长江荆江段河道崩岸预警系统设计初探

李圣伟

摘要：多年来，荆江河段崩岸频繁，给长江保护与治理带来了不利影响，為此开展荆江河段河道崩岸预警十分必要和迫切。结合河道及水文泥沙信息系统开发实践，研究了河道崩岸预警系统的总体框架、系统结构、数据库设计、数据分析处理及入库和功能设计，探讨建立荆江河段河道崩岸预警系统，以提供崩岸数据采集、管理、分析、预警、表现、发布等多元化信息服务，为崩岸预警和应急抢险提供技术支持，从而为荆江河段的科学治理提供决策依据。

关键词：河道崩岸;预警系统;水文泥沙;信息系统;荆江河段

中图法分类号：TV85

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.08.013

崩岸是存在于江河海岸中的一种自然现象，欧美河流历史上曾发生过多次崩岸，我国大江大河也存在崩岸现象[1]，尤其是汛期和汛后，以长江中下游河段最为典型[2]。河道崩岸会破坏岸坡稳定，威胁防洪工程安全，影响河势稳定，阻碍岸线开发利用，不利于维持良好的航道条件，对充分发挥河流综合服务功能造成不利影响。崩岸受水动力条件、泥沙输移条件、河床边界条件以及河道形态等多种因素影响，其成因和机理十分复杂这[3-5]。多年来，荆江河段崩岸频繁，影响荆江防洪与河势稳定，给长江航运、两岸经济建设和人民生命财产安全带来严重威胁[6]。

为确保荆江大堤和长江干堤的安全，服务荆江防洪、河道整治、航道整治和地方经济建设，保障长江经济带发展的水安全，建立河道崩岸预警系统具有重要的现实意义。目前，河道崩岸预警尚处于起步阶段，没有成熟的崩岸预警信息系统。本文结合河道及水文泥沙信息系统开发实践，基于数据库技术、网络技术和地理信息系统技术，通过对崩岸综合监测数据的采集、存储、管理和分析，结合理论分析，综合现场监测、崩岸巡查和远程视频监控，分析崩岸发生的机理及初步演变规律，构建崩岸预测模型，探讨建立崩岸数据采集、管理、分析、预警、表现、发布为一体的人机交互式的荆江河段河道崩岸预警系统。

1 系统总体设计

人机交互式的河道崩岸预警系统框架见图1。主要包括：

（1）收集整理崩岸的水流条件、河流边界、河床组成、地下水及渗流、环境要素及人类活动调查资料，将数据整理成规范格式，遥测和实时监测设备的监测数据则通过数据处理终端接人系统提供的入库接口。

（2）利用综合监测成果，结合理论分析荆江段河岸土体的组成与力学特性，开展崩岸机理的定量分析，研究崩岸发生的机理及演变规律，建立崩岸预测模型，对崩岸发生的时间、形式、范围进行初步预测预警。

（3）应用系统开发。按照软件工程的要求，将整个系统的开发过程分为需求分析、系统设计、系统编码和测试、系统运行和维护4个阶段进行。

（4）完成系统集成，将硬件平台、网络设备、操作系统和开发的应用软件，集成为功能和信息相互关联、统一和协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理，并部署安装，进行系统运行。

系统收集、整理、存储、管理相关崩岸监测数据，并提供崩岸信息的多条件多组合查询，在分析水文泥沙和河道演变、岸坡变形崩岸等基础上，利用崩岸预测预报模型，结合现场监测、巡查、远程监测和视频监控情况，以人机交互的方式，对崩岸发生的时间、形式、范围进行初步预测预报，并提供崩岸段不同时期地形变化的直观、逼真的三维成果，提供基于互联网的各种崩岸监测信息、信息分析成果和预警成果的查询及发布。系统总体上分为5个子系统：数据库管理子系统、信息查询子系统、崩岸分析预警子系统、三维可视化子系统和崩岸信息服务子系统，见图2。

2 数据库设计与数据处理

2.1 数据库设计

系统数据库由空间数据库、业务数据库和崩岸模型库组成。

按照业务数据实际需求，以现有崩岸相关资料为依据进行整理入库和实时入库;空间数据中矢量数据采取分幅和分要素组织的混合形式，将数据分为不同的要素图层分幅，并存储在系统空间数据库中，DEM和影像数据则按照测量项目的不同，分批次分块组织存储;崩岸模型库管理组织崩岸预警的数学模型和相关参数、预测岸坡的稳定系数和分级评价指标，以二维表的形式物理存储在数据库中。

