摘要：多年來，荊江河段崩岸頻繁，給長江保護(hù)與治理帶來了不利影響，為此開展荊江河段河道崩岸預(yù)警十分必要和迫切。結(jié)合河道及水文泥沙信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐，研究了河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)的總體框架、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)分析處理及入庫和功能設(shè)計，探討建立荊江河段河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)，以提供崩岸數(shù)據(jù)采集、管理、分析、預(yù)警、表現(xiàn)、發(fā)布等多元化信息服務(wù)，為崩岸預(yù)警和應(yīng)急搶險提供技術(shù)支持，從而為荊江河段的科學(xué)治理提供決策依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：河道崩岸;預(yù)警系統(tǒng);水文泥沙;信息系統(tǒng);荊江河段

　　推薦閱讀：《紅水河》(雙月刊)創(chuàng)刊于1982年，由廣西電力有限公司主管，廣西水力發(fā)電工程學(xué)會和廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院共同主辦，季刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。

　　崩岸是存在于江河海岸中的一種自然現(xiàn)象，歐美河流歷史上曾發(fā)生過多次崩岸，我國大江大河也存在崩岸現(xiàn)象[1]，尤其是汛期和汛后，以長江中下游河段最為典型[2]。河道崩岸會破壞岸坡穩(wěn)定，威脅防洪工程安全，影響河勢穩(wěn)定，阻礙岸線開發(fā)利用，不利于維持良好的航道條件，對充分發(fā)揮河流綜合服務(wù)功能造成不利影響。崩岸受水動力條件、泥沙輸移條件、河床邊界條件以及河道形態(tài)等多種因素影響，其成因和機(jī)理十分復(fù)雜這[3-5]。多年來，荊江河段崩岸頻繁，影響荊江防洪與河勢穩(wěn)定，給長江航運(yùn)、兩岸經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅[6]。

　　為確保荊江大堤和長江干堤的安全，服務(wù)荊江防洪、河道整治、航道整治和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)，保障長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的水安全，建立河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，河道崩岸預(yù)警尚處于起步階段，沒有成熟的崩岸預(yù)警信息系統(tǒng)。本文結(jié)合河道及水文泥沙信息系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐，基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，通過對崩岸綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理和分析，結(jié)合理論分析，綜合現(xiàn)場監(jiān)測、崩岸巡查和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，分析崩岸發(fā)生的機(jī)理及初步演變規(guī)律，構(gòu)建崩岸預(yù)測模型，探討建立崩岸數(shù)據(jù)采集、管理、分析、預(yù)警、表現(xiàn)、發(fā)布為一體的人機(jī)交互式的荊江河段河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　人機(jī)交互式的河道崩岸預(yù)警系統(tǒng)框架見圖1。主要包括：

　　(1)收集整理崩岸的水流條件、河流邊界、河床組成、地下水及滲流、環(huán)境要素及人類活動調(diào)查資料，將數(shù)據(jù)整理成規(guī)范格式，遙測和實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)處理終端接人系統(tǒng)提供的入庫接口。

　　(2)利用綜合監(jiān)測成果，結(jié)合理論分析荊江段河岸土體的組成與力學(xué)特性，開展崩岸機(jī)理的定量分析，研究崩岸發(fā)生的機(jī)理及演變規(guī)律，建立崩岸預(yù)測模型，對崩岸發(fā)生的時間、形式、范圍進(jìn)行初步預(yù)測預(yù)警。

　　(3)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。按照軟件工程的要求，將整個系統(tǒng)的開發(fā)過程分為需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)編碼和測試、系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)4個階段進(jìn)行。

　　(4)完成系統(tǒng)集成，將硬件平臺、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)和開發(fā)的應(yīng)用軟件，集成為功能和信息相互關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，使資源達(dá)到充分共享，實(shí)現(xiàn)集中、高效、便利的管理，并部署安裝，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行。

