河势模拟仿真系统在长江南京河段防汛抗洪工作应用的实践与思考

朱春光，王义坤，王波，程扬

（1.南京市长江河道管理处；2.南京市水利规划设计院股份有限公司）

1 引言

防洪减灾是保障长江河势稳定和堤防安全运行的重要工作，其中河道监测分析是其主要的基础工作，通过监测分析了解河道演变的趋势、预测险情发生的风险。传统分析手段是将测图等深线进行套比人工分析，数据处理成果误差大[1]。本文利用计算机模拟仿真技术，结合长江南京段历年水下地形数据和护岸工程数据，构建河道水下地形三维模型，对长江南京段河势的演变过程进行三维动态的仿真模拟。具体包括三项内容。

①河势动态仿真。构建长江南京段河道水下地形三维模型及其动态演变过程。

②险情预警。结合河道的冲淤、边坡和护岸工程等影响因素建立险情预警数学模型，对河道防汛能力进行评估、分级。

③防汛抢险模拟推演。构建抢险模拟推演系统，实景模拟抢险工作开展的全过程，为防汛演练工作提供新方法。

2 河势动态仿真模拟模型的建立

河势演变过程是涉及水力学和泥沙动力学的复杂过程，但现有理论和技术对于估测和量化河势演变的真实过程尚有难度[2]。随着GIS 技术的发展，其强大的空间分析与可视化能力为河势演变提供了技术支撑[3]。本文采用等比例插值的方法在Unity3D 引擎中每隔一定的时间绘制不同高程的水下地形，实现河势的动态变化过程展示，具体算法如下：

选定两期水下地形的高程分别为H0、Hr，则河势演变过程中的每一帧河道地形高程为

式中：N为演变过程动画插入的总帧数，N 越大动态变化越连贯，但计算量也越大，对系统的性能要求越高。多次实验确定合适的帧数和播放的间隔时间，使河势动态变化过程直观逼真（见图1）。

图1 河势演变模拟

3 风险预警平台的建立

3.1 河道崩岸预警级别

按照崩岸险情发生可能性及可能造成的危害程度，将预警级别分为三级（见表1）。

表1 河道预警分级

3.2 风险评估模型

评价一个岸段稳定与否涉及岸坡的物质组成、形态和岸坡结构等内因，以及江水冲刷、水位涨落、地下水渗透等外因，模型建立了由14 个指标组成的指标体系。

①外部因素。包括水文情况（暴雨强度、洪水位及历时），加固情况（工程等级及抢险情况、护岸工程情况），管理情况（管理日常安全、信息化监测），其他情况（隐患探测情况、堤防断面及堤线布置）。

②内部因素。包括堤顶高程、临背坡度、渗透系数、空隙比、地质条件和其他因素。

采用德尔菲法（专家打分法）进行权重赋值，构建风险综合评价指标体系，提出定量指标计算方法、定性指标分级与赋值方法，以及指标标准化方法，对险情风险进行综合评估，具体方法为：①定性指标采用模糊数学方法赋值；②定量指标采用模糊数学法中隶属度函数进行计算；

③采用层次分析法计算主观权重值，采用熵权法计算客观权重值，两种权重值综合计算，得到评价指标的组合权重；

④基于各指标数值和权重，计算综合评价值。

3.3 险情预警分级展示

在三维河道模型中，根据险情预警模型的计算结果，对各岸段进行不同颜色或符号的分级标注处理，以直观的展示长江南京河段的崩岸危险、危害状况。

4 防汛抢险模拟推演分析

4.1 抢险流程梳理

险情发生和处置过程中，涉及领导、专家和各组工作人员的组织和配合。以小年圩崩岸为例，梳理和优化抢险处置的流程，将抢险过程概括为险情发生、及时汇报、现场处置、确定抢险方案、抢险施工和后续措施等步骤。

1）险情发生及汇报

本底值样地剖面形态的 7Be垂直分布特征反映了降雨携带 7Be沉降的数量和土壤吸附后再渗透分布的变化，与研究区的旱雨季转变和雨季期间的降雨及降雨量的波动情况有关。因为研究区位于滇西高原季风气候地带，3月的本底值样地的土壤表层，由于较长时期干旱形成裂隙结构利于降雨迅速渗透至土壤深层，以致在3月剖面中下部出现间断分布；5月本底值样地由于降雨致使表层土壤颗粒分散并充填土壤裂隙，土壤表层吸收水份并不连续向下渗透，在土壤剖面表层中呈现高浓度值，并且在次表层和底部出现多个峰值层；8月降雨持续进行，降雨后地表细流多于向土壤层垂直方向渗透的水分，致使本底值剖面出现较低浓度的 7Be含量。

将险情状况电话汇报上级，及时启动应急预案。

2）现场处置及水下测量

布置好警戒、巡查和疏散等工作，进行水下测量掌握险情动态。

3）确定抢险方案

结合历年的监测和护岸工程的数据资料进行分析统计，商讨抢险处置方案。

4）施工抢险

5）后续措施

持续水下地形监测，了解险情动态。

4.2 仿真系统开发

利用三维建模工具SketchUp，实现场景模型三维仿真，基于Unity引擎，实现场景转换、三维物体的运动控制、人机交互等相关功能（见图2）。

图2 防汛抢险三维模拟仿真系统

5 结语

河势分析是一个专业技术性较强的工作，将三维模拟仿真技术应用到河势分析领域，使河势分析成果更加立体直观，同时结合历年水下地形及护岸工程数据，对河势的演变过程及趋势进行模拟与仿真，帮助行政决策者提供场景模拟手段支撑。