2.2 数据分析

系统数据按更新频率高低可划分为：①实时监测数据，如实时雨情数据、现场预埋的安全监测传感器数据和摄像头等远程在线监测数据等，其更新频率可为数天、数小时、数分钟或数秒。②历史监测成果，包括水文整编资料、河道地形数据、河床组成等，其更新频率不等。水文整编资料数据一般按年整编，主要由相关水文部门负责整编。长江中下游长程河道地形5a测一次，局部重点河段la数次，河道应急测量时数天就测量一次，河道断面数据la更新数次，河道地形及断面数据主要由长江水利委员会水文局下属河道勘测局测量。其他数据更新频率一般为数月或数年。③基础地理数据、档案数据和模型数据等其他数据。基础地理数据主要有卫星遥感获取的影像数据或地理信息系统生成的基础地理信息，如行政边界、流域边界、河流等矢量数据或生成的DEM数据等，更新频率一般为数月或数年。档案数据和模型数据的更新频率一般为数月或数年。

按数据的内容可划分为来水来沙条件数据、河道边界条件数据、河床组成数据，地下水及渗流数据、环境要素数据以及人类活动调查数据等。

按数据属性可分为属性数据和空间数据：①属性数据，主要是按关系型数据库表结构格式存储的数据，如断面实测数据、水位、流量、降水、含沙量、波浪、风速风向、河床组成、地下水位、渗流（压）、孔隙水压力、岸边植被状况、视频、照片以及崩岸巡查报告和人类活动调查报告等分析报告。②空间数据，包括矢量型和光栅型两类。前者是指以矢量格式储存的地形图，如水下地形图、流态图等;后者是指以光栅格式储存的各种图形，例如遥感图像、DEM等。

系统主要数据分类见图3。

2.3 数据处理

对于数据库格式的属性数据，开展数据库检查（检查数据的完整性和正确性，包括数据格式检查，数据长度检查，空值、默认值检查，完整性检查，一致性检查等），数据补录（对缺失的信息进行数据补录与整合）等工作，对泥沙资料单位不一致的数据统一转换到国际标准单位并进行数据转换。同时，做好数据库迁移前的准备（建立字段对应关系、数据字典整理、数据质量分析、数据差异分析、数据之间的映射关系建立等）。对于报表、报告图表等非数据库格式的属性数据，通过手工处理、临时编程、编写宏等各种手段，从成果文档中提取出来，最后整理成规范的入库文档。

崩岸河段空间数据中栅格数据中的影像数据通过几何校正、匀光与拼接、配准、投影等处理后，建立影像金字塔，DEM数据经过处理后分块组织;通过扫描矢量化等手段，首先将半江地形和河道地形等矢量图件处理为电子矢量图，再对电子矢量图进行质量检查，最后对电子矢量图进行标准化处理，转换为统一的数据格式。

2.4 数据入库

利用工具将数据库格式的数据导人后台数据库。对于整理好的入库文件，则通过开发应用提供的入库接口实现。在入库过程中，提供必要的验证，以此来保证人库数据质量。所有条件均符合要求才可入库，有一项不符立即撤销入库操作。

崩岸河段空间数据利用系统提供的接口进行入库存储。根据矢量数据测量批次，一方面利用半江地形或河道地形数据中的实测点以及等高线（首曲线、计曲线）的高程数据和边界线，生成DEM并存人空间数据库中，并记录DEM的元数据信息;另一方面，将原始矢量数据入库，并记录这些要素的元数据信息。栅格数据处理完后，作为系统底图的栅格数据以文件库的形式存放在服务器上，而作为分析计算的栅格数据则入库存储。数据处理与入库见图4。

3 系统功能设计

3.1 功能概述

系统统一管理荆江河段河道崩岸相关数据，实现相关数据的查询、浏览、分析及初步预测预报。根据危险等级报警提示，提供快捷直观的三维展示平台，并附以重点崩岸河段信息发布和查询等功能。系统主要服务对象为长江流域相关防汛、水文部门、相关其他部门以及社会公众，根据不同的用户权限，开展授权范围内的信息服务。

3.2 数据库管理子系统

数据库管理子系统是系统的支撑，对崩岸相关信息进行统一、安全、有效地管理和保存。除数据管理外，还对各级用户进行分级及操作权限管理，确保数据的安全;提供备份管理，以避免系统的软硬件故障，并在操作失误造成破坏时能实现数据库恢复;对服务器端进行日志管理。该子系统—般不对外开放，仅供授权的系统管理员和数据维护人员使用。

