周玲霞，李 紅，張少杰，黃振宇

（1.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011）

基于GIS的防汛搶險(xiǎn)信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

周玲霞1，李 紅1，張少杰1，黃振宇1

（1.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011）

防汛搶險(xiǎn)情況復(fù)雜，時(shí)效性要求極高。為了高效地進(jìn)行防汛搶險(xiǎn)，基于GIS技術(shù)開發(fā)了防汛搶險(xiǎn)信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括等深線疊加分析、斷面分析、沖淤分析、工程設(shè)計(jì)等功能。系統(tǒng)在2013年長江七壩岸段崩岸搶險(xiǎn)中發(fā)揮了巨大作用，分析了險(xiǎn)情的原因，設(shè)計(jì)了初步方案，及時(shí)為搶險(xiǎn)工作提供了信息，減少了損失。還對七壩工程完工后進(jìn)行效果分析，顯示工程效果較好。

防汛搶險(xiǎn)；河勢分析；GIS；長江

1 系統(tǒng)簡介

基于GIS的防汛搶險(xiǎn)信息系統(tǒng)面向的是管理部門人員[2]，充分發(fā)揮了地理信息系統(tǒng)中地圖直觀、反應(yīng)快捷、易操作、查詢方便、分析功能強(qiáng)、處理信息量大的優(yōu)點(diǎn)，能快速進(jìn)行等深線疊加分析、斷面分析、沖淤分析等，還可以快速地確定崩塌位置、崩岸長/寬、崩塌方量以及崩岸區(qū)域上下游的變化情況，以便于分析崩岸的原因，制訂崩岸治理方案。系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 數(shù)據(jù)庫建立

定期對水下地形進(jìn)行監(jiān)測，收集三維數(shù)據(jù)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。為了高效獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，采用了GNSSRTK、全數(shù)字化回聲測深儀、導(dǎo)航同步觀測軟件相結(jié)合的水下地形測量方法[3]。數(shù)據(jù)格式主要有AutoCAD格式以及GIS格式，GIS格式的文件帶有豐富屬性信息，便于統(tǒng)計(jì)分析。

系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、水下地形數(shù)據(jù)、護(hù)岸工程數(shù)據(jù)等。其中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括地形、水系、交通等；水利工程數(shù)據(jù)包括護(hù)岸工程布置、堤防等；水下地形數(shù)據(jù)包括多年高程點(diǎn)、多年等深線、流域DEM等；影像數(shù)據(jù)包括陸地衛(wèi)星影像、多媒體數(shù)據(jù)等。

為了數(shù)據(jù)的安全，建立了數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)機(jī)制，并配置了用戶權(quán)限、角色等多方面保護(hù)。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[2]，系統(tǒng)主要功能有數(shù)據(jù)加工處理、數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計(jì)、河勢分析、三維可視化等。

1.2.1 河勢分析模塊

河勢分析模塊是系統(tǒng)最核心的模塊，主要分析功能有：

1）等深線疊加分析。將不同年份的等深線疊加在一起，可直觀地發(fā)現(xiàn)崩岸險(xiǎn)情的位置，并查詢其長、寬、深等信息。

2）沖淤分析。利用GIS技術(shù)對近2年的DEM進(jìn)行疊加分析[4]，計(jì)算崩岸的方量，用不同的顏色來顯示該區(qū)域沖淤情況的分布和深度，能直觀地展現(xiàn)崩岸的危險(xiǎn)程度以及上下游的情況，有利于判斷險(xiǎn)情發(fā)展的可能。

3）深泓分析，主要是分析深泓多年來的擺動情況，分析大的河勢，有助于判斷險(xiǎn)情發(fā)生的原因。

4）斷面分析，將多年橫斷面進(jìn)行對比，用于分析近岸和深槽的變化情況。

5）工程設(shè)計(jì)。因護(hù)岸工程主要為拋石，按照拋區(qū)設(shè)計(jì)原理，結(jié)合實(shí)際要求和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用GIS技術(shù)，提出了參數(shù)法、畫圖法、單元圖形法等新的設(shè)計(jì)方法和工程量計(jì)算方法，改變了過去的設(shè)計(jì)模式，提高了設(shè)計(jì)效率。

1.2.2 斷面分析功能

根據(jù)防汛搶險(xiǎn)的需求，著重設(shè)計(jì)了河勢分析模塊中最具特色的斷面分析功能。普通的斷面分析功能僅顯示某斷面位置的斷面圖，或多期的斷面圖進(jìn)行比較分析。本系統(tǒng)研究了根據(jù)測點(diǎn)和引導(dǎo)線自動生成斷面線，再根據(jù)斷面線批量生成斷面圖的方法[5]。并在斷面圖上同時(shí)展現(xiàn)堤防、護(hù)岸、坡比等信息。

