浅析GIS对航道整治决策支持系统

2023-01-07

不同的整治工程对航道整治的作用是不同的, 如何实时地分析航道中存在的问题并设计最优的工程方案, 是工程设计者十分关心的问题。随着计算机及信息技术的飞速发展, 许多航道管理部门开发了基于GIS的河床演变分析系统及航道管理系统, 实现了航道相关资料的自动存储、显示、分析及输出, 提高了对资料管理的效率。

1 航道基本信息管理

1.1 系统开发方式

系统采用符合软件技术发展潮流的组件式G I S开发方式, 便于系统集成及应用, 基于ActiveX技术、在Visual Basic 6.0通用开发环境下实现GIS的基本功能。信息管理、资料分析及专业模块如基础数据处理、航道信息查询、河道冲淤分析、模型边界提取、计算网格生成、水流泥沙数学模型计算及结果显示等都在系统开发环境下实现, 保证了系统运行的效率。

1.2 航道信息显示及查询

系统将内河航道信息按其特性进行分层, 每个图层存储特性相同或相似的地物对象集, 包括河床及河岸的地形地貌及水文特征、浮标及岸标等助航标志、丁坝等航道整治工程、过船设施、临河跨河建筑、港口码头、水文测站、沿岸取水口、主要工厂等。利用系统提供的编辑工具, 可以根据地物的变化编辑地物属性值并以矢量数据、栅格数据、文本属性数据或多媒体的形式进行显示。利用GIS的图层叠加功能, 多图层数据可分层显示、叠加显示、自由组合显示, 给地形分析提供了很大便利。航道管理部门可以根据浮标、岸标等助航标志的分布情况, 分析助航标志布置的合理性 (见图1) , 决定是否需对助航标志加以调整。为了保证通航, 有时需要设计各种类型的丁坝、挖槽等, 可以在航道图上模拟航道整治工程, 确定坝址、坝长、坝高等参数并保存, 辅助航道整治工程的设计。

1.3 基于格网DEM进行冲淤分析及显示

基于格网D E M对河道冲淤进行分析研究, 不仅可以提高工作效率, 而且可以提高分析计算的精度。根据各年份实测的地形高程散点数据生成一系列格网D E M高程矩阵文件 (*.ase) , 结合GIs空间显示及叠加技术, 可以将河床地形以栅格的形式显示, 设定不同深度的颜色代表不同的地形高程, 使航道的地形分布情况得到形象的展示。借助于GIS编辑工具可以在航道D E M中任意划分断面, 系统自动获取断面高程, 可以套绘不同时期的航道断面图。

2 基于GIS的水流泥沙数学模型

2.1 水流泥沙数学模型

与物理模型相比, 数学模型修改方便, 流场及冲淤计算不受比尺限制, 因此目前在河道整治工程、环境保护工程的规划、设计中得到广泛应用。丁坝、顺坝、潜坝、锁坝、护岸工程和疏浚工程等内河航道整治工程的建设给水流泥沙数学模型的发展提出了许多新的要求, 本文针对复杂河道的水流泥沙运动及航道整治问题, 建立平面二维水流泥沙数学模型, 经检验能较好地解答许多工程泥沙问题。水流泥沙数学模型是系统的核心, 可以指导并优化工程的规划、设计。模型的控制方程为连续方程：

动量方程

式中：ai为悬移质泥沙中第i组泥沙的恢复饱和系数;ωi为第i组泥沙的沉速;Si, Si*分别为分组粒径的水流含沙量及挟沙力;εξ, εη为坐标系ξ及η方向上的泥沙扩散系数。

方程 (1) ～ (4) 可转化为对流扩散方程的通用形式, 并采用SIMPLER法求解。

根据沙量守恒可得河床变形方程：

式中：Zb为河床高程;ρs为淤积泥沙干密度。

2.2 数学模型与GIS的集成

系统实现将GIS强大的数据显示、编辑及分析功能同水流泥沙数学模型集成，利用GIS编辑工具选取计算区域，在区域中生成计算网格并实现网格正交化，设定边界条件、初始条件、河道分段糙率等参数，分别保存在模型库中。模型读取设定参数完成计算后，结果同样放人模型库中。这些计算结果可以通过多种形式分析及显示，分别由不同的分析及显示模块完成，各个模块之间是相对独立的，均通过数据接口与模型库进行联系。