長江口航道信息平臺建設和后續開發設想

陳衛中

（交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003）

0 引言

在長江三角洲地區憑借其自身雄厚的經濟實力和重要的地理位置成為我國經濟最發達地區，該區域的經濟發展對長江口航運的需求不斷提高。長江口為巨型多沙河口，航道整治和維護的難度堪稱世界之最。因此航道規劃、科研、建設、維護和管理對長江口歷來和今后長期形成的成千上萬數據信息資源的整合利用提出了新的要求，建設具有長江口航道特性的數字信息管理成為燃眉之急。

交通運輸部長江口航道管理局委托由中交水規院和上海春升科技發展公司共同開發了“長江口水文及水下地形信息管理平臺”項目，從2007年開始建設，于2010年基本建設完成。該平臺對提高長江口航道規劃、科研、建設、維護和管理數字信息的集成化、促進今后航道管理和為航道管理提供輔助決策支持具有重要的意義。經過近2 a的試運行，基本達到了設計目標。

1 長江口水文及水下地形信息管理平臺設計

1.1 總體框架設計思路

通過數據庫技術、地理信息系統“GIS”和網絡技術的集成，新開發建設一個地域上涵蓋長江口徐六涇以下整個長江口水域（至長江口外水深-20 m等深線），以長江口內6個潮位站、7個浮標測站（流速、含砂量、水文及含鹽度）、2個波浪站（波浪和風速風向）和其他設置的浮標，以及大量的水下地形測量等處采集數據信息，進行水文數據整合分析、水下地形整合、航道回淤分析等應用為目標的“長江口航道信息管理平臺”（以下簡稱為“該平臺“）。

“該平臺”由數據庫、應用系統和管理系統構成，總體框架見圖1所示。數據庫實現數據的有效整合及規范化管理；應用系統實現常規數據處理分析業務的軟件自動化操作；管理系統實現平臺的穩定與可持續運行，保證信息數據的安全與同步更新。平臺設計遵循模塊化、通用化、系列化的基本原則，具有實用性、可靠性、可擴展性等性能的特點。

圖1 “長江口水文及水下地形信息管理平臺”總體框架圖

1.2 數據庫

數據庫包括水文數據庫、地形數據庫、航道數據庫和涉水工程數據庫4個數據庫，設計中考慮了數據的兼容。數據庫的容量沒有限制，原則上容量可以任意大。

（1）水文數據庫用于存儲長江口相關水文測驗數據和歷史水文數據，包括長江口水域施測的約50條水文固定垂線測驗數據，其中每季度測1次約10條垂線的水文監測數據；8條固定測流斷面（其中5條每季度1次監測）；上游大通站來水來沙數據及其他相關約50個水文站的潮位數據；長江口水文、泥沙、波浪自動監測系統收集到的數據。水文要素包括垂線分層流速、流向、垂線分層含沙量、垂線分層含鹽度、水溫、風速、風向、潮位、流量、輸沙率等，其中，垂線測驗數據分六層。其他要素包括潮位站、水文測驗斷面、水文測驗垂線、浮標、河床底質采樣等。

（2）地形數據庫用于存儲長江口水下相關地形監測數據，采用空間數據庫，包括長江口水域施測的水下地形數據；從相關部門獲得的地形數據和歷史海圖（海圖數字化）、長江口南港-北槽地形測圖；寶山南、北水道局部監測圖分別為20幅和45幅。地形要素包括：長江口地形水深測點、地形岸線等。其他要素主要描述其他地形相關要素信息，如長江口航道管理局長江口地形定期監測固定斷面信息、地圖分幅信息等。地形水深點采用三維矢量點數據存儲，地形岸線和監測固定斷面等線狀要素用二維矢量線數據存儲。

（3）航道數據庫用于存儲航道相關信息。航道要素包括航道、航標位置、航道疏浚單元等。航道單元信息包括名稱、概況、地理位置等。此外，航道疏浚單元信息還包括單元面積、疏浚量、平均水深等。航道單元采用空間矢量數據存儲?？臻g坐標系統一采用北京54坐標。

