楊國(guó)俊,甘琪瑤

(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 網(wǎng)絡(luò)與信息中心,湖北 武漢 430010)

0 引 言

2022年7月起,長(zhǎng)江流域降雨較往年同期偏少近4成,旱情發(fā)展迅速,四川、重慶、湖南、湖北、江西、安徽、貴州等多省(市)不同程度受災(zāi),80多萬(wàn)人供水受影響[1]。面對(duì)嚴(yán)峻旱情,水利部、中國(guó)氣象局、應(yīng)急管理部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部四部門聯(lián)合發(fā)文,要求相關(guān)省市抓好減災(zāi)防災(zāi)各項(xiàng)工作[2]。按照國(guó)家防汛抗旱總指揮部、水利部工作要求,長(zhǎng)江水利委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)江委”)密切跟蹤旱情發(fā)展,不斷強(qiáng)化“四預(yù)”措施,及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng),加強(qiáng)會(huì)商部署,精細(xì)調(diào)度流域水庫(kù)群補(bǔ)水供水,確保旱區(qū)群眾飲水安全、保障秋糧作物灌溉用水[3]。

為科學(xué)評(píng)估旱情發(fā)展,篩選出長(zhǎng)江中下游干流典型水廠,研究提出了取水能力分析的一整套流程,特定范圍內(nèi)水廠的實(shí)時(shí)取水能力分析與展現(xiàn),其對(duì)于應(yīng)急狀態(tài)下評(píng)估區(qū)域旱情嚴(yán)重程度非常重要,能在數(shù)據(jù)收集少、響應(yīng)時(shí)間短的要求下盡可能準(zhǔn)確、客觀地反映旱情發(fā)展規(guī)律。

以往研究表明,水廠所在河流的水位、流量、年月徑流與水廠取水能力有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[4]。水廠取水構(gòu)筑物位置的選擇是否恰當(dāng)直接影響取水水質(zhì)、水量、安全、投資、施工、運(yùn)行管理及水資源的綜合利用,工程設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究,全面掌握河流的特性,并根據(jù)河段的水文、地形、地質(zhì)、環(huán)境衛(wèi)生等條件全面分析,綜合研究確定[5]。因此,水廠的取水能力能間接反映河流的即時(shí)水文特性。現(xiàn)有研究大都針對(duì)單個(gè)特定水廠開展取水論證與分析,缺乏對(duì)大范圍、多目標(biāo)水廠的取水能力聯(lián)動(dòng)分析,難以反映短時(shí)水文變化。

為快速準(zhǔn)確完成水廠取水能力分析,采用GIS中較成熟且廣泛應(yīng)用于旅游住宿、衛(wèi)生健康、食品安全等領(lǐng)域的最鄰近分析算法[6-9],結(jié)合沿江重要水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),使用FME基于關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí)分組計(jì)算典型水廠到實(shí)測(cè)水文站的圖上距離,將三維空間的水文站及實(shí)時(shí)水位、水廠及最低取水水位放樣到二維平面,構(gòu)建長(zhǎng)江干流典型水廠取水能力評(píng)估模型,直觀展示各典型水廠的取水現(xiàn)狀,定性反映區(qū)域干旱程度。

1 研究區(qū)域及站點(diǎn)概況

1.1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江干流枝城至南京段,全長(zhǎng)1 397 km,流經(jīng)湖北、湖南、江西、安徽和江蘇5省,占長(zhǎng)江中下游總長(zhǎng)度的74%。該段區(qū)間兩岸以平原地貌為主,地勢(shì)較低平,向西起于江漢平原,向東止于長(zhǎng)江三角洲平原,平均海拔在50 m以下,是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶重點(diǎn)建設(shè)的區(qū)間。其中,江漢平原是重要的國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,洞庭湖平原和鄱陽(yáng)湖平原漁業(yè)資源非常豐富,蘇皖沿江平原至長(zhǎng)江三角洲平原則是許多大型的工礦企業(yè)、重要的沿江工程設(shè)施和人口聚居地,沿線農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)生產(chǎn)用水、生活用水需求量巨大。

