长江荆江段河道崩岸预警系统设计初探

　　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

　　推荐阅读：《红水河》(双月刊)创刊于1982年，由广西电力有限公司主管，广西水力发电工程学会和广西电力工业勘察设计研究院共同主办，季刊，国内外公开发行。

　　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。

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文章名称： 长江荆江段河道崩岸预警系统设计初探

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