长江口航道信息平台建设和后续开发设想

2012-09-28陈卫中

城市道桥与防洪 2012年9期

陈卫中

（交通运输部长江口航道管理局，上海 200003）

0 引言

在长江三角洲地区凭借其自身雄厚的经济实力和重要的地理位置成为我国经济最发达地区，该区域的经济发展对长江口航运的需求不断提高。长江口为巨型多沙河口，航道整治和维护的难度堪称世界之最。因此航道规划、科研、建设、维护和管理对长江口历来和今后长期形成的成千上万数据信息资源的整合利用提出了新的要求，建设具有长江口航道特性的数字信息管理成为燃眉之急。

交通运输部长江口航道管理局委托由中交水规院和上海春升科技发展公司共同开发了“长江口水文及水下地形信息管理平台”项目，从2007年开始建设，于2010年基本建设完成。该平台对提高长江口航道规划、科研、建设、维护和管理数字信息的集成化、促进今后航道管理和为航道管理提供辅助决策支持具有重要的意义。经过近2 a的试运行，基本达到了设计目标。

1 长江口水文及水下地形信息管理平台设计

1.1 总体框架设计思路

通过数据库技术、地理信息系统“GIS”和网络技术的集成，新开发建设一个地域上涵盖长江口徐六泾以下整个长江口水域（至长江口外水深-20 m等深线），以长江口内6个潮位站、7个浮标测站（流速、含砂量、水文及含盐度）、2个波浪站（波浪和风速风向）和其他设置的浮标，以及大量的水下地形测量等处采集数据信息，进行水文数据整合分析、水下地形整合、航道回淤分析等应用为目标的“长江口航道信息管理平台”（以下简称为“该平台“）。

“该平台”由数据库、应用系统和管理系统构成，总体框架见图1所示。数据库实现数据的有效整合及规范化管理；应用系统实现常规数据处理分析业务的软件自动化操作；管理系统实现平台的稳定与可持续运行，保证信息数据的安全与同步更新。平台设计遵循模块化、通用化、系列化的基本原则，具有实用性、可靠性、可扩展性等性能的特点。

图1 “长江口水文及水下地形信息管理平台”总体框架图

1.2 数据库

数据库包括水文数据库、地形数据库、航道数据库和涉水工程数据库4个数据库，设计中考虑了数据的兼容。数据库的容量没有限制，原则上容量可以任意大。

（1）水文数据库用于存储长江口相关水文测验数据和历史水文数据，包括长江口水域施测的约50条水文固定垂线测验数据，其中每季度测1次约10条垂线的水文监测数据；8条固定测流断面（其中5条每季度1次监测）；上游大通站来水来沙数据及其他相关约50个水文站的潮位数据；长江口水文、泥沙、波浪自动监测系统收集到的数据。水文要素包括垂线分层流速、流向、垂线分层含沙量、垂线分层含盐度、水温、风速、风向、潮位、流量、输沙率等，其中，垂线测验数据分六层。其他要素包括潮位站、水文测验断面、水文测验垂线、浮标、河床底质采样等。

（2）地形数据库用于存储长江口水下相关地形监测数据，采用空间数据库，包括长江口水域施测的水下地形数据；从相关部门获得的地形数据和历史海图（海图数字化）、长江口南港-北槽地形测图；宝山南、北水道局部监测图分别为20幅和45幅。地形要素包括：长江口地形水深测点、地形岸线等。其他要素主要描述其他地形相关要素信息，如长江口航道管理局长江口地形定期监测固定断面信息、地图分幅信息等。地形水深点采用三维矢量点数据存储，地形岸线和监测固定断面等线状要素用二维矢量线数据存储。

（3）航道数据库用于存储航道相关信息。航道要素包括航道、航标位置、航道疏浚单元等。航道单元信息包括名称、概况、地理位置等。此外，航道疏浚单元信息还包括单元面积、疏浚量、平均水深等。航道单元采用空间矢量数据存储。空间坐标系统一采用北京54坐标。

（4）涉水工程数据库用于存储相关涉水工程基本信息，岸线数字化、相关涉水工程边界线数字化。涉水工程包括：航道工程、江堤丁坝、港口码头、光缆管线、桥梁隧道等。涉水工程要素信息主要包括工程的位置、建设规模、断面结构等。

1.3 应用系统

应用系统包括水文整编与统计系统、河床冲淤演变分析系统和航道回淤分析系统。水文整编与统计系统的功能是通过水文整编与统计分析建模，实现水文要素特征值的自动计算；河床冲淤演变分析系统的功能是通过地形分析建模，实现河床冲淤演变分析功能，通过GIS可视化，实现河道地形、河床冲淤结果的二维、三维可视化和河床历史演变过程的二维动画演示；航道回淤分析系统的功能是通过航道回淤统计分析建模，实现航道各单元回淤特征值的自动计算及回淤分布的可视化。

