河勢模擬仿真系統在長江南京河段防汛抗洪工作應用的實踐與思考

朱春光，王義坤，王波，程揚

（1.南京市長江河道管理處；2.南京市水利規劃設計院股份有限公司）

1 引言

防洪減災是保障長江河勢穩定和堤防安全運行的重要工作，其中河道監測分析是其主要的基礎工作，通過監測分析了解河道演變的趨勢、預測險情發生的風險。傳統分析手段是將測圖等深線進行套比人工分析，數據處理成果誤差大[1]。本文利用計算機模擬仿真技術，結合長江南京段歷年水下地形數據和護岸工程數據，構建河道水下地形三維模型，對長江南京段河勢的演變過程進行三維動態的仿真模擬。具體包括三項內容。

①河勢動態仿真。構建長江南京段河道水下地形三維模型及其動態演變過程。

②險情預警。結合河道的沖淤、邊坡和護岸工程等影響因素建立險情預警數學模型，對河道防汛能力進行評估、分級。

③防汛搶險模擬推演。構建搶險模擬推演系統，實景模擬搶險工作開展的全過程，為防汛演練工作提供新方法。

2 河勢動態仿真模擬模型的建立

河勢演變過程是涉及水力學和泥沙動力學的復雜過程，但現有理論和技術對于估測和量化河勢演變的真實過程尚有難度[2]。隨著GIS 技術的發展，其強大的空間分析與可視化能力為河勢演變提供了技術支撐[3]。本文采用等比例插值的方法在Unity3D 引擎中每隔一定的時間繪制不同高程的水下地形，實現河勢的動態變化過程展示，具體算法如下：

選定兩期水下地形的高程分別為H0、Hr，則河勢演變過程中的每一幀河道地形高程為

式中：N為演變過程動畫插入的總幀數，N 越大動態變化越連貫，但計算量也越大，對系統的性能要求越高。多次實驗確定合適的幀數和播放的間隔時間，使河勢動態變化過程直觀逼真（見圖1）。

圖1 河勢演變模擬

3 風險預警平臺的建立

3.1 河道崩岸預警級別

按照崩岸險情發生可能性及可能造成的危害程度，將預警級別分為三級（見表1）。

表1 河道預警分級

3.2 風險評估模型

評價一個岸段穩定與否涉及岸坡的物質組成、形態和岸坡結構等內因，以及江水沖刷、水位漲落、地下水滲透等外因，模型建立了由14 個指標組成的指標體系。

①外部因素。包括水文情況（暴雨強度、洪水位及歷時），加固情況（工程等級及搶險情況、護岸工程情況），管理情況（管理日常安全、信息化監測），其他情況（隱患探測情況、堤防斷面及堤線布置）。

②內部因素。包括堤頂高程、臨背坡度、滲透系數、空隙比、地質條件和其他因素。

采用德爾菲法（專家打分法）進行權重賦值，構建風險綜合評價指標體系，提出定量指標計算方法、定性指標分級與賦值方法，以及指標標準化方法，對險情風險進行綜合評估，具體方法為：①定性指標采用模糊數學方法賦值；②定量指標采用模糊數學法中隸屬度函數進行計算；

③采用層次分析法計算主觀權重值，采用熵權法計算客觀權重值，兩種權重值綜合計算，得到評價指標的組合權重；

④基于各指標數值和權重，計算綜合評價值。

3.3 險情預警分級展示

在三維河道模型中，根據險情預警模型的計算結果，對各岸段進行不同顏色或符號的分級標注處理，以直觀的展示長江南京河段的崩岸危險、危害狀況。

4 防汛搶險模擬推演分析

4.1 搶險流程梳理

險情發生和處置過程中，涉及領導、專家和各組工作人員的組織和配合。以小年圩崩岸為例，梳理和優化搶險處置的流程，將搶險過程概括為險情發生、及時匯報、現場處置、確定搶險方案、搶險施工和后續措施等步驟。

1）險情發生及匯報

本底值樣地剖面形態的 7Be垂直分布特征反映了降雨攜帶 7Be沉降的數量和土壤吸附后再滲透分布的變化，與研究區的旱雨季轉變和雨季期間的降雨及降雨量的波動情況有關。因為研究區位于滇西高原季風氣候地帶，3月的本底值樣地的土壤表層，由于較長時期干旱形成裂隙結構利于降雨迅速滲透至土壤深層，以致在3月剖面中下部出現間斷分布；5月本底值樣地由于降雨致使表層土壤顆粒分散并充填土壤裂隙，土壤表層吸收水份并不連續向下滲透，在土壤剖面表層中呈現高濃度值，并且在次表層和底部出現多個峰值層；8月降雨持續進行，降雨后地表細流多于向土壤層垂直方向滲透的水分，致使本底值剖面出現較低濃度的 7Be含量。

將險情狀況電話匯報上級，及時啟動應急預案。

2）現場處置及水下測量

布置好警戒、巡查和疏散等工作，進行水下測量掌握險情動態。

3）確定搶險方案

結合歷年的監測和護岸工程的數據資料進行分析統計，商討搶險處置方案。

4）施工搶險

5）后續措施

持續水下地形監測，了解險情動態。

4.2 仿真系統開發

利用三維建模工具SketchUp，實現場景模型三維仿真，基于Unity引擎，實現場景轉換、三維物體的運動控制、人機交互等相關功能（見圖2）。

圖2 防汛搶險三維模擬仿真系統

5 結語

河勢分析是一個專業技術性較強的工作，將三維模擬仿真技術應用到河勢分析領域，使河勢分析成果更加立體直觀，同時結合歷年水下地形及護岸工程數據，對河勢的演變過程及趨勢進行模擬與仿真，幫助行政決策者提供場景模擬手段支撐。