基于GIS的防汛搶險信息系統開發與應用

周玲霞，李 紅，張少杰，黃振宇

（1.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011）

基于GIS的防汛搶險信息系統開發與應用

周玲霞1，李 紅1，張少杰1，黃振宇1

（1.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011）

防汛搶險情況復雜，時效性要求極高。為了高效地進行防汛搶險，基于GIS技術開發了防汛搶險信息系統，該系統包括等深線疊加分析、斷面分析、沖淤分析、工程設計等功能。系統在2013年長江七壩岸段崩岸搶險中發揮了巨大作用，分析了險情的原因，設計了初步方案，及時為搶險工作提供了信息，減少了損失。還對七壩工程完工后進行效果分析，顯示工程效果較好。

防汛搶險；河勢分析；GIS；長江

1 系統簡介

基于GIS的防汛搶險信息系統面向的是管理部門人員[2]，充分發揮了地理信息系統中地圖直觀、反應快捷、易操作、查詢方便、分析功能強、處理信息量大的優點，能快速進行等深線疊加分析、斷面分析、沖淤分析等，還可以快速地確定崩塌位置、崩岸長/寬、崩塌方量以及崩岸區域上下游的變化情況，以便于分析崩岸的原因，制訂崩岸治理方案。系統的總體構成如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.1 數據庫建立

定期對水下地形進行監測，收集三維數據，導入數據庫。為了高效獲取準確的數據，采用了GNSSRTK、全數字化回聲測深儀、導航同步觀測軟件相結合的水下地形測量方法[3]。數據格式主要有AutoCAD格式以及GIS格式，GIS格式的文件帶有豐富屬性信息，便于統計分析。

系統空間數據庫包括基礎地理數據、水下地形數據、護岸工程數據等。其中基礎地理數據包括地形、水系、交通等；水利工程數據包括護岸工程布置、堤防等；水下地形數據包括多年高程點、多年等深線、流域DEM等；影像數據包括陸地衛星影像、多媒體數據等。

為了數據的安全，建立了數據備份、恢復機制，并配置了用戶權限、角色等多方面保護。

1.2 系統功能

系統采用了計算機技術、GIS技術、數據庫和網絡技術等[2]，系統主要功能有數據加工處理、數據管理、查詢統計、河勢分析、三維可視化等。

1.2.1 河勢分析模塊

河勢分析模塊是系統最核心的模塊，主要分析功能有：

1）等深線疊加分析。將不同年份的等深線疊加在一起，可直觀地發現崩岸險情的位置，并查詢其長、寬、深等信息。

2）沖淤分析。利用GIS技術對近2年的DEM進行疊加分析[4]，計算崩岸的方量，用不同的顏色來顯示該區域沖淤情況的分布和深度，能直觀地展現崩岸的危險程度以及上下游的情況，有利于判斷險情發展的可能。

3）深泓分析，主要是分析深泓多年來的擺動情況，分析大的河勢，有助于判斷險情發生的原因。

4）斷面分析，將多年橫斷面進行對比，用于分析近岸和深槽的變化情況。

5）工程設計。因護岸工程主要為拋石，按照拋區設計原理，結合實際要求和以往設計經驗，運用GIS技術，提出了參數法、畫圖法、單元圖形法等新的設計方法和工程量計算方法，改變了過去的設計模式，提高了設計效率。

1.2.2 斷面分析功能

根據防汛搶險的需求，著重設計了河勢分析模塊中最具特色的斷面分析功能。普通的斷面分析功能僅顯示某斷面位置的斷面圖，或多期的斷面圖進行比較分析。本系統研究了根據測點和引導線自動生成斷面線，再根據斷面線批量生成斷面圖的方法[5]。并在斷面圖上同時展現堤防、護岸、坡比等信息。

1）自動生成斷面線。險工險段一般位于近岸狹長區域，這些區域通常按1∶2 000的水下地形測量要求進行測量，采用人工方法繪制幾十甚至上百個沿測線的斷面圖，工作量非常大，且間距、精度都難以保證。系統可通過引導線（自上游往下游順水流方向的線）自動生成垂直于引導線并擬合測點的斷面線，或生成垂直于引導線且間距相等的斷面線。

2）堤防。可以在作斷面圖的同時在圖上標注0 m線至主堤的距離，將復雜的堤防圖層簡化為能代表堤線的概化線，同時提取堤線的屬性，如堤頂工程、防浪墻高、類別（子堤、主江堤、山、路等）。

3）坡比。在斷面圖上顯示該斷面的最大坡比，可直觀地反映危險程度，有利于判斷有無繼續滑坡的可能。最初，計算機只能計算相鄰兩點之間的坡比，而要分析的是一段邊坡的坡比，且每個斷面的邊坡范圍都是不同的，這時可以在計算程序中設置一個限值，當坡比差小于限值時，忽略前一線段的坡比，繼續求下一線段的坡比差。如果此坡比差大于等于限值，則用前一線段起點與倒數第二線段的終點求相應坡比，依次求出斷面上所有相應坡比，將坡比的最大值作為該斷面的最大坡比。限值可以根據不同岸段的水下地形情況自定義。