（4）涉水工程數據庫用于存儲相關涉水工程基本信息，岸線數字化、相關涉水工程邊界線數字化。涉水工程包括：航道工程、江堤丁壩、港口碼頭、光纜管線、橋梁隧道等。涉水工程要素信息主要包括工程的位置、建設規模、斷面結構等。

1.3 應用系統

應用系統包括水文整編與統計系統、河床沖淤演變分析系統和航道回淤分析系統。水文整編與統計系統的功能是通過水文整編與統計分析建模，實現水文要素特征值的自動計算；河床沖淤演變分析系統的功能是通過地形分析建模，實現河床沖淤演變分析功能，通過GIS可視化，實現河道地形、河床沖淤結果的二維、三維可視化和河床歷史演變過程的二維動畫演示；航道回淤分析系統的功能是通過航道回淤統計分析建模，實現航道各單元回淤特征值的自動計算及回淤分布的可視化。

（1）整編與統計的水文要素主要包括長江口水文測驗常規測驗項目：垂線流速、流向、垂線含沙量、垂線含鹽度、斷面流量、斷面輸沙率和潮位等。此外，還包括河床底質采樣數據。整編內容主要指常規水文要素的統計值與特征值統計與計算。垂線流速、流向資料整編內容包括垂線平均流速、最大流速、最小流速、潮流歷時、單寬流量、單寬潮量、優勢流、余流等。垂線含沙量整編內容包括垂線平均含沙量、最大值、最小值、單寬輸沙率、單寬輸沙量、優勢沙等。垂線含鹽度整編內容包括垂線平均含鹽度，最大值、最小值等。斷面流量整編內容包括斷面潮量計算等。潮位整編內容包括高、低潮位統計、潮差統計等。河床底質采樣分析內容主要是河床底質粒徑的空間分布和變化過程分析。水文整編與統計以圖形與報表為輸出方式。圖形有過程線、對比圖等。報表主要指各種水文整編常用統計報表，報表格式按專業常用格式進行設計。

（2）河床沖淤演變分析的數據源主要是離散的河道地形水深測點，因此河床地形構建以三角網地形為主。此外，三角網地形還具有最大程度保留原始河道地形監測數據精度的優點。除三角網外，地形還有柵格表現方式。柵格地形由地形離散點或三角網插值生成。柵格地形對地形表面進行了插值處理，當地形離散點精度有限時，柵格地形在某些分析處理上能夠取得較好的效果。河床沖淤演變分析內容主要包括地形水深提取、斷面分析、等深線分析、容積（體積）計算和沖淤分析?？梢暬ǖ匦慰梢暬?、沖淤結果可視化、河床演變過程二維動畫演示、等深線變化過程二維動畫演示等。地形、沖淤可視化包括二維和三維。

（3）航道回淤分析內容包括：航道各單元的疏浚工程量(上、下方)、回淤量和平均水深的統計計算。輸出結果包括：航道疏浚量分布圖、航道回淤量分布圖和航道單元平均水深圖等。

1.4 管理系統

管理系統的功能包括平臺管理和數據管理。平臺管理的內容是用戶權限管理，針對不同用戶可以設不同權限，并賦以相應的功能，用戶不能使用非授權的功能；數據管理包括數據錄入、更新、刪除與數據庫備份，平臺可通過用戶界面操作實現數據的管理，并且提供數據正確性與安全性驗證機制。

網絡安全管理包括通信安全管理、防火墻安全管理、VPN安全管理等。為確保平臺運行的穩定性，較長時間內將平臺的安全性控制在一定范圍內。安全控制措施包括：應急處置機制和配套服務；網絡系統安全性監測；網絡安全產品運行監測；定期檢查和評估；系統升級和補丁提供；跟蹤最新安全漏洞；災難恢復機制與預防。