長(zhǎng)江枝城至南京是許多重要港口、航運(yùn)企業(yè)所在地,航運(yùn)業(yè)發(fā)達(dá)。在枯水期,該江段歷來(lái)是航道維護(hù)的重點(diǎn),水量豐枯影響著區(qū)間的航道深度,也直接影響著航道客運(yùn)、貨運(yùn)流量。

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 水文站概況

選取研究區(qū)域內(nèi)10個(gè)沿江水文測(cè)站,從西向東依次是枝城、沙市(二郎磯)、監(jiān)利(二)、螺山、漢口(武漢關(guān))、黃石港、九江、安慶、大通和南京站,其空間分布如圖1所示。10個(gè)沿江水文測(cè)站到長(zhǎng)江口的實(shí)測(cè)距離,以及每?jī)蓚€(gè)相鄰水文站的區(qū)間長(zhǎng)度如表1所示。

圖1 長(zhǎng)江沿岸10個(gè)重要水文站和59個(gè)典型水廠分布

表1 長(zhǎng)江沿岸10個(gè)重要水文站實(shí)測(cè)距離

10個(gè)站中,枝城、沙市(二郎磯)、監(jiān)利(二)、螺山、漢口(武漢關(guān))、九江、大通、南京站是重要的國(guó)家控制站。站點(diǎn)的測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目都包括水位,大部分還包括了降水量、流量、含沙量、水溫、顆粒級(jí)配等監(jiān)測(cè)指標(biāo)。目前,10個(gè)測(cè)站均有連續(xù)的水位觀測(cè)值,在構(gòu)建取水能力評(píng)估模型時(shí),將采用各站每天上午08∶00的實(shí)時(shí)水位值用于計(jì)算與擬合。

1.2.2 水廠概況

選取長(zhǎng)江干流枝城至南京站之間共計(jì)59個(gè)典型沿江水廠,離散分布于前述10個(gè)水文測(cè)站構(gòu)成的九段干流區(qū)間內(nèi),如圖1所示。各測(cè)站區(qū)間段內(nèi)選取的水廠數(shù)量見表2。

表2 測(cè)站區(qū)間段水廠數(shù)量分布

1.2.3 數(shù)據(jù)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

(1) 數(shù)據(jù)現(xiàn)狀:① 10個(gè)水文站點(diǎn)均有沿干流到長(zhǎng)江口的實(shí)測(cè)距離、準(zhǔn)確坐標(biāo)值和實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)值;② 59個(gè)水廠點(diǎn)有概略坐標(biāo)值和最低取水水位值;③ 有長(zhǎng)江干流線狀圖形數(shù)據(jù)。

(2) 存在的問(wèn)題:水廠缺乏實(shí)測(cè)距離數(shù)據(jù),其坐標(biāo)值也只有概略坐標(biāo)。在擬合水廠實(shí)測(cè)距離的過(guò)程中,在長(zhǎng)江干流線上截取的兩個(gè)站點(diǎn)之間的線段距離稱作圖上距離。需要計(jì)算9段測(cè)站區(qū)間、每個(gè)水廠點(diǎn)到上游最近水文站的圖上距離。然而,不管是水文站還是水廠點(diǎn),都不在干流線上,兩點(diǎn)間的干流線段并不能直接截取。

2 研究方法

2.1 取水能力分析流程

取水能力分析需要構(gòu)建二維分析模型,在正確表達(dá)水文測(cè)站與水廠相對(duì)位置關(guān)系的前提下,通過(guò)離散的各水文測(cè)站實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)值插值擬合生成水位曲線,將水廠的最低取水水位與實(shí)時(shí)水位曲線比對(duì)分析各時(shí)刻是否能取到水。具體的流程如圖2所示。

