区县涉水项目审批平台水文复核数字助手研发

苏晓林 ，秦根泉 ，吴水丰 ，唐 治 ，张建峰

（1. 四创科技有限公司，福建 福州 350000；2. 杭州市临安区水利水电局，浙江 杭州 311300）

0 引言

随着水利智能应用业务体系的提出，水利现代化改革进入新的阶段，全国各地也持续开展相应的探索和实践[1-3]。浙江省通过推行“最多跑一次”改革，积累了厘清事项、制定标准、网上办事等经验，但仍然有待进一步精简和规范[4]。在推进水利项目审批数字化转型的同时，基层审批事项也在不断增多，且涉水项目的防洪影响评价，作为涉水工程项目中较为重要和普遍存在的部分，也是区县级涉水审批复核的主要内容，因此在繁重的任务压力下，传统审批复核计算方式的局限性日益凸显。当前审批复核计算的短板问题主要体现在以下 3 个方面：

1） 水文复核计算方法多样，计算软件集成化和系统性不足。经过多年发展，水文计算方法已经颇为成熟，但在方法应用上还较多使用纸笔运算，或用Excel 表格工具利用编程语言计算，实现计算方法程序化、模块化的应用还有所不足，且多为单机版的程序，集成复用性较差，同时水文复核计算内容的差异性也导致在系统整合、智能应用上存在较大困难。

2） 计算工作量大，过程繁琐，标准化和便利性不足。传统的审批工作通常是对提交的纸质报告进行审阅，设计复核计算也多采用手工计算的方式，需要查阅多种标准规范，并依据地区特性对参数进行审慎取值，费时费力，且复核人员主观因素导致的偶然误差具有较大的隐蔽性，二次验算也存在诸多困难，缺乏便利性。

3） 复核流程难以全程留痕，数字化和规范性不足。复核计算的过程和审批记录难以全程留痕，不利于后续的监督检查、数据共享和业务协同。此外，当前审批流程由设计单位提交纸质版设计报告进行审批，审批流程的数字化水平不高。

现有的审批数字化改革研究多聚焦于流程转变和制度改革[5]，或对网上行政审批监管平台整体功能体系的探讨[6]，以及平台系统架构设计[7]等方面，有关涉水审批水文复核计算模型的开发应用研究较少。区县级涉水项目审批中设计计算的复核要求审批人员有较高的专业水平和业务理解能力，相应功能的研发也是深度融合水利和计算机专业，打破现阶段审批复核计算短板效应的重要探索。为此，基于“提供数字化工具，打造数字化共享平台，开发数据分析工具模块”的路线[8]，结合杭州市临安区涉水审批复核计算的主要业务需求，重点开展以防洪评价为主的水文复核计算功能模块建设，探索区县级涉水项目审批平台数字助手的设计和应用。

1 审批复核计算功能设计关键要点

针对当前审批复核计算的 3 个痛点，结合临安区实际需求，开发了区县涉水项目审批平台水文复核数字助手（以下简称审批数字助手）。水文复核计算模型工具是审批数字助手的核心模块，功能应用设计的关键要点如下：

1） 提高复核计算效率。审批复核的两大要点是计算结果和关键参数取值合理性的验证，通过审批数字助手，可快速实现对这两方面的复核。一方面通过设计单位预申报填写项目关键参数，结合模型工具界面进行呈现，又在各参数取值旁附上行业、地区规范或其他研究成果，既是对关键参数的标记提示，也大大减少了审批人员查询规范的难度；另一方面通过后台模型内置计算公式，设置多个模块整合计算流程，利用计算机的计算优势，在参数复核完成后可以一键式点击获取计算结果。

2） 整合审批项目类型。项目类型的整合是审批规范化和高效化的重点和难点。不同地区、层级涉及的审批项目不同，而水文计算方法又是极其丰富的，各方法在不同地区也不都有良好的适用性，因此一次性将全国范围内所有审批项目进行整合是不现实的。对于区县而言，涉及的审批对象通常是比较固定的，如涉河桥梁等不会有太大变化，因此以区县级为单元整合辖区内的审批项目类型，具备较好的可行性。

3） 优化审批业务流程。创设线上全流程审批模式，即首先由业主单位进行报项申请，在填写项目信息的同时，填写指定参数，然后经水行政主管部门借助审批数字助手对待审项目进行复核、审批，审批结果保存留档。最后结合综合监视一张图中的地理信息，定点跳转查看项目审批情况。