　　系統(tǒng)收集、整理、存儲、管理相關(guān)崩岸監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提供崩岸信息的多條件多組合查詢，在分析水文泥沙和河道演變、岸坡變形崩岸等基礎(chǔ)上，利用崩岸預(yù)測預(yù)報模型，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、巡查、遠(yuǎn)程監(jiān)測和視頻監(jiān)控情況，以人機(jī)交互的方式，對崩岸發(fā)生的時間、形式、范圍進(jìn)行初步預(yù)測預(yù)報，并提供崩岸段不同時期地形變化的直觀、逼真的三維成果，提供基于互聯(lián)網(wǎng)的各種崩岸監(jiān)測信息、信息分析成果和預(yù)警成果的查詢及發(fā)布。系統(tǒng)總體上分為5個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、信息查詢子系統(tǒng)、崩岸分析預(yù)警子系統(tǒng)、三維可視化子系統(tǒng)和崩岸信息服務(wù)子系統(tǒng)，見圖2。

　　2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與數(shù)據(jù)處理

　　2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由空間數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和崩岸模型庫組成。

　　按照業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)際需求，以現(xiàn)有崩岸相關(guān)資料為依據(jù)進(jìn)行整理入庫和實(shí)時入庫;空間數(shù)據(jù)中矢量數(shù)據(jù)采取分幅和分要素組織的混合形式，將數(shù)據(jù)分為不同的要素圖層分幅，并存儲在系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫中，DEM和影像數(shù)據(jù)則按照測量項目的不同，分批次分塊組織存儲;崩岸模型庫管理組織崩岸預(yù)警的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)參數(shù)、預(yù)測岸坡的穩(wěn)定系數(shù)和分級評價指標(biāo)，以二維表的形式物理存儲在數(shù)據(jù)庫中。

　　2.2 數(shù)據(jù)分析

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)按更新頻率高低可劃分為：①實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，如實(shí)時雨情數(shù)據(jù)、現(xiàn)場預(yù)埋的安全監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)和攝像頭等遠(yuǎn)程在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等，其更新頻率可為數(shù)天、數(shù)小時、數(shù)分鐘或數(shù)秒。②歷史監(jiān)測成果，包括水文整編資料、河道地形數(shù)據(jù)、河床組成等，其更新頻率不等。水文整編資料數(shù)據(jù)一般按年整編，主要由相關(guān)水文部門負(fù)責(zé)整編。長江中下游長程河道地形5a測一次，局部重點(diǎn)河段la數(shù)次，河道應(yīng)急測量時數(shù)天就測量一次，河道斷面數(shù)據(jù)la更新數(shù)次，河道地形及斷面數(shù)據(jù)主要由長江水利委員會水文局下屬河道勘測局測量。其他數(shù)據(jù)更新頻率一般為數(shù)月或數(shù)年。③基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、檔案數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要有衛(wèi)星遙感獲取的影像數(shù)據(jù)或地理信息系統(tǒng)生成的基礎(chǔ)地理信息，如行政邊界、流域邊界、河流等矢量數(shù)據(jù)或生成的DEM數(shù)據(jù)等，更新頻率一般為數(shù)月或數(shù)年。檔案數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的更新頻率一般為數(shù)月或數(shù)年。

　　按數(shù)據(jù)的內(nèi)容可劃分為來水來沙條件數(shù)據(jù)、河道邊界條件數(shù)據(jù)、河床組成數(shù)據(jù)，地下水及滲流數(shù)據(jù)、環(huán)境要素數(shù)據(jù)以及人類活動調(diào)查數(shù)據(jù)等。

　　按數(shù)據(jù)屬性可分為屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)：①屬性數(shù)據(jù)，主要是按關(guān)系型數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)格式存儲的數(shù)據(jù)，如斷面實(shí)測數(shù)據(jù)、水位、流量、降水、含沙量、波浪、風(fēng)速風(fēng)向、河床組成、地下水位、滲流(壓)、孔隙水壓力、岸邊植被狀況、視頻、照片以及崩岸巡查報告和人類活動調(diào)查報告等分析報告。②空間數(shù)據(jù)，包括矢量型和光柵型兩類。前者是指以矢量格式儲存的地形圖，如水下地形圖、流態(tài)圖等;后者是指以光柵格式儲存的各種圖形，例如遙感圖像、DEM等。