2 長江口水文及水下地形信息管理平臺主要功能

長江口水文及水下地形信息管理平臺的功能分成四個大模塊：應用統計計算模塊、報表模塊、圖形曲線可視化模塊和水下地形分析模塊。

2.1 應用統計計算模塊

一般情況下，由于工程性質不同、研究目的不一，在分析的方法、內容上應有所不同和側重。對于航道整治工程的河勢演變分析應側重在各個時段的河道沖淤變化規律，也即研究河勢演變與河流的水沙條件、動力要素、河床組成等條件的變化分析。平臺為此建立優勢流、優勢沙計算、垂線平均流速、含沙量、含鹽度計算和斷面潮量計算、單寬潮流量、輸沙量計算等相關的計算模塊，同時建立垂線平均最大值和測點最大值流速的統計、斷面垂線和測點最大流速統計、垂線平均最大含沙量統計、懸沙和床沙顆粒分朽統計、波高、風速風向等統計模塊，供河勢演變分析應用。圖2為優勢流計算圖。

圖2 優勢流計算圖

物理模型試驗和數學模型計算是當前河口整治方案研究中重要的技術手段，但模型是否與原型相似，需要進行驗證和率定。對水流模型的驗證和率定，主要是水位驗證、流速驗證和潮量的對比驗證（尤其是特征潮位，特征流速），同時，為配合動床物理模型試驗的模型沙選擇，平臺建立了懸沙和床沙顆粒分析統計模塊，配合平面二維水流、泥沙、鹽水入侵的數值模型，建立垂線底層最大和平均含沙量統計、垂線平均最大和最小含鹽度統計、垂線漲、落憩平均含鹽度統計等統計模塊。

2.2 報表模塊

報表形成模塊是將各種類型的經過格式化、標準化的原始數據或經過整編后的數據按規范化管理的要求自動形成各種形式的表格、報表。報表主要采用各種水文整編常用統計報表，報表格式也按專業常用格式進行設計。除個別未作規定的報表，其報表格式采用自行設計。報表包括：遙測遙報水文要素統計報表、垂線水文要素統計報表、斷面水文要素統計報表、潮位統計報表、河床質統計報表和各水文要素計算成果表。

報表形成模塊又按各類原始數據的輸入和成果輸出的要求不同，又分成遙測系統數據統計計算模塊、人工實測數據統計計算模塊。各自均有若干個特征值、統計特征值計算功能組成。

2.3 圖形曲線可視化模塊

圖形模塊按不同需要顯示又分為時間序列圖形顯示模塊，單個要素結合地理信息系統的平面分布顯示模塊二大類。圖形模塊的功能和作用是將現場實測數據和遙測系統的海量水文要素信息，通過計算機的視頻效果，將不同的要素數據鏈的過程線及其組合在同一視頻上顯示出來，甚至可將各要素在縱向、橫向、平面上的分布情況從圖形上顯示出來，將其本身固有的自然規律和各水文要素之間的相互關系用可視化反映出來。

將數據庫存儲的各類要素經整編后的遙測和實測數據經圖形形成模塊，分類為單站單要素圖、組合圖形圖和單個要素結合地理信息系統的圖。單站單要素圖將各單個要素的數據以時間順序排列的圖形顯示，以直觀形象反映要素數據出現的整個過程。充分反映了其本身固有的自然規律，便于對資料的檢查和分析。單站單要素圖（圖3）顯示有以下幾種：

潮位過程線、垂線平均流速過程線圖、垂線平均流向過程線圖、各分層流速過程線圖、各分層流向過程線圖、垂線表層含沙量過程線圖、垂線表層含鹽度過程線圖、垂線表層水溫過程線圖、測站風速、風向玫瑰圖、測站氣溫過程線圖、測站波高柱狀圖。組合圖形圖可將各類要素的圖形放在同一屏幕上顯示出來，以便使要素本身固有的自然規律和各水文要素之間的相互關系反映出來。其中包括三種類型：單站多要素、多站單要素、多站多要素（見圖4）。單個要素結合地理信息系統的圖有單要素斷面等值線圖和單個要素的平面變化圖。圖5為水流流速矢量分布圖。