4） 模块功能可编辑扩展。审批平台各计算模块采用松耦合连接，能较灵活地进行移植、迭代，计算内容、方法可根据项目变化按需调整或扩展。按照标准化、模块化、云服务的建设要求，制定模型开发、调用、共享等技术标准，保障各模块的通用化、标准化封装，实现模块间松耦合连接。采用微服务架构等方式进行功能模块集成，实现模块功能调用，使模型具有网络化、跨平台应用的能力，为后续功能扩充提供条件。

2 审批数字助手功能设计

2.1 模块组成与结构设计

临安区地处浙江省西北部天目山区，为杭州市辖区，区内总面积为 3 126.8 km2。境内主要有两大溪流：一是东苕溪，属太湖水系；二是分水江，属钱塘江水系。区内涉水建筑物主要有水库、桥梁、明渠、堤防等。

基于临安区常见的涉水建筑物评审内容，依据水循环过程进行串联，将多类型的审批复核计算工作整合成一个综合性的复核审批平台，内置水文复核计算模型，搭建系统的、适用的、灵活的水文复核计算数字助手模块。采用模型组件化的开发方式，按照计算对象或过程的不同，将水文复核计算模型工具划分成6 个功能模块。模块组成如图1 所示，各模块结构如图2 所示。

图1 水文复核计算模型工具的模块组成图

图2 水文复核计算模型工具的模块结构图

2.2 模块计算原理

水文复核计算模型工具应用场景众多，6 个模块功能各异，因此应用支撑也有较大区别。

2.2.1 设计暴雨

设计暴雨计算适用于无资料地区，模块计算内容主要有以下几个部分：

1） 设计面雨量。考虑暴雨时-面-深关系和统计参数的影响，按照以下公式将点雨量均值换算为设计面雨量：

式中：Pf为频率为f的设计面雨量；α为点面系数；KP为模比系数；为点雨量均值。

2） 雨量日程分配。按照一定的规则，将计算出的不同历时（24，72 h）的设计面雨量分配到各日。浙江省雨量日程分配规则如表 1 所示[9]。

表1 3 d 暴雨日程分配表

3） 雨量时程分配。首先计算相邻历时的差值，计算公式如下：

式中：Pi为各天各历时设计面雨量；ti为历时；n1，6，n6，24分别为 1～6，6～24 h 对应的暴雨衰减指数。

然后进行分配排序，各天 24 h 雨型分配准则如下：a） 老大项时段雨量的末时刻排在 18：00，老二项时段雨量紧靠老大项的左边；b） 其余各时段雨量，按大小次序，奇数项时段雨量排在左边，偶数项时段雨量排在右边，当右边排满 24 h，余下各时段雨量按大小依次向左边排列。

2.2.2 设计洪水

瞬时单位线法和推理公式法是无资料地区推求设计洪水的常用方法，以集水面积 50 km2为界，前者适合较大的流域，后者适用于较小的流域[10]。用户可以根据流域面积选用不同的推求方法，通过输入一定的流域基本参数，得到不同频率下的断面设计洪水过程或洪峰流量。同时可链接设计暴雨模块，引用相应的暴雨特征值（雨力、暴雨衰减指数）。

1） 推理公式法。浙江省推理公式法于1984年由浙江省水利水电勘测设计院整理地区化应用成果所得，基本方程式如下[11]：

式中：Qm为洪峰流量；τ为汇流时间；tc为产流时间；μ为损失强度也称产流系数，浙江省一般取 1.0 mm/h[12]；m为汇流系数；Sf为雨力，是与某一频率f对应的最大 1 h 时的雨强；n为暴雨衰减指数；F为流域面积；Lr为主河长；J为河流平均坡降。

2） 瞬时单位线法。浙江省瞬时单位线成果由钮泽宸等在 1982 年进行地区化应用时发表[13]，基本公式如下：

式中：u（0，t）为单位线的纵高；b为概化的串联水库个数，即流域的调节次数；Г（b）为b的伽马函数；k为线性水库调节系数，具有时间单位；t为时间。

2.2.3 水库调洪演算

水库调洪演算模块是针对设计条件下的水库调洪演算，以水位库容关系和蓄泄曲线进行调洪演算，适用于无调节能力的小水库。用户可以通过系统界面链接设计洪水模块的洪水来水过程，输入水库等建筑物的基本参数，获取设计条件下的水库水位和下泄流量过程。水库调洪演算主要计算原理是水量平衡和蓄泄方程，方程形式如下：