（1）整编与统计的水文要素主要包括长江口水文测验常规测验项目：垂线流速、流向、垂线含沙量、垂线含盐度、断面流量、断面输沙率和潮位等。此外，还包括河床底质采样数据。整编内容主要指常规水文要素的统计值与特征值统计与计算。垂线流速、流向资料整编内容包括垂线平均流速、最大流速、最小流速、潮流历时、单宽流量、单宽潮量、优势流、余流等。垂线含沙量整编内容包括垂线平均含沙量、最大值、最小值、单宽输沙率、单宽输沙量、优势沙等。垂线含盐度整编内容包括垂线平均含盐度，最大值、最小值等。断面流量整编内容包括断面潮量计算等。潮位整编内容包括高、低潮位统计、潮差统计等。河床底质采样分析内容主要是河床底质粒径的空间分布和变化过程分析。水文整编与统计以图形与报表为输出方式。图形有过程线、对比图等。报表主要指各种水文整编常用统计报表，报表格式按专业常用格式进行设计。

（2）河床冲淤演变分析的数据源主要是离散的河道地形水深测点，因此河床地形构建以三角网地形为主。此外，三角网地形还具有最大程度保留原始河道地形监测数据精度的优点。除三角网外，地形还有栅格表现方式。栅格地形由地形离散点或三角网插值生成。栅格地形对地形表面进行了插值处理，当地形离散点精度有限时，栅格地形在某些分析处理上能够取得较好的效果。河床冲淤演变分析内容主要包括地形水深提取、断面分析、等深线分析、容积（体积）计算和冲淤分析。可视化包括地形可视化、冲淤结果可视化、河床演变过程二维动画演示、等深线变化过程二维动画演示等。地形、冲淤可视化包括二维和三维。

（3）航道回淤分析内容包括：航道各单元的疏浚工程量(上、下方)、回淤量和平均水深的统计计算。输出结果包括：航道疏浚量分布图、航道回淤量分布图和航道单元平均水深图等。

1.4 管理系统

管理系统的功能包括平台管理和数据管理。平台管理的内容是用户权限管理，针对不同用户可以设不同权限，并赋以相应的功能，用户不能使用非授权的功能；数据管理包括数据录入、更新、删除与数据库备份，平台可通过用户界面操作实现数据的管理，并且提供数据正确性与安全性验证机制。

网络安全管理包括通信安全管理、防火墙安全管理、VPN安全管理等。为确保平台运行的稳定性，较长时间内将平台的安全性控制在一定范围内。安全控制措施包括：应急处置机制和配套服务；网络系统安全性监测；网络安全产品运行监测；定期检查和评估；系统升级和补丁提供；跟踪最新安全漏洞；灾难恢复机制与预防。

2 长江口水文及水下地形信息管理平台主要功能

长江口水文及水下地形信息管理平台的功能分成四个大模块：应用统计计算模块、报表模块、图形曲线可视化模块和水下地形分析模块。

2.1 应用统计计算模块

一般情况下，由于工程性质不同、研究目的不一，在分析的方法、内容上应有所不同和侧重。对于航道整治工程的河势演变分析应侧重在各个时段的河道冲淤变化规律，也即研究河势演变与河流的水沙条件、动力要素、河床组成等条件的变化分析。平台为此建立优势流、优势沙计算、垂线平均流速、含沙量、含盐度计算和断面潮量计算、单宽潮流量、输沙量计算等相关的计算模块，同时建立垂线平均最大值和测点最大值流速的统计、断面垂线和测点最大流速统计、垂线平均最大含沙量统计、悬沙和床沙颗粒分朽统计、波高、风速风向等统计模块，供河势演变分析应用。图2为优势流计算图。

图2 优势流计算图

物理模型试验和数学模型计算是当前河口整治方案研究中重要的技术手段，但模型是否与原型相似，需要进行验证和率定。对水流模型的验证和率定，主要是水位验证、流速验证和潮量的对比验证（尤其是特征潮位，特征流速），同时，为配合动床物理模型试验的模型沙选择，平台建立了悬沙和床沙颗粒分析统计模块，配合平面二维水流、泥沙、盐水入侵的数值模型，建立垂线底层最大和平均含沙量统计、垂线平均最大和最小含盐度统计、垂线涨、落憩平均含盐度统计等统计模块。

2.2 报表模块

报表形成模块是将各种类型的经过格式化、标准化的原始数据或经过整编后的数据按规范化管理的要求自动形成各种形式的表格、报表。报表主要采用各种水文整编常用统计报表，报表格式也按专业常用格式进行设计。除个别未作规定的报表，其报表格式采用自行设计。报表包括：遥测遥报水文要素统计报表、垂线水文要素统计报表、断面水文要素统计报表、潮位统计报表、河床质统计报表和各水文要素计算成果表。