圖2 取水能力分析流程

(1) 將水文站實(shí)測(cè)坐標(biāo)、水廠概略坐標(biāo)分別空間化為測(cè)站點(diǎn)、水廠點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(2) 用測(cè)站點(diǎn)、水廠點(diǎn)分別對(duì)長(zhǎng)江線做最鄰近分析,求得測(cè)站點(diǎn)與水廠點(diǎn)的線上點(diǎn)。

(3) 將測(cè)站線上點(diǎn)、水廠線上點(diǎn)與長(zhǎng)江線數(shù)據(jù)做分組標(biāo)識(shí),再基于分組標(biāo)識(shí)做分組空間切分,計(jì)算區(qū)間長(zhǎng)度,得到測(cè)站區(qū)間的圖上距離與水廠到上游最近水文測(cè)站的圖上距離。

(4) 測(cè)站區(qū)間的實(shí)測(cè)距離為已知量,再結(jié)合上一步求得的測(cè)站區(qū)間圖上距離、水廠到上游最近水文測(cè)站圖上距離,用比值法求得水廠到上游最近水文測(cè)站的擬合實(shí)測(cè)距離:

(1)

式中:Ls實(shí)為水廠到上游最近水文測(cè)站的擬合實(shí)測(cè)距離,km;Lc實(shí)為水文測(cè)站區(qū)間的實(shí)測(cè)距離,km;Lc圖為水文測(cè)站區(qū)間的圖上距離,km;Ls圖為水廠到上游最近水文測(cè)站的圖上距離。

(5) 根據(jù)上一步求得的擬合實(shí)測(cè)距離,將水文測(cè)站、水廠的相對(duì)位置關(guān)系放樣到二維統(tǒng)計(jì)圖中。

(6) 使用最小二乘法,將離散的水文站水位值,擬合為連續(xù)的水位曲線。根據(jù)水位曲線與圖上各水廠的最低取水水位關(guān)系,分析研判旱情發(fā)展。

2.2 最鄰近分析放樣線上點(diǎn)

由于空間化后的測(cè)站點(diǎn)和水廠點(diǎn)均不在長(zhǎng)江線數(shù)據(jù)上,要計(jì)算水文測(cè)站區(qū)間和水廠到上游最近水文測(cè)站的圖上距離,無(wú)法直接截取對(duì)應(yīng)線段,需要分別對(duì)兩類點(diǎn)數(shù)據(jù)與長(zhǎng)江線做最鄰近分析,求得線上點(diǎn)的坐標(biāo),再將坐標(biāo)點(diǎn)空間化為線上點(diǎn)后截取對(duì)應(yīng)的區(qū)間線段計(jì)算長(zhǎng)度。

最鄰近分析是GIS中常用的分析方法,是一種基于地理位置關(guān)系的空間計(jì)算。在地理信息處理軟件中使用最鄰近分析工具,在工具參數(shù)輸入界面指定輸入要素與最近要素等參數(shù)后,運(yùn)行最鄰近分析工具,即可將線上點(diǎn)的X坐標(biāo)值、Y坐標(biāo)值與最鄰近角度寫入到輸入要素的特定新增屬性字段中。最鄰近分析的原理及操作如圖3所示。

圖3 最鄰近分析原理及操作

完成最鄰近分析處理后,根據(jù)新生成的要素圖層中Near_X、Near_Y字段寫空間點(diǎn)數(shù)據(jù)即可生成對(duì)應(yīng)的線上點(diǎn)。分別對(duì)水文測(cè)站點(diǎn)、水廠點(diǎn)圖層進(jìn)行上述操作,生成的線上點(diǎn)如圖4所示。

圖4 測(cè)站及水廠最鄰近線上點(diǎn)

2.3 基于關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí)的河流區(qū)間線長(zhǎng)度計(jì)算方法

用測(cè)站線上點(diǎn)截取干流線數(shù)據(jù)可得到9段區(qū)間線段,計(jì)算線段的長(zhǎng)度得到各測(cè)站區(qū)間的圖上距離。對(duì)相鄰兩個(gè)水文站到長(zhǎng)江口的實(shí)測(cè)距離做差值運(yùn)算,可得到各測(cè)站區(qū)間的實(shí)測(cè)距離。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)站區(qū)間實(shí)測(cè)距離與圖上距離

