淤地壩信息管理系統研發與應用

侯紅雨，史玉龍，趙光成，高思達，蓋永崗

[1.云河(河南)信息科技有限公司，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003]

1 研發背景

淤地壩是黃土高原地區人民群眾在長期與水土流失斗爭中創造的一種行之有效的水土保持工程措施，在攔泥保土、減少入黃泥沙、防洪減災、淤地造田、鞏固退耕還林(草)、保障生態安全，以及促進糧食生產、水資源合理利用、經濟社會穩定發展等方面發揮了重要作用，是黃土高原水土流失綜合治理的關鍵措施之一。根據《黃河流域水土保持公報(2020年)》，截至2020年，黃河流域黃土高原地區有淤地壩58 129座。淤地壩量大面廣，分布于黃土高原千溝萬壑，有的位置偏遠、交通不便，有的建設年代久遠(有3.2萬座建于20世紀90年代前)、建設標準低、泄洪設施不完善，加之整體管理手段特別是信息化管理手段落后，導致淤地壩防汛任務重、責任壓力大、監管落實難。多年來，雖然國家監管部門與地方水行政主管部門相繼加強了淤地壩的管理，但管理現狀仍不容樂觀，依然處于粗放式管理階段，尤其是信息化管理手段極為落后[1]。

在中共中央 國務院印發的《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》(以下簡稱《規劃綱要》)中明確提出，“建立跨區域淤地壩信息監測機制，實現對重要淤地壩的動態監控和安全風險預警”。在水利部印發的《推動黃河流域水土保持高質量發展的指導意見》《水土保持“十四五”實施方案》中均提出，要加快安全監測監控設施建設，實現淤地壩動態監控和安全風險預警，建立跨區域監管信息平臺。為貫徹落實《規劃綱要》和水利部有關要求，按照水利部智慧水土保持建設的總體要求，加快淤地壩信息管理系統建設十分必要。信息管理系統建設對建立淤地壩多維多尺度時空數據庫，支撐淤地壩日常運行維護管理，落實淤地壩安全度汛管理，實現數據資源跨地區、跨部門互通共享，提升淤地壩信息服務和決策管理能力具有重要意義。

近年開展的淤地壩安全風險預警，雖核實了多座中型以上淤地壩坐標位置和工程特性，但對黃河重要支流、主要小流域壩系范圍內淤地壩的數量及分布，每座淤地壩的地理坐標、壩體屬性(壩高、壩頂長、壩頂寬)、淤積狀況、工程運行狀況，以及影響區域自然地理條件，特別是下游影響區居民、重要設施等資料掌握不全。雖建立了工程信息數據庫，但數據庫內數據匱乏，數據格式與隱患排查數據格式不一致，系統功能單一，缺乏前端可視化功能、科學高效的多維統計與分析功能，已不滿足當下國家對淤地壩的監管要求。目前，雖已建立黃土高原地區淤地壩監管與安全預警發布系統，但是從模型的角度而言，預報預警模型僅考慮淤地壩壩體屬性、壩控面積、淤積狀況及周邊植被覆蓋情況、下墊面等參數，且有些淤地壩因設計年代久遠而資料匱乏，故模型參數率定難度大，僅粗放式地從宏觀角度提供了預報預警基礎模型。而從系統應用的角度而言，缺乏將預報預警模型轉化為支撐預報預警功能的應用系統，難以實現國家對淤地壩安全度汛的“四預”要求[2]。

2 系統設計與開發

通過對水利部智慧水利頂層設計與智慧水土保持建設方案的解析，充分利用現有的基礎數據與技術條件，通過監測感知設施，采集實時數據，融合遙感數據、DEM數據、傾斜影像、氣象數據等，建設淤地壩數據底板，構建智能模型，并通過數據底板驅動智能業務模型，實現安全度汛“四預”等業務的深度應用。

2.1 總體架構

以《數字孿生水利工程建設技術導則(試行)》為主要參考依據，建立淤地壩信息管理系統總體架構，見圖1。

圖1 淤地壩信息管理系統總體架構

2.2 數據底板建設

數據底板建設主要是指建立多維多尺度數據庫，其數據主要有基礎數據、監測數據、業務數據、外部關聯數據及地理空間數據。其中基礎數據主要包括淤地壩基本信息，如淤地壩所屬省(自治區、直轄市)、市、縣(區)、鄉(鎮)，淤地壩名稱、類型、結構、控制面積、壩體屬性、庫容，淤地壩所在位置坐標、所屬流域、建成時間等； 淤地壩下游影響區信息，如下游影響區村莊、居民、重要設施、社會經濟狀況等信息；淤地壩管護信息，如淤地壩責任管護主體，淤地壩行政責任人、技術責任人和巡查責任人的姓名、聯系方式、職務等信息。監測數據主要包括雨量計、水位計、陣列位移計、拉繩位移計等監測設備實時監測數據,以及視頻監控設備采集的視頻及圖像等。業務數據主要包括淤地壩安全運行及與之相關聯的數據。外部關聯數據主要收錄與淤地壩信息管理有關的來自外部的數據。地理空間數據主要包括DEM、DOM、BIM、傾斜攝影等數據。

2.3 數據查詢統計

數據底板建設完成后，可通過不同維度的數據組合，對實時數據和歷史數據按需求進行統計、分析、匯總。結果可以表格、直方圖、專題圖等形式展示；也可利用統一代碼將圖形數據與屬性數據連接，生成單要素或多要素的統計圖表；還可利用遙感技術對水文類數據進行分析、展示。