报表形成模块又按各类原始数据的输入和成果输出的要求不同，又分成遥测系统数据统计计算模块、人工实测数据统计计算模块。各自均有若干个特征值、统计特征值计算功能组成。

2.3 图形曲线可视化模块

图形模块按不同需要显示又分为时间序列图形显示模块，单个要素结合地理信息系统的平面分布显示模块二大类。图形模块的功能和作用是将现场实测数据和遥测系统的海量水文要素信息，通过计算机的视频效果，将不同的要素数据链的过程线及其组合在同一视频上显示出来，甚至可将各要素在纵向、横向、平面上的分布情况从图形上显示出来，将其本身固有的自然规律和各水文要素之间的相互关系用可视化反映出来。

将数据库存储的各类要素经整编后的遥测和实测数据经图形形成模块，分类为单站单要素图、组合图形图和单个要素结合地理信息系统的图。单站单要素图将各单个要素的数据以时间顺序排列的图形显示，以直观形象反映要素数据出现的整个过程。充分反映了其本身固有的自然规律，便于对资料的检查和分析。单站单要素图（图3）显示有以下几种：

潮位过程线、垂线平均流速过程线图、垂线平均流向过程线图、各分层流速过程线图、各分层流向过程线图、垂线表层含沙量过程线图、垂线表层含盐度过程线图、垂线表层水温过程线图、测站风速、风向玫瑰图、测站气温过程线图、测站波高柱状图。组合图形图可将各类要素的图形放在同一屏幕上显示出来，以便使要素本身固有的自然规律和各水文要素之间的相互关系反映出来。其中包括三种类型：单站多要素、多站单要素、多站多要素（见图4）。单个要素结合地理信息系统的图有单要素断面等值线图和单个要素的平面变化图。图5为水流流速矢量分布图。

图3 单站单要素图形图

2.4 水下地形分析模块

图4 多站多要素图

图5 水流流速矢量平面分布图

水下地形分析模块包括从采集数据的管理和断面、等深线、冲淤、航道等分析功能。水深勘测数据的集中管理和累计采用了先进的数据库技术将测量数据统一存储到数据库中，为以后资料的累计、管理和分析提供数据基础。采用断面法进行地形定量分析可以针对某一深度的断面宽度、断面面积等内容进行计算，计算结果可以用于航道等的定量分析和对比分析。采用等深线分析地形演变针对不同时期的地形数据进行同一深度值的等深线分析并进行叠加，可以定性分析该区域地形的演变情况。图6为等深线图。利用DEM进行冲淤分析可以采用三角网法或者断面法进行冲淤量计算为生产和研究提供依据。航道设计和工程量计算在确定了航道中心线、左右边坡、岸线深度、超深超挖等即可计算出航道设计断面模拟航道设计地形及航道疏浚工程量。

图6 等深线图

3 下一步开发的设想

长江口水文及水下地形信息管理平台于2010年初步建成。目前在长江口的河势演变和航道变化分析、航道回淤及疏竣分析、盐水入侵和风浪掀沙对航道的影响研究等方面发挥作用。

虽然长江口深水航道治理工程12.5 m深水航道已于2010年建成通航，但将随着经济发展和对水运需求的不断提升，《长江口航道发展规划》确定的“一主(主航道)两辅(南槽、北港航道)一支(北支航道)”航道体系目标将终究会实现。所以，更需要长江口水文信息管理工作的不断深化，需要该平台的不断升级。下面提出几点设想。

3.1 由长江口局部的信息化向长江口全息化迈进

该平台所收集的信息，从长远发展和管理角度看，这些信息内容还显不足。设想，在现有功能基础上，通过进一步开发形成更加智能、更加通用、更适合长江口航道管理局管理职能的管理平台。如在涉水工程数据库中加载航道设施中的修复情况（包括软体排），包括修复位置、损坏原因和修复方案等信息，还有重要的海损情况信息等供航道管理用。再如航道回淤分析功能可以扩大到任意需要进行分析的航区，在航道数据库中加载影响长江口的台风信息、长江口疏浚土倾倒区使用情况信息、长江口特设的储泥坑使用情况信息、长江口水域采砂信息，以及专供航道有关区域的回淤分析。这样便可形成长江口这一独特水域的全息化管理平台，快速查询、方便比照、有利信息的条件组合等等。

另外，分析、了解和掌握长江口河床演变需大量资料，这些资料跨越时间越长分析就越准确。所以，应重视仅录入近几年的有关信息的同时，还应加强跨系统覆盖面，更广地收集历史资料和信息的工作。这是一项持之以恒的系统工作。

3.2 从对长江口信息简单管理过渡到科学化管理

随着信息量的增加和信息使用率的不断增加，该平台的重要性也不断提升，需要深入研究大量信息的管理，如何做到信息管理规范、信息安全、信息准确及时等等。设想，从人员上保证有2～3位专职工作人员，主要职责为对该平台系统进行必要维护等日常工作（专业编程单位也作为维护单位），收集信息和录入。同时，对录入的信息准确性应该有甄别，探讨部分数据信息甄别的程序设计，减少人工作业强度和可能的误入。对录入的信息来源应有记录，对更换信息的情况应有说明，对该平台系统改进应有方案，对突发事件应有应对措施。在科学化管理中，应重视阶段性的统计、分析和小结，提出值得关注的变化情况和原因，以及处理方案。