数字浑河系统构建关键技术研究与示范

刘 恒

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

我国是水资源大国，同时也是水患多发国家，据统计我国洪涝灾害造成的损失在各种灾害中居第一位。浑河作为沈阳市的内河，历史上曾多次发生洪涝灾害。其中，1995年大洪水使浑南地区2/3面积受淹，受灾人口近200万人，造成全市经济损失76.2亿元，防洪形势十分严峻，在全国重点防洪城市中位列第三。随着沈阳经济区一体化和“浑南大开发”战略的进一步实施，沈阳市政府适时提出了把浑河打造成“世界一流名河”的发展目标，浑河沿线已成为沈阳市新的行政和文化中心，其防洪安全重要性日益凸显。如何保障浑河安全稳定运行是沈阳市经济社会可持续发展的基础保障和关键所在。因此，急需实现浑河开发和管理的现代化、信息化和数字化，满足沈阳市防洪管理、社会经济与生态环境高速发展对浑河现代化管理水平的要求。

1 现状分析

随着“数字城市”、“数字流域”等概念的相继提出，我国先后提出了“数字黄河”、“数字长江”等一系列数字河流的建设规划。但国内外的研究主要集中在数字流域框架研究、基础平台建设和应用系统建设方面。由于数字流域技术研究的特殊性，目前在数字城市河流建设领域缺乏集多功能为一体的系统化成果。本文针对浑河现代化管理需求，开展了大量的技术攻关和实践，研究出集洪水预报调度、河道洪水演进模拟、流域虚拟现实、河道风险分析、枢纽联合调度、河道信息化管理的系统化解决方案，填补了相关技术空白。数字流域技术研究结合流域特点开展，浑河仅沈阳城市段已建橡胶坝4座、拦河坝2座、并呈梯级分布，尤其是主要控制枢纽均为橡胶坝。由于橡胶坝的柔性坝体结构，需要开展特殊的研究工作。该研究提出以抗御能力为参数、以调度允许时间为约束条件的城市河流橡胶坝群的联合控制运用方案，解决了橡胶坝群联合调度的难题。构建了城市段39.19km的实景水工模型，采用工程措施与非工程措施相结合的模式，从基础理论和应用技术两大方面开展研究。

2 研究目标

充分运用现代高科技手段，研发形成了一套先进实用的数字浑河系统构建理论和技术体系。通过物理模型研究，结合河道原型实验，构建数学模型对浑河治理开发和管理的各种方案进行模拟与分析;应用洪水预报技术、虚拟现实技术和信息化技术实现河道现代数字化管理;针对橡胶坝特点提出浑河沈阳城市段橡胶坝群的联合控制运用方案，开发联合调度数字化管理平台，建立流域及其相关地区的数字化研究环境，实现流域洪水预报、风险分析、枢纽联合调度和三维空间展示;运用全线通讯技术实现河道管理部门的专业信息化与会商支持。

3 物理模型建设技术

针对浑河沈阳城区段，模拟已建、拟建的堤防、桥梁、拦河坝、隧洞、水闸和丁坝等建筑物，观测在宣泄各设计频率洪水时沿程水位、水流流速、流态、淹没范围等水力要素，为确定合理的工程设计参数、河道工程治理方案以及近期、远景规划方案提供技术支撑，并在巨大规模洪水来临之时，准确地提供洪水淹没区域和淹没深度，计算出社会、经济等各方面的灾情损失情况，并提供人群撤离和减灾决策。

3.1 地理实验相似建模

提出虚拟地理实验相似建模的基本理论与流程，基于虚拟地理实验的相似性理论实现物理模型实验成果的数字化模拟。建立动态复杂性地理系统试验方法和虚拟地理试验环境的三维信息获取与综合建模方法。基于流场测量系统、智能流速仪和传感器网络体系等技术实现指标参数的采集与管理。完成物模与数模洪水演进的协同联动试验，结合水动力学机理，开发了河道、滩地洪水演进模型，准确提供洪水淹没区域和淹没深度，为防洪风险分析提供依据。实现了物理模型实验的空间参数、水力学参数、模型实验参数和成果信息的数字化管理。