4）最大沖深。在斷面圖中顯示最大沖深，并標注沖深值及范圍。

5）護岸工程。在斷面上顯示護岸工程的信息非常重要，若發生險情，可立即獲得該岸段歷史護岸的情況，以及護岸范圍、形式及厚度等信息，并判斷護岸受損情況。

系統還可以批量輸出斷面圖，以及將所有斷面圖的信息以表格形式輸出。

2 七壩搶險實例

2013-04-15長江南京七壩岸段浦口橋林街道聯合圩外灘地發生崩岸險情，崩岸區位于七壩石磧河口下游660 m處，崩塌類型屬窩崩，見圖2。

圖2 等深線比較圖

可量出崩窩口門長215 m，最大崩進94 m，崩塌陸域面積約11 500 m2，崩塌土方約370 000 m3。從斷面“七10”可以看出，2013年2月測圖的最大坡比為1∶1．6（-19～-48 m），近岸邊坡坡比為1∶1．9（0～- 18m），可見該處岸坡非常陡。從斷面圖（圖3、4）可以看出，窩崩內最大的沖深達25 m，原護岸滑落。窩崩處0 m線距江堤較近，在斷面“七10”的位置0 m線距堤頂100 m左右，現場測量崩窩內邊距長江主江堤迎水坡堤腳最近處約75 m，非常危險。

圖3 斷面圖“七10”

圖4 斷面圖“七11”

根據分析，造成本次江灘崩塌的主要原因有：① 七壩岸段為導流岸壁，受迎流頂沖，且前沿水深較深，岸坡較陡，深槽發育逼岸。②由于七壩港區的建設，樁基作用造成水流紊亂。碼頭建設和運行期間，水流對岸灘的沖蝕作用加大。

根據窩崩情況和原因分析，以及窩崩治理“守兩肩、護周邊、先促淤、后封口”的原則，確定本次應急搶險拋石護岸工程的布置。本次搶險工程的主要任務是對崩窩口門、兩肩及崩窩內緣周邊進行拋石守護，防止崩窩進一步擴大；同時對崩窩以下至汽渡上游護岸進行應急搶險，對該段受損嚴重的原有拋石護岸工程進行維修加固。崩窩口門分為3個拋區，拋區長390 m，寬75～90 m，拋石厚度1～1．5 m。崩窩內緣周邊拋石區外邊線總長約280 m、寬15 m，拋石厚1 m。崩窩以下至汽渡上游段分為6個拋區，長1 450 m、寬30～90 m，拋石厚度1．0～2．0 m，合計拋石量142 980 m3，如圖2所示。

圖5 沖淤圖

經過2013年5月～6月的緊急施工后，2013-06-10進行了拋后測圖，測圖范圍為護岸區域。將2013-06-10和2013-04-30的DEM進行疊加分析（見圖5）可見，工程范圍內以淤積為主，平均淤厚約為2 m，分析得到的具體數據有沖刷量-21 116．24 m3、沖刷面積-25 138．79 m2、平均沖深-0．84 m、淤積量203 906．14 m3、淤積面積96 737．09 m2、平均淤深2．11 m、沖淤平衡量182 789．9 m3、沖淤平衡面積71 598．31 m2。經過汛期檢驗，工程運行良好，窩崩處已基本穩定，拋區范圍內-40 m、-45 m深槽淤積消失，2014年2 月比2013年4月在斷面“七10”處淤厚約3 m。

3 結 語

本系統符合防汛搶險時判斷險情的需求，著重研究和開發了河勢分析模塊的斷面分析功能，根據斷面圖和斷面信息表可較快地判斷危險斷面，并在七壩搶險實例中得到應用，大大提高了防汛搶險的效率。因本系統采用插件式系統設計[6]，如果需新增功能，可繼續開發相應的功能模塊。

[1] 熊衛東,趙君毅,劉智敏．基于ArcGIS的林業綜合管理信息系統的設計與實現[J]．地理空間信息,2013,11(1):5

[2] 汪宙峰,何政偉,黃潤秋,等．利用ArcGIS Engine開發滑坡危險性評價系統[J]．測繪科學,2006,31(6)：103-104

[3] 張立輝,陶雷,陳志芳．河勢分析信息系統在沙鋼長江河勢分析中的應用[J]．人民長江,2012,43(13):7-9

[4] 王艷嬌,張鷹,陳榮．基于GIS長江口北港河段沖於變化的可視化分析[J]．河海大學學報:自然科學版, 2006,34(2):223-226

[5] 臧英平,仲琳,崔信民,等．長江南京河段河勢分析系統開發研究[J]．人民長江,2011,42(增刊)：53-55

[6] 黃信望,盧遠．基于GIS的水生態健康評價系統開發[J]．地理空間信息,2013,11(4):67-69

P208

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1672-4623（2016）06-0059-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.06.020防汛搶險需要快速、高效地反應，搶險的速度直接影響損失的大小，在險情發生后及時、快速、高效地分析河勢變化、設計應急工程、制定應急搶險方案尤其重要。GIS是空間信息構建，實現相應的虛擬地理空間，并用于管理決策的核心信息技術[1]。應用GIS信息技術，結合防汛搶險的專業知識與經驗，開發防洪搶險信息系統，有利于實現高效的防汛搶險。本文著重研究了河勢分析模塊中的斷面分析功能，在傳統斷面圖的基礎上添加了護岸、堤防等信息，更有利于判斷險情的危險程度，提供科學決策的依據。

周玲霞，碩士，工程師，研究方向為地理信息系統、水利工程建設管理。

2015-01-07。