每個(gè)水廠到上游最近水文測(cè)站的圖上距離計(jì)算較復(fù)雜,需要用到分組關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí),在數(shù)據(jù)可視化編程處理軟件中,使用拓?fù)浯驍噢D(zhuǎn)換器,根據(jù)關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí)分組打斷后計(jì)算目標(biāo)線段長(zhǎng)度。其算法過(guò)程如下。

(1) 為59個(gè)水廠線上點(diǎn)掛接各點(diǎn)上游最近水文測(cè)站編碼。

(2) 為59個(gè)水廠線上點(diǎn)賦值唯一編碼,使用計(jì)數(shù)器從0開始,每次自增1,賦值給_count字段。

(3) 克隆測(cè)站線上點(diǎn),并掛接對(duì)應(yīng)的_count值。例如:根據(jù)水廠線上點(diǎn)的上游最近水文測(cè)站編碼字段,有3個(gè)水廠點(diǎn)對(duì)應(yīng)的上游最近水文站是枝城站,則將測(cè)站線上點(diǎn)中的枝城站復(fù)制3份,每一份的_count字段分別賦值3個(gè)對(duì)應(yīng)水廠線上點(diǎn)的_count值,如圖5所示。

圖5 克隆測(cè)站線上點(diǎn)

(4) 將長(zhǎng)江干流線數(shù)據(jù)克隆59份,新增_count字段,并分別賦值水廠線上點(diǎn)的_count值。

(5) 將經(jīng)過(guò)上述4步計(jì)算處理的長(zhǎng)江干流線、測(cè)站線上點(diǎn)與水廠線上點(diǎn)做拓?fù)潼c(diǎn)線打斷,使用_count作為分組字段,有相同_count值的要素為一組,同組內(nèi)要素點(diǎn)線打斷,組間要素不做處理。分組點(diǎn)線打斷如圖6所示。

圖6 分組點(diǎn)線打斷

(6) 在打斷線中挑出目標(biāo)線段區(qū)間,計(jì)算的長(zhǎng)度即為水廠到上游最近水文測(cè)站的圖上距離。

至此,已有測(cè)站區(qū)間實(shí)測(cè)距離、圖上距離和水廠到上游最近水文站的圖上距離,據(jù)前文公式(1)可計(jì)算出水廠到上游最近水文站的近似實(shí)測(cè)距離。

2.4 構(gòu)建取水能力評(píng)估模型

取水能力評(píng)估模型的構(gòu)建分為單個(gè)時(shí)刻靜態(tài)模型組建和將多個(gè)時(shí)刻的靜態(tài)模型序列化成為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型。

(1) 靜態(tài)模型生成。以二維平面坐標(biāo)的方式表示某一具體時(shí)刻各取水廠最低取水水位與即時(shí)水位的空間關(guān)系。其中,坐標(biāo)橫軸表示各水文測(cè)站、水廠到長(zhǎng)江口的(近似)實(shí)測(cè)距離以及測(cè)站與水廠的相對(duì)位置,坐標(biāo)縱軸表示各測(cè)站的時(shí)刻水位和水廠的最低取水水位。如圖7所示。

圖7 靜態(tài)取水能力模型

圖7為2022年9月29日08∶00的水位與取水水位關(guān)系圖。其中,水廠點(diǎn)的最低取水水位有兩個(gè)值,最低取水位1為水廠的設(shè)計(jì)最低取水位,最低取水位2為實(shí)時(shí)水位低于水廠設(shè)計(jì)取水位時(shí),采取措施(臨時(shí)浮船、加泵接力、取水頭部改造、取水口清淤?zèng)_沙、備用泵房取水等)改善取水狀況取到水的最低水位,最低取水位1約比最低取水位2大2～3 m。兩個(gè)取水水位是按照水廠附近的取水?dāng)嗝?根據(jù)特定公式推算得出。當(dāng)實(shí)時(shí)水位低于水廠的最低取水位1而大于最低取水位2時(shí),水廠取水受到影響。當(dāng)實(shí)時(shí)水位低于最低取水位2時(shí),水廠取水困難。水位曲線則是由10個(gè)水文測(cè)站的水位值通過(guò)曲線擬合函數(shù)內(nèi)插而來(lái),接近于真實(shí)水位值。