3.2 试验观测方法

试验在多功能试验厅内完成，大厅长98.0m、宽33.6m，占地3300m2，厅内设有各种水泵、泥浆泵、高位水箱和容积为1000m3、300m3的地下水库各1座。配套设施有流场实时测量系统1套，水位、流速自动跟踪系统各1套，活动控制室1间，以及各种测量、测试设备，最大循环供水流量1000L/s。分别采用流场实时测量系统VDMS、河工模型水位流速测量系统等设备实现对河道内流量和水位的水情信息的实时监测与记录，为数字化计算提供数据支撑。

4 数字化模型技术

4.1 洪水演进模拟技术

该功能实现了洪水演进的模拟，根据河道高程条件，在三维场景中动态渲染，计算河道边界淹没线，并进行三维渲染，通过视景深度计算、水面以及河岸法线计算、光照渲染效果计算等，逼真模拟水面、河道边界变化。当设置好洪水参数后，便可以进行洪水演进过程的动态模拟，用颜色的不同深度代表洪水淹没的不同深度。同时，可以用鼠标点击任意位置，查询此次洪水该位置的洪水要素，从而为防汛人员进行防汛调度系统决策提供依据。

洪水演进模型采用元胞自动的洪水演进计算方法。该方法在离散时间和离散空间的框架下对河水流动的时空动态过程进行模拟，因此将实际研究区按照一定分辨率划分成离散格网，格网单元为正方形单元，以固定的时间单元间隔Δt不断演化。根据本文采用的计算法则，某一个格网的单宽流量变化率是由水平或竖直方向上的两个格网的高程值决定，即T+2Δt时刻的单宽流量由T时刻的单宽流量以及T+Δt时刻的高程值决定。而某一格网的高程变化率是由其周围四个格网的单宽流量决定，即T+3Δt时刻的高程值由T+Δt时刻的高程值以及 T+2Δt时刻的单宽流量决定。

根据洪水演进的计算方法和已有的观测数据，元胞的演化由源头(所模拟河段的最上游)的流速及水位变化决定。相邻元胞的洪水传播计算需要考虑。元胞所在河床的高度(DEM)、糙率、水深、x方向的单宽流量、y方向的单宽流量共五种变量属性。因此对一个确定的元胞空间共设置六种元胞状态属性。

4.2 洪水预报预警模型技术

浑河大沈区间洪水预报调度系统的建立将充分运用水文自动测报系统及语音报汛系统采集到的水雨情信息，对浑河从大伙房到沈阳站区间流域的水文预报与洪水演进工作进行全面的自动化、信息化支持。采用的沈阳站实用洪水预报模型为蓄满产流模型，并根据浑河流域特点研究确定了浑河流域的预报参数。

该技术实现了大伙房水库实际的放水情况演算到沈阳站的流量过程预报。通过从水文自动测报数据库中读取的水库的实际放水过程信息，演算沈阳站的流量过程和水位过程，并计算出该次放水的洪水总量和不同流量的传播时间。用户也可手动维护水库的放水情况，并将最后的预报成果进行保存，供管理和发布的需要。水文预报方法采用两种模型进行，当水库放水采用阶梯型放水时，利用纳稀S曲线法进行计算;当水库放水过程类似于自然洪水过程时，利用马斯京根法抵偿河长多河段连续演算法进行计算。洪水预报的实时修正方法采用水文时间序列模型，结合衰减记忆最小二乘法推出最优自回归方程来预报下一时段的误差值。

5 枢纽联合调度运用系统

首次提出以抗御能力为参数的橡胶坝控制运用方案，以调度允许时间为约束条件，提出了城市河流橡胶坝群的联合控制运用方案，并开发了联合调度支持系统模型，尤其适用于梯级橡胶坝群的优化调度，填补了橡胶坝群防洪调度与水资源调控领域的技术空白。