圖3 單站單要素圖形圖

2.4 水下地形分析模塊

圖4 多站多要素圖

圖5 水流流速矢量平面分布圖

水下地形分析模塊包括從采集數據的管理和斷面、等深線、沖淤、航道等分析功能。水深勘測數據的集中管理和累計采用了先進的數據庫技術將測量數據統一存儲到數據庫中，為以后資料的累計、管理和分析提供數據基礎。采用斷面法進行地形定量分析可以針對某一深度的斷面寬度、斷面面積等內容進行計算，計算結果可以用于航道等的定量分析和對比分析。采用等深線分析地形演變針對不同時期的地形數據進行同一深度值的等深線分析并進行疊加，可以定性分析該區域地形的演變情況。圖6為等深線圖。利用DEM進行沖淤分析可以采用三角網法或者斷面法進行沖淤量計算為生產和研究提供依據。航道設計和工程量計算在確定了航道中心線、左右邊坡、岸線深度、超深超挖等即可計算出航道設計斷面模擬航道設計地形及航道疏浚工程量。

圖6 等深線圖

3 下一步開發的設想

長江口水文及水下地形信息管理平臺于2010年初步建成。目前在長江口的河勢演變和航道變化分析、航道回淤及疏竣分析、鹽水入侵和風浪掀沙對航道的影響研究等方面發揮作用。

雖然長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，但將隨著經濟發展和對水運需求的不斷提升，《長江口航道發展規劃》確定的“一主(主航道)兩輔(南槽、北港航道)一支(北支航道)”航道體系目標將終究會實現。所以，更需要長江口水文信息管理工作的不斷深化，需要該平臺的不斷升級。下面提出幾點設想。

3.1 由長江口局部的信息化向長江口全息化邁進

該平臺所收集的信息，從長遠發展和管理角度看，這些信息內容還顯不足。設想，在現有功能基礎上，通過進一步開發形成更加智能、更加通用、更適合長江口航道管理局管理職能的管理平臺。如在涉水工程數據庫中加載航道設施中的修復情況（包括軟體排），包括修復位置、損壞原因和修復方案等信息，還有重要的海損情況信息等供航道管理用。再如航道回淤分析功能可以擴大到任意需要進行分析的航區，在航道數據庫中加載影響長江口的臺風信息、長江口疏浚土傾倒區使用情況信息、長江口特設的儲泥坑使用情況信息、長江口水域采砂信息，以及專供航道有關區域的回淤分析。這樣便可形成長江口這一獨特水域的全息化管理平臺，快速查詢、方便比照、有利信息的條件組合等等。

另外，分析、了解和掌握長江口河床演變需大量資料，這些資料跨越時間越長分析就越準確。所以，應重視僅錄入近幾年的有關信息的同時，還應加強跨系統覆蓋面，更廣地收集歷史資料和信息的工作。這是一項持之以恒的系統工作。

3.2 從對長江口信息簡單管理過渡到科學化管理

隨著信息量的增加和信息使用率的不斷增加，該平臺的重要性也不斷提升，需要深入研究大量信息的管理，如何做到信息管理規范、信息安全、信息準確及時等等。設想，從人員上保證有2～3位專職工作人員，主要職責為對該平臺系統進行必要維護等日常工作（專業編程單位也作為維護單位），收集信息和錄入。同時，對錄入的信息準確性應該有甄別，探討部分數據信息甄別的程序設計，減少人工作業強度和可能的誤入。對錄入的信息來源應有記錄，對更換信息的情況應有說明，對該平臺系統改進應有方案，對突發事件應有應對措施。在科學化管理中，應重視階段性的統計、分析和小結，提出值得關注的變化情況和原因，以及處理方案。

4 結語

約占4500 km2面積的長江口，是一塊處于中國乃至世界上最發達的長三角經濟區域內正在開發的寶地。保護、利用和合理開發好這塊寶地是我們應盡的責任和義務。

[1]張行南.水文學原理（Principium of Hydrology）[M].南京：河南大學出版社.