式中：Zi为第i时刻的水库水位；Vi，Vi+1分别为第i和i+1 时刻的水库库容；Qin，i和Qin，i+1分别为第i和i+1 时刻的来水入库流量；Qout，i和Qout，i+1分别为第i和i+1 时刻的出库下泄流量。

2.2.4 河道设计水位

用户可通过系统界面，输入设计项目拟建地址处河道断面形状数据、设计流量，获取设计项目断面水位流量关系，从而推求设计洪水位值。当上游存在水库时，设计流量可调用水库调洪演算的下泄洪峰流量。河道设计水位计算须联立连续性方程、谢才公式和曼宁公式，具体方程如下：

式中：Qdm为断面过流流量；Adm为河道过水断面面积；hdm为河道断面水深；R为水力半径；J为水力比降；n为糙率。

2.2.5 建筑物超高

混凝土坝、土石坝和堤防的超高计算，主要涉及波浪高、壅高和安全加高。用户选择不同建筑物类型（混凝土坝、土石坝、堤防）和波浪要素计算公式（官厅、鹤地、莆田试验站等公式），输入设计项目地区特性和工程特征参数等数据，获取建筑物超高、堤顶高程。

不同建筑物涉及的超高计算公式和参数取值有所不同，但基本形式大体相同，基本公式如下：

式中：Δh为安全超高；h1%为累计频率为 1% 的波浪高度；hZ为波浪中心线高于静水位的高度；hc为对应建筑的安全加高；hwr为波浪爬高；e为风壅水高。其中，h1%和hwr的获取，需要通过波浪要素计算公式所得的hm（平均波高），h2%，h5%，h10%进行转换。

2.2.6 涉河桥梁分析

主要从以下 3 个方面分析计算涉河桥梁对河道行洪的影响：

1） 阻水分析。主要计算桥梁阻水面积的百分比，用以表征涉河桥梁的阻水作用，基本公式如下：

式中：I为阻水面积百分比；Adt为墩台阻水面积。

2） 壅水分析。主要进行桥前最大壅水高度和壅水曲线长度的计算，基本公式如下：

式中：Δhqm为桥前最大壅水高度；ɡ为重力加速度；vav为冲刷后桥下平均流速；当桥下河床为岩石或有铺砌时，vav′ 为冲刷前桥下平均流速，为设计流量除以桥下净过水面积所得；voav为建桥前桥孔部分的平均流速；vc为建桥前河槽平均流速；D50为河床质中值粒径；Lb为壅水曲线的全长；J为河床比降（以小数计）。

3） 冲刷分析。涉河桥梁的冲刷分析包括一般和局部 2 种冲刷，根据河道形态（河槽、河滩）和土壤类型（非粘性土、粘性土）的差异，计算公式也有不同形式。以非粘性土、河槽段为例，桥下一般冲刷后的最大水深hmax计算公式如下：

式中：Qf为频率为f的设计流量；Qc为天然状态下河槽部分设计流量；Qt为天然状态下桥下河滩部分设计流量；Bc，Bcg，Bz分别为天然、桥长范围内、造床流量下的河槽宽度；hz为造床流量下的河槽平均水深；λ为设计水位下Bcg宽度范围内桥墩阻水总面积与过水面积比值；μ为桥墩水流侧向压缩系数；hcmax为河槽最大水深。

桥墩局部冲刷深度hb计算公式如下：

2.2.7 图表程序化应用

在 6 个模块的计算过程中，存在许多查取经验图表的过程，如设计暴雨模块中的点面、模比等系数的查取，建筑物超高模块中波浪要素的换算等，因此有必要将图表查取程序化。首先将图表转化为可编辑的数据格式，再采用 3 次样条插值法，将查表变量转化为一维数组，根据查表的变量个数（1 或 2 个），对应进行一维或二维插值，实现图表的内置和快速查取。

2.3 模块参数输入设置

水文复核计算模型工具的界面上保留了各计算模块涉及的主要影响参数，并根据地区特性对部分参数进行了默认取值，在开放修改的同时，减少了参数的填写，提高了使用的便利性。6 个模块的功能设计与参数输入设置如下：