(2) 序列化準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型。由于同一測(cè)站水位變化在短的時(shí)間段內(nèi)起伏并不會(huì)太大,可取每日08∶00整點(diǎn)時(shí)刻各測(cè)站水位值,構(gòu)建每日靜態(tài)評(píng)估模型,再根據(jù)日期軸將每日靜態(tài)模型串聯(lián)展示序列化成準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型,如圖8所示。

圖8 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)取水能力模型

圖8為2022年8月30日至10月28日期間每天08∶00的水位與取水水位關(guān)系圖。點(diǎn)擊日期軸前的播放按鍵,可依次展示軸上每個(gè)日期的取水情況,每個(gè)日期停留3 s,水位曲線的變化隨著日期軸展示點(diǎn)的推進(jìn),顯示為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)變化,同時(shí)變化的還有每日受影響和取水困難的水廠數(shù)量。

3 應(yīng)用結(jié)果與分析

根據(jù)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)取水能力評(píng)估模型,統(tǒng)計(jì)2022年9月、10月受影響和取水困難的水廠個(gè)數(shù),研判旱情發(fā)展趨勢(shì),如表4所示。

從表4可以看出,旱情從9月17日開始發(fā)展,最初只有個(gè)別水廠取水受到影響。隨后,干流水位持續(xù)走低,在9月26日至10月2日期間旱情達(dá)到高峰,期間每日約12個(gè)水廠取水受影響,個(gè)別水廠甚至出現(xiàn)取水困難。10月5日以后,隨著長(zhǎng)江干流上中下游陸續(xù)迎來(lái)不同程度降雨,多條主要支流出現(xiàn)大雨至暴雨,中下游旱情逐步緩解,各取水廠也逐步恢復(fù)正常取水能力。到10月中旬,59個(gè)水廠均能正常取水。10月下旬,由于大規(guī)模降雨停止、上游來(lái)水量減少,中下游旱情再次抬頭,到10月底,已經(jīng)達(dá)到9月底至10月初的干旱程度,取水受影響的水廠數(shù)量也達(dá)十幾個(gè)。

表4 2022年9～10月每日受影響及取水困難水廠

上述兩次旱情高峰期間,取水受影響的水廠主要集中在沙市(二郎磯)-監(jiān)利、漢口(武漢關(guān))-黃石港-九江區(qū)間,其他區(qū)間水廠受影響程度較小。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江中下游典型水廠取水能力分析流程探索,構(gòu)建了準(zhǔn)動(dòng)態(tài)取水能力評(píng)估模型,反映水廠取水受旱情的影響程度,可為抗旱決策提供技術(shù)支撐。

(1) 根據(jù)對(duì)2022年9月和10月長(zhǎng)江干流中下游旱情發(fā)展的分析,可以看出降雨對(duì)旱情緩解至關(guān)重要,10月初長(zhǎng)江流域大范圍強(qiáng)降雨有效削弱了旱情峰值。在干旱嚴(yán)重期,對(duì)于取水困難水廠,可采用臨時(shí)浮船、加泵接力等緩解措施;對(duì)于取水受影響水廠,可采用取水頭部改造、取水口清淤?zèng)_沙、備用泵房取水等措施積極應(yīng)對(duì)旱情。

(2) 沙市(二郎磯)-監(jiān)利、漢口(武漢關(guān))-黃石港-九江區(qū)間的水廠在兩波旱情高峰期間受影響最大。這幾段區(qū)間后續(xù)建設(shè)水廠時(shí),可參考本輪旱情情況,科學(xué)合理地設(shè)置最低取水水位,避免再次出現(xiàn)集中取水困難的情況。