3.3 信息查询子系统

主要对河道崩岸数据信息实现单条件、单组合和多条件、多组合等方式的任意查询。提供友好的图文一体化查询界面，实现查询结果的图文一体化表达，可完成空间图形与属性数据实时联动查询，以及从空间图形到属性、属性到空间图形的双向查询功能。在图上点击重点崩岸段时，可显示该崩岸段中历史崩岸的相关位置、地点、时间、类型、规模等信息，来水来沙条件、河床边界条件、环境要素、地下水、人类活动调查、相关文档及有关图片、录像等多媒体信息，并可展示相关远程视频监控。

利用多种可视化方式实现崩岸影响因子数据的空间、属性信息联合查询，以及查询信息和各类成果的报表和输出。根据授权为长江流域相关防汛、水文部门、相关其他部门提供崩岸数据支持，可为各级用户开展水文泥沙、河道演变分析、数学模型计算、崩岸机理分析研究和预警提供基础和分析成果信息。

3.4 崩岸预警子系统

实现基于实测监测数据的来水来沙相关水文计算，进行崩岸段相关水沙过程、水沙沿程变化、水沙年内年际变化、水沙综合关系、河床组成等分析，并根据实测河道地形、断面监测数据、岸坡监测数据开展河道演变分析和岸坡变形分析。在此基础上，结合河道崩岸的基本原理，通过研究建立河道崩岸预警模型，根据一定的水沙条件、河道演变以及环境要素、地下水等因子，初步预测预报崩岸发生的时间、形式、范围等。根据预警的危险等级，在系统界面上以动态闪烁报警提示崩岸所在位置及相关信息。根据授权，可为长江流域相关防汛、水文部门提供决策支持依据。

3.5 三维可视化子系统

为河道崩岸预警系统的分析、管理、预警提供最直观的数据分析和结果展示，为综合分析提供快捷直观的三维展示平台。同时，也为各级领导决策提供辅助工具。生成崩岸段不同时期的地形三维数据，展示重点崩岸段岸坡三维地形，根据不同时间的岸坡地形，仿真模拟位移過程，具备基于三维数据的几何分析功能，包括量测、断面剖面分析、透视分析及开挖分析等，直观地计算崩岸段河道几何形状数据，以便于河道演变和岸坡位移的分析。可实现多要素合成三维建模，以及基于数字高程模型的多种地图要素（主要水系、等高线、城镇名称标注、水文测站标注、断面标注、重点崩岸段及标注）合成三维建模功能。根据授权可为各级用户提供直观的三维信息服务。

3.6 崩岸信息服务子系统

执行重点崩岸河段信息发布和查询以及网页管理功能，在网络上展现历史崩岸的有关位置、地点、时间等属性及信息通报文档和现场照片、录像等多媒体信息。实现可公布的监测信息、分析和预警成果的可视化分析和表达，根据不同权限提供各种用户网络查询和访问页面，并提供文档资料管理和用户管理等方面的功能。根据授权可为各级用户提供直观的崩岸信息服务。

4 结语

本文探讨了荆江河段崩岸预警系统设计的相关内容，旨在建立河道崩岸预警系统，综合系统地采集、管理相关崩岸影响因素数据，提供崩岸数据查询、分析、预警、表现、发布的多元化服务，为长江经济带发展提供水安全保障。

崩岸影响因素众多，对崩岸的具体成因及发展模式尚不完全清楚，亟待深入研究[6]。今后还需要加强重点崩岸段的断面和地形测量、水文测验、岸坡土体特性分析，探索开展预埋安全监测传感器和摄像头等远程在线监视工作。另外，也需要逐步建立完善的预警评价指标体系，不断完善河道崩岸预警模型，进一步提高崩岸预测的精确性和实效性。

参考文献：

[1]张幸农，蒋传丰，应强，等.江河崩岸问题研究综述[Jl.水利水电科技进展，2008，28（3）：80-83.

[2]余文畴，卢金友.长江河道崩岸与护岸[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[3]许全喜，谈广鸣，张小峰.长江河道崩岸预测模型的研究与应用[J].武汉大学学报（工学版），2004，37（6）： 9-12.

[4]冯传勇，郑亚慧，周儒夫，长江中下游崩岸监测技术应用研究[J].水利水电快报，2018，39（3）：47-52.

[5]刘东风.长江河道崩岸预警方法探索[J].江淮水利科技，2014（4）：5-7.

[6]高清洋，李旺生，杨阳，等.长江中下游河道崩岸研究现状及展望[J].水运工程，2016（8）：99-104.