1） 设计暴雨。设计暴雨主要参数输入如表 2 所示，方法参数中点雨量均值和变差系数的获取，可以通过查取地区暴雨图集等值线图获得，但人工查图较为繁琐也易引起误差，因此设计暴雨模块将临安区的等值线图成果内置，通过项目经纬度坐标进行自动定位和插值，从而获取各历时的点雨量均值和变差系数。

2） 设计洪水。推理公式法和瞬时单位线法主要输入参数如表 3 和 4 所示。临安境内东苕溪和分水江两水系，关于线性水库调蓄系数的计算公式略有不同，因此需要在界面增加 1 个判别输入，作为内部计算的判别条件。

3） 水库调洪演算。水库调洪演算主要参数输入如表 5 所示。

表2 设计暴雨主要参数输入表

表3 设计洪水（推理公式法）主要参数输入表

表4 设计洪水（瞬时单位线法）主要参数输入表

表5 调洪演算主要参数输入表

4） 河道设计水位。河道设计水位主要参数输入如表 6 所示。

表6 设计水位主要参数输入表

5） 建筑物超高。建筑物超高主要参数输入如表7 所示。

表7 建筑物超高主要参数输入表

表8 涉河桥梁分析主要参数输入表

6） 涉河桥梁分析。用户可以通过系统界面输入相应的河道、堤防、桥墩等特征参数，以及河槽流量、水深等水力参数，后台程序根据相关规范[14-15]进行过水影响分析计算。涉河桥梁分析主要参数输入如表 8 所示。

3 审批数字助手界面设计

为规范审批流程，提升使用的便利性，审批数字助手面向审批人员和待审对象划分 3 个工作流程，设计相应界面：

1） 面向待审对象的项目填报界面。通过线上预申报方式提交待审项目资料，具体参数资料的要求可根据建设对象在界面上选择相应的模块进行填写。

2） 面向审批人员的水文复核计算模型工具界面。通过在该界面一键导入所填报的参数，快速进行复核计算。作为审批数字助手的关键模块，水文复核计算模型工具设计了各参数赋值的交互界面，既能显示参数的自动取值结果，也能通过人工判断按需调整。针对各计算模块间的边界关系，以松耦合方式设计模块间的关联，如在“设计洪水”模块中可调用“设计暴雨”模块中的降雨参数，达到简化输入和计算流程关联的效果。界面设计以“设计暴雨”模块为例进行说明，如图3 所示。

图3 水文复核计算模型工具设计暴雨模块界面图

3） 面向审批人员的复核计算报告查看界面。在复核计算完毕后，可点击生成相应的计算报告，归档保存到相应项目，既节省了部分报告编制工作量，也有利于留痕回看。

4 结语

本研究以临安区涉水项目审批平台为试点，设计并开发了区县涉水项目审批平台水文复核数字助手，提高了水文复核计算与审批的便捷性和规范性，研究成果可为推进水利项目审批数字化转型提供参考。主要结论总结如下：

1） 审批数字助手针对临安区涉水审批复核计算的主要类型，以项目上报、复核计算、报告生成的方式，规范和优化审批复核流程，快速实现参数取值和计算结果复核。其中水文复核计算模型工具并不是完全替代复核人员工作，而是作为一种复核审批的辅助手段存在。该功能可以延伸水行政主管部门复核的深度，在以往复核参数的基础上，实现对计算方法和过程正确性的快速复核。

2） 审批数字助手的水文复核计算模型工具采用模型组件化的开发方式，结合水文复核计算模块间的固有边界联系，将碎片化的水文复核计算过程划分为6 个功能模块，同时以微服务架构进行模块集成和功能调用，可为后续功能扩充提供条件。

3） 水文复核计算是专业性较强的内容，但在水文复核计算模型工具界面的设计上却需要考虑更多的普适性，使具有不同工程经验的人员都能毫无障碍地使用。因此水文复核计算模型工具设计了人性化的界面，设置了丰富的参数填写规则，同时采用企业填报导入、默认取值和其他模块参数引用的方式，减少了参数的输入量，具有较好的使用便捷性。

4） 水文计算关键参数取值的不确定性作为难点之一，需要根据地区特点进行修正，本系统的参数取值主要有根据地区规范、相关论文选取及审批人员经验输入等 3 种方式。参数默认取值的确定以地区规范为主，其他方式为辅，并且各参数在系统界面中开放修改，可以由审批人员手动修改，因此能够在长期使用过程中，根据地区实际对各参数进行更具地区适用性的精确取值。如何审慎考虑参数取值，进一步提高模型准确性，值得进一步思考。