1）自動生成斷面線。險(xiǎn)工險(xiǎn)段一般位于近岸狹長區(qū)域，這些區(qū)域通常按1∶2 000的水下地形測量要求進(jìn)行測量，采用人工方法繪制幾十甚至上百個(gè)沿測線的斷面圖，工作量非常大，且間距、精度都難以保證。系統(tǒng)可通過引導(dǎo)線（自上游往下游順?biāo)鞣较虻木€）自動生成垂直于引導(dǎo)線并擬合測點(diǎn)的斷面線，或生成垂直于引導(dǎo)線且間距相等的斷面線。

2）堤防。可以在作斷面圖的同時(shí)在圖上標(biāo)注0 m線至主堤的距離，將復(fù)雜的堤防圖層簡化為能代表堤線的概化線，同時(shí)提取堤線的屬性，如堤頂工程、防浪墻高、類別（子堤、主江堤、山、路等）。

3）坡比。在斷面圖上顯示該斷面的最大坡比，可直觀地反映危險(xiǎn)程度，有利于判斷有無繼續(xù)滑坡的可能。最初，計(jì)算機(jī)只能計(jì)算相鄰兩點(diǎn)之間的坡比，而要分析的是一段邊坡的坡比，且每個(gè)斷面的邊坡范圍都是不同的，這時(shí)可以在計(jì)算程序中設(shè)置一個(gè)限值，當(dāng)坡比差小于限值時(shí)，忽略前一線段的坡比，繼續(xù)求下一線段的坡比差。如果此坡比差大于等于限值，則用前一線段起點(diǎn)與倒數(shù)第二線段的終點(diǎn)求相應(yīng)坡比，依次求出斷面上所有相應(yīng)坡比，將坡比的最大值作為該斷面的最大坡比。限值可以根據(jù)不同岸段的水下地形情況自定義。

4）最大沖深。在斷面圖中顯示最大沖深，并標(biāo)注沖深值及范圍。

5）護(hù)岸工程。在斷面上顯示護(hù)岸工程的信息非常重要，若發(fā)生險(xiǎn)情，可立即獲得該岸段歷史護(hù)岸的情況，以及護(hù)岸范圍、形式及厚度等信息，并判斷護(hù)岸受損情況。

系統(tǒng)還可以批量輸出斷面圖，以及將所有斷面圖的信息以表格形式輸出。

2 七壩搶險(xiǎn)實(shí)例

2013-04-15長江南京七壩岸段浦口橋林街道聯(lián)合圩外灘地發(fā)生崩岸險(xiǎn)情，崩岸區(qū)位于七壩石磧河口下游660 m處，崩塌類型屬窩崩，見圖2。

圖2 等深線比較圖

可量出崩窩口門長215 m，最大崩進(jìn)94 m，崩塌陸域面積約11 500 m2，崩塌土方約370 000 m3。從斷面“七10”可以看出，2013年2月測圖的最大坡比為1∶1．6（-19～-48 m），近岸邊坡坡比為1∶1．9（0～- 18m），可見該處岸坡非常陡。從斷面圖（圖3、4）可以看出，窩崩內(nèi)最大的沖深達(dá)25 m，原護(hù)岸滑落。窩崩處0 m線距江堤較近，在斷面“七10”的位置0 m線距堤頂100 m左右，現(xiàn)場測量崩窩內(nèi)邊距長江主江堤迎水坡堤腳最近處約75 m，非常危險(xiǎn)。

圖3 斷面圖“七10”

圖4 斷面圖“七11”

根據(jù)分析，造成本次江灘崩塌的主要原因有：① 七壩岸段為導(dǎo)流岸壁，受迎流頂沖，且前沿水深較深，岸坡較陡，深槽發(fā)育逼岸。②由于七壩港區(qū)的建設(shè)，樁基作用造成水流紊亂。碼頭建設(shè)和運(yùn)行期間，水流對岸灘的沖蝕作用加大。