(1)分布概況查詢統計。可按建成年代、行政區劃、樞紐組成、庫容等，實現宏觀的基于淤地壩基本信息的查詢統計，采用餅狀圖和柱狀圖切換展示統計結果，見圖2。

圖2 分布概況查詢統計界面

(2)監測信息查詢統計。可按監測設施統計、工情報警信息統計等，實現多類別物聯感知設施的查詢統計，見圖3。

圖3 監測信息查詢統計界面

(3)運行監管查詢統計。可按省市縣巡查統計、隱患統計、巡查記錄統計、整改統計等，實現淤地壩工情與人員的動態管理，見圖4。

圖4 運行監管查詢統計界面

2.4 暴雨洪水預報預警

2.4.1 暴雨洪水預報

基于氣象部門降雨預報成果和監測系統降雨監測成果，采用降雨徑流經驗公式法等，構建小流域暴雨洪水預報模型[3]，以骨干壩、下游有保護對象的淤地壩為暴雨洪水預報方案建設重點，進行洪量預報，為淤地壩洪水預警、防洪搶險等工作安排盡可能延長預見期，其暴雨洪水預報流程見圖5。

圖5 暴雨洪水預報流程

2.4.2 降雨預報及影響分析

(1)降雨預報。結合5 km格網精度的24 h降雨預報，形成降雨等值面圖，以GIS一張圖進行展示，見圖6。

圖6 降雨預報疊加顯示界面

(2)降雨影響分析。通過對雨區淤地壩信息的統計，進行降雨影響分析。在降雨預報范圍內根據不同雨區的覆蓋情況，對雨區內淤地壩信息進行多維統計與分析，包括雨區淤地壩數量統計、影響人數統計、重要設施統計、不同降雨量影響淤地壩統計等，可采用餅狀圖和柱狀圖切換展示統計結果(見圖7)。

圖7 雨區覆蓋淤地壩信息多維統計界面

2.4.3 暴雨洪水預報預警模型構建

運用降雨徑流經驗公式實現對洪峰流量、洪水總量和洪水過程線等洪水要素的計算，構建暴雨洪水預報預警模型。通過構建匯水面積與洪峰流量、洪水總量的經驗關系進行洪峰流量和洪水總量的計算，再通過三角形法等進行洪水過程線的計算。經驗公式在各地的表達形式不盡一致，一般選取與洪水要素密切相關的因子，構建其與洪水要素的地區經驗關系，且需根據實際情況進行驗證，并結合各地水文手冊進行應用。

(1)計算洪峰流量的經驗公式一般可采用以下兩種方法。

采用洪峰流量匯水面積相關法計算洪峰流量，其公式為

QP=KNFn

(1)

式中：QP為洪峰流量，m3/s;KN、n為重現期為N的經驗參數、指數；F為匯水面積，km2。

采用綜合參數法計算洪峰流量，其公式為

(2)

(3)

(4)

(2)洪水總量可按經驗公式(5)或(6)進行計算。

WP=φHPF

(5)

WP=AFr

(6)

式中：WP為洪水總量，萬m3；φ為洪水總量徑流系數，可由當地水文手冊查得；A、r為洪水總量地理參數、指數；其余字母含義同前。

(3)結合式(2)～(6)的計算結果，將預報預警模型轉換為可被計算機系統識別的代碼，通過疊加降雨預報信息，形成暴雨洪水預報結果，再結合基礎數據庫中庫容、控制面積、溢洪道等數據，對預報結果進行綜合評判，分析確定淤地壩暴雨洪水風險預警區域和預警級別，向相關主管部門推送預警信息。根據暴雨預報信息，淤地壩預警級別劃分如下：當洪水入庫量占剩余庫容的95%時，為高危險；當洪水入庫量占剩余庫容的80%時，為危險級；當洪水入庫量占剩余庫容的60%時，為警示級。針對已淤滿的淤地壩，發送工情預警。

2.4.4 汛情預警查詢

將暴雨洪水預警信息以圖例的形式顯示在GIS底圖中，包含不同預警等級下的淤地壩數量統計、影響人數統計、重要設施統計、病險老舊壩影響人數統計等，也可按行政區劃進行查詢歸類，同時在GIS底圖中顯示不同預警等級淤地壩的位置，并可點擊任意一處查詢預警淤地壩的分布概況，見圖8、9。

圖8 預警信息查詢界面

圖9 預警淤地壩分布概況顯示界面

2.4.5 預報預警提醒

在淤地壩信息管理系統中，結合降雨預報信息，通過暴雨洪水預報預警模型計算分析，可較精確地掌握不同雨區覆蓋情況及淤地壩運行情況，對可能出現的險情及時在界面上發送預報預警提醒，并在線發布，相關負責人可即時收到，為淤地壩安全度汛提供了預防期，見圖10。

圖10 預警信息發布界面

3 結 語

通過對淤地壩現狀與信息管理需求進行分析，在《數字孿生水利工程建設技術導則(試行)》的指導下，初步實現了淤地壩信息化管理與應用。鑒于目前淤地壩數量大、分布廣，基本信息核準困難，而基于降雨徑流經驗公式法的預報預警模型，需要對不同地區的徑流系數進行逐一核準，操作難度較大，下一步應逐漸完善數據底板的建設，以便提供更準確、更高效、更科學的信息化管理手段。