5.1 联合调度运用方案

随着沈阳市对城市生态环境的建设需求，对浑河沈阳段的水生态环境的建设要求也越来越高，沈阳市先后在浑河上建设了一批功能不同的水利设施，从根本上改变了沈阳市的水生态环境。沈阳城市段的大规模拦河蓄水，使浑河水位平均上涨了2～3m高，总蓄水量达到上亿m3(相当于大型水库)。另外，浑河上游的大伙房水库对沈阳市的防洪工作影响较大，如何合理有效地进行浑河梯级枢纽的联合调度和风险分析，关系到沈阳市的经济发展和人民的生命财产安全。本研究主要完成内容如下:

a.浑河沈阳城市段梯级调度区段划分。

b.各区段特性参数的制作与率定(各区段水位—面积、水位—库容、区段出口不同调度模式的泄流曲线等)。

c.各区段不同调度模式的实用调度图编绘与制作。

d.各区段控制运用方案的编制。

5.2 联合控制运用系统

该系统实现了浑河沈阳城市段枢纽模拟控制平台的搭建，操作人员通过该系统可以模拟各个枢纽动态运行过程，监控各个枢纽的运行状态，并可生成相应的水位、流量过程线。功能主要包括干河子坝工程、王家湾调度、沈水湾调度、砂山坝调度、联合调度演算、调度成果演示、调度成果发布。其中各橡胶坝的调度，首先输入“初始坝前水位”，其次输入对应的流量过程时间段，选择“枢纽状态”，选择一种调度方式。可以把时段流量添加到列表中，删除列表中时段流量。通过VB与数据库SQL SERVER 2000进行连接，实现与数据库的交互。

6 信息化管理平台技术

6.1 全线通讯技术

建立浑河管理中心与各管理所的全线通信，建立点对点通讯专线，实现各级部门之间的网络连接、资源共享和数据传输，实现网络化办公，为各子系统的运行提供条件。具体通讯网络建设如下:浑河管理中心与干河子船闸管理所，河管理中心与王家湾橡胶坝管理所，浑河管理中心与沈水湾船闸管理所，浑河管理中心与砂山橡胶坝管理所。

6.2 远程视频监控技术

以全线通信网络为基础，构建远程视频监控系统，实现4个管理所的16个现场视频信息远程传输与系统开发。具体包括:干河子船闸管理所4个视频监控，王家湾橡胶坝管理所4个视频监控，沈水湾船闸管理所4个视频监控，砂山橡胶坝管理所4个视频监控，管理中心视频监控系统软件平台。

6.3 综合会商平台技术

综合会商平台建设在沈阳市水利局，会商系统主要由DLP数据投影机、拼接屏幕及图形拼接系统组成，用来逼真地还原DVD、录像机、有线电视、摄像机、多媒体计算机等的音视频信号，但在会商室中投影系统最常用的还是将电脑中的信息投射到大屏幕上，快速直观地为会议提供所需材料，用于防汛调度工作的会商决策或会议报告。

6.4 决策支持系统技术

近年来，围绕浑河沈阳城市段已开展多个专业子系统建设，包含硬件建设和软件建设，各自独立运行，在实际运行中发挥着重要作用。但各子系统相互独立，无法将其成果信息快速整合到一起，然而，防汛过程中时间紧迫，决策者必须在有限的时间内获得所有防汛信息，从而组成正确的判断。因此，必须提供一个统一的系统平台，能够集成各专业子系统成果信息，并在成果信息基础上，通过方案优选，快速制定出最佳方案，为决策人员提供参考依据。本文研究开发的决策支持系统实现了各专业子系统的集成，建立综合数据库，无缝衔接各专业子系统成果数据库，为不同级别用户提供访问的权限。在防汛过程中，决策人员可通过该系统快速、准确地调用各子系统成果信息，以及对各子系统进行操作。系统建成后，将规范防汛业务流程，变被动防汛为主动防汛。

7 结语

随着社会的发展，我国城市河流的开发越来越重要，“数字浑河”为实现河道的优化管理调度提供了一套系统化的解决方案。通过“三条浑河”的建设，浑河管理水平得到质的飞跃，成功经历了2010年大洪水的考验。系统建成后，使城市河流抗御洪水能力和生态环保水平显著提高，保证了流域防洪与兴利功能的充分发挥。科学验证了浑河沈阳城市段的防洪标准，为实施大浑南开发战略和城市生态景观建设提供了有力依据，产生的经济、社会和生态环境效益巨大。由于河道受人类改造活动和洪水影响，构建起的浑河数字化模型同样也需要与时俱进的完善，因此，需要建立一套完善的管理与动态维护机制，以保证研究成果能够在长期的应用过程中发挥重要的作用。

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