根據(jù)窩崩情況和原因分析，以及窩崩治理“守兩肩、護(hù)周邊、先促淤、后封口”的原則，確定本次應(yīng)急搶險(xiǎn)拋石護(hù)岸工程的布置。本次搶險(xiǎn)工程的主要任務(wù)是對崩窩口門、兩肩及崩窩內(nèi)緣周邊進(jìn)行拋石守護(hù)，防止崩窩進(jìn)一步擴(kuò)大；同時(shí)對崩窩以下至汽渡上游護(hù)岸進(jìn)行應(yīng)急搶險(xiǎn)，對該段受損嚴(yán)重的原有拋石護(hù)岸工程進(jìn)行維修加固。崩窩口門分為3個(gè)拋區(qū)，拋區(qū)長390 m，寬75～90 m，拋石厚度1～1．5 m。崩窩內(nèi)緣周邊拋石區(qū)外邊線總長約280 m、寬15 m，拋石厚1 m。崩窩以下至汽渡上游段分為6個(gè)拋區(qū)，長1 450 m、寬30～90 m，拋石厚度1．0～2．0 m，合計(jì)拋石量142 980 m3，如圖2所示。

圖5 沖淤圖

經(jīng)過2013年5月～6月的緊急施工后，2013-06-10進(jìn)行了拋后測圖，測圖范圍為護(hù)岸區(qū)域。將2013-06-10和2013-04-30的DEM進(jìn)行疊加分析（見圖5）可見，工程范圍內(nèi)以淤積為主，平均淤厚約為2 m，分析得到的具體數(shù)據(jù)有沖刷量-21 116．24 m3、沖刷面積-25 138．79 m2、平均沖深-0．84 m、淤積量203 906．14 m3、淤積面積96 737．09 m2、平均淤深2．11 m、沖淤平衡量182 789．9 m3、沖淤平衡面積71 598．31 m2。經(jīng)過汛期檢驗(yàn)，工程運(yùn)行良好，窩崩處已基本穩(wěn)定，拋區(qū)范圍內(nèi)-40 m、-45 m深槽淤積消失，2014年2 月比2013年4月在斷面“七10”處淤厚約3 m。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)符合防汛搶險(xiǎn)時(shí)判斷險(xiǎn)情的需求，著重研究和開發(fā)了河勢分析模塊的斷面分析功能，根據(jù)斷面圖和斷面信息表可較快地判斷危險(xiǎn)斷面，并在七壩搶險(xiǎn)實(shí)例中得到應(yīng)用，大大提高了防汛搶險(xiǎn)的效率。因本系統(tǒng)采用插件式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]，如果需新增功能，可繼續(xù)開發(fā)相應(yīng)的功能模塊。

[1] 熊衛(wèi)東,趙君毅,劉智敏．基于ArcGIS的林業(yè)綜合管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．地理空間信息,2013,11(1):5

[2] 汪宙峰,何政偉,黃潤秋,等．利用ArcGIS Engine開發(fā)滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)系統(tǒng)[J]．測繪科學(xué),2006,31(6)：103-104

[3] 張立輝,陶雷,陳志芳．河勢分析信息系統(tǒng)在沙鋼長江河勢分析中的應(yīng)用[J]．人民長江,2012,43(13):7-9

[4] 王艷嬌,張鷹,陳榮．基于GIS長江口北港河段沖於變化的可視化分析[J]．河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2006,34(2):223-226

[5] 臧英平,仲琳,崔信民,等．長江南京河段河勢分析系統(tǒng)開發(fā)研究[J]．人民長江,2011,42(增刊)：53-55

[6] 黃信望,盧遠(yuǎn)．基于GIS的水生態(tài)健康評價(jià)系統(tǒng)開發(fā)[J]．地理空間信息,2013,11(4):67-69

P208

B

1672-4623（2016）06-0059-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.06.020防汛搶險(xiǎn)需要快速、高效地反應(yīng)，搶險(xiǎn)的速度直接影響損失的大小，在險(xiǎn)情發(fā)生后及時(shí)、快速、高效地分析河勢變化、設(shè)計(jì)應(yīng)急工程、制定應(yīng)急搶險(xiǎn)方案尤其重要。GIS是空間信息構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的虛擬地理空間，并用于管理決策的核心信息技術(shù)[1]。應(yīng)用GIS信息技術(shù)，結(jié)合防汛搶險(xiǎn)的專業(yè)知識與經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)防洪搶險(xiǎn)信息系統(tǒng)，有利于實(shí)現(xiàn)高效的防汛搶險(xiǎn)。本文著重研究了河勢分析模塊中的斷面分析功能，在傳統(tǒng)斷面圖的基礎(chǔ)上添加了護(hù)岸、堤防等信息，更有利于判斷險(xiǎn)情的危險(xiǎn)程度，提供科學(xué)決策的依據(jù)。

周玲霞，碩士，工程師，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)、水利工程建設(shè)管理。

2015-01-07。