类型主要有流土和管涌,其表现形式包括堤内渗压增大、大量江水渗透到堤防的背水坡面或坡脚。渗流监测有点式监测和分布式监测2种形式(见表2)。

表2 渗流监测形式对比表

根据近年来钱塘江两岸堤防工程实际应用[3].,海塘渗流监测采用点式渗压监测系统,对于局部薄弱的堤段可相应增设分布式渗流监测。

2.3.2.2 海塘变形监测

(1)堤防表面位移监测—人工监测。钱塘江堤防多数建在老堤基础之上,地基固结良好,新建堤防后期的表面位移基本很小,因此,堤防表面位移可采用人工监测。当人工定期巡视发现可疑或达到例行检查日期时,采用精度和工效高的全站仪对指定堤段上的测点进行三维位移观测,再将测量数据导入监测分析系统数据库并进行海塘安全稳定性分析计算。

(2)内部变形监测—分布式自动化监测[4].。在海塘的迎水坡或背水坡一定高程处沿纵向布设一条光纤光栅,准分布式变形传感光缆,利用基于光干涉原理的调解仪,可以自动获得堤内变形剖面及其随时间的变化数据,由此分析确定海塘边坡的整体稳定性或潜在滑动面的位置。

2.3.2.3 塘前水位监测

海塘外侧钱塘江水位采用压力传感器进行监测,在堤脚外侧布置水位管,在管内悬挂传感器,根据传感器的安装高程和实测压力可得到江面的水位。海塘内侧水位采用渗压计监测。监测断面塘前安装浮子式水位计[5].,实时获取水位数据。

2.3.2.4 塘前滩地高程监测

塘前滩地高程沿用人工观测方法,并将测量资料输入监测分析系统数据库,以供海塘安全稳定分析之用。

2.3.2.5 监测站的建设

在选定的监测断面现场建监测房1座,内放置渗压、水位传感器的采集模块和光纤传感器的解调设备,并且为所有设备供电。采集的数据通过E1设备接入光纤通信线路,传到中心机房。

2.3.2.6 交叉建筑物管理

交叉建筑物的管理通过电子地图、属性信息查询的方式实现(见图6)。

图6 数字堤塘管理系统—交叉建筑物图

2.3.2.7 海塘安全运行预警与决策系统

通过现场数据采集设备,将监测数据自动采集并存入中心数据库。数据经过渗流分析和稳定分析后,输出结果,以供管理部门对海塘安全运行情况进行分析和决策。

(1)系统结构。系统采用C/S模式,分为基本参数管理、监测数据管理、安全稳定分析及预警、模拟演示、用户管理和系统帮助共6块。现场监测系统通过信号转换器和光缆,接入钱塘江海塘安全预警系统,以实现监测数据自动采集和整编分析。

(2)基本参数管理。“基本参数管理”菜单如图7、8所示,主要包含了 “土层参数”、“滩地高程”和 “预警参数”3个部分。

(3)监测参数管理。“监测参数管理”菜单主要包含了“渗压计水位”(见图9)、“渗压计考证表” 和“测斜仪考证表”3个部分。通过该模块,可掌握所需时段的渗压计实测水位情况。图9下部为渗压计水位时间过程线,表示每个渗压计随时间的变化情况。

图7 基本参数管理界面图

图8 土层参数界面图

图9 渗压计水位界面图

图10 整体稳定计算演示界面图

(4)安全分析及预警。“安全分析及预警”菜单主要包含了 “渗流稳定计算”、“整体稳定计算”(见图10)和“测斜仪位移计算”3个部分。图10中,黄色单元格(斜线部分)表示该值已经超过预警值中设定的可疑值,如果是红色则表示该值已经超过预警值中设定的警戒值。同时,界面上的“安全情况”灯也会根据所有数据中最大的警戒情况来进行预警。

2.3.3 防潮安全管理子系统

2.3.3.1 防潮安全设施管理

主要是进行对安全防护门、宣传标语、安全警示牌、宣传牌、管理岗亭等防潮安全设施的管理;及时记录安全设施的检查情况,维修情况等,以便掌握设施现状,并能通过统计以分析安全设施的易损地点,好加强防范措施。图像监视系统结构见图11。

图11 视屏监控系统结构图

2.3.3.2 防潮预案与文件

用于查询相关的规章制度,比如《杭州市钱塘江防潮安全管理办法》等。防潮预案用于管理各区提交的防潮预案,可以方便地查看各个区的防潮工作预案,以及实现对预案的全文检索。防潮人员主要是进行防潮相关责任人员的基本信息管理,如责任区、分管领导、职务、牵头部门、联系人、职务、电话、处罚部门、联系人、电话等,以及各区防潮巡防人员的管理,如堤防段名称、巡防人员姓名、联系电话等。

2.3.4 防汛安全管理子系统

防汛安全管理子系统见图12所示。其中防汛物资管理主要用来管理防汛工作灯、救生衣、防汛编织袋、土工布、砂石料等防汛物资,包括物资储备地点,物资类别及数量等,方便防汛抢险时使用(见图13)。

图12 防汛安全管理子系统结构图

图13 数字堤塘管理系统—防汛仓库图

2.3.5 海塘养护管理子系统

海塘养护管理系统包括塘身、护塘建筑物、交叉建筑物、护塘地等的养护记录查询与输入。

2.3.6 泵闸站运行管理子系统

设立泵闸站运行数据的中心数据库,海塘上各泵闸站主动上报运行状态数据(闸门开孔数、开启高度、闸上水位、闸下水位、时间等)到中心数据库,可以考虑每5 min或运行状态改变时报1次数据。系统包括实时工况查询和历史运行记录查询,以表格或图形方式显示(见图14)。

图14 泵闸站运行管理系统图

2.3.7 信息发布子系统

信息发布子系统实行内、外分级制度,根据信息的重要程度和保密等级,实行分级发布的方式。包括WEB信息发布平台功能、手机信息发布平台功能、PDA信息发布平台功能。

3 结 语

(1)在现有数字系统的基础上建立起来的堤塘管理业务应用平台—杭州市数字堤塘管理系统,包括海塘资料、海塘安全、防潮安全、防汛安全、堤塘养护、泵闸站运行、信息发布管理子系统。

(2)建设杭州市数字堤塘建设,以信息化、自动化为手段,可提高相关管理单位的管理效率和管理水平。

(3)数字堤塘管理系统向杭州市相关各部门提供所辖标准堤塘的各种信息,满足不同部门工作需要,实现杭州市标准堤塘管理工作的数字化和科学化,同时增强防洪决策的科学性,提高工作效率和决策支持水平,并尽量减少人员伤亡事故,具有显著的社会效益和经济效益。

[1].叶利伟,朱雪坤,金晓剑.建立水利设施长效管理体制与运营机制的研究与思考—以浙江省杭州市标准堤塘为例 [J]..水利发展研究,2007(10):24-28.

[2].浙江广川工程咨询有限公司,等.杭州市标准堤塘工程资料汇编 [R]..杭州:浙江广川工程咨询有限公司,2009.

[3].王卫标.钱塘江海塘风险分析和安全评估研究 [D]..杭州:浙江大学,2005.

[4].许明情.岩土工程安全监测自动化系统的研究 [D]..长沙:中南大学,2008.

[5].祝玲,卢胜利,马国华,等.智能浮子式水位计[J]..传感器与微系统,2006(6):52-54.

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