２０１２年８月第８期 城市道桥与防洪 防洪排水２３５ 桥梁防洪计算机系统的建设与应用 杨梅 （甘肃农业大学信息学院，甘肃兰州７３００７０） 摘要：由于桥梁的修建减少河道的行洪面积，造成河道水位雍高，对河道防洪产生巨大的影响；同时洪灾冲毁桥梁的事故时有 发生，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，所以建立桥梁防洪系统十分重要。该文首先介绍桥梁防洪实时预报计算机系统的组 成，然后应用此系统对某铁路桥梁在泄洪时的水位进行了实时预警，该系统提高了桥梁防洪预警的及时性和准确性。 关键词：桥梁防洪计算机系统；ＨＥＣ—ＲＡＳ；实时预测 中图分类号：Ｕ４４、 ｒＶ８７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—７７１６（２０１２）０８—０２３５—０３ ０绪论 ＨＥＣ—ＲＡＳ软件（河道水力分析系统）来动态分析 洪水对桥梁的相互影响作用。下面对这系统的构 随着社会经济的持续发展，国家对基础设施 架进行系统分析。 的投入逐年加大，交通路网日趋完善，跨河桥梁建 １．１防洪计算机信息系统 设日益增多。桥梁是连接河流两岸陆域的重要通 防洪计算机信息系统是在充分发挥地理信息 道，也是支持人员装备物资频繁往来与大规模流 系统（ＧＩＳ）、遥感系统（ＲＳ）、卫星定位系统（ＧＰＳ）、 动的可靠载体。同时我国地域广阔，河流众多，洪 网络系统（ＷＥＢ）、数据库（ＤＢ）等信息技术优势的 水灾害十分严重，桥梁不仅在国民经济生活中发 基础上，逐步建立的比较完善的、集视频监视与远 挥着积极的交通功能在防洪、抢险与救灾的紧要 程监控、灾情上报与评估、防汛会商支持、指挥调 关头也显示出强大的支撑作用…。由于桥梁的修建 度、计算机辅助办公、基础信息管理与维护为一体 占用了行洪通道，减少河道的行洪面积，造成河道 的面向防汛指挥与管理的信息系统，实现防汛指 水位雍高，对河道防洪产生巨大的影响，同时洪灾 挥的和日常办公的数字化、网络化、高效化的协同 冲毁桥梁的事故时有发生，造成了巨大的人员伤 管理，最大程度地挖掘现有工程的潜力，提高对于 亡和财产损失，所以加强洪灾对桥梁事故影响的预 洪水灾害的整体抵抗能力。系统的具体内容包括： 警十分重要 。桥梁预警是指对可能出现或即将 防洪计算机系统主要由不同的子系统组成， 发生洪灾对桥梁产生危险的事故进行预测并发布 各子系统之间的组成结构如图１所示。其中防汛 警示信息，以及时提出预案和整治措施。早期的预 信息查询系统实现了与防汛信息中心联接，覆盖 警主要是以经验为主，根据经验判断洪灾时桥梁 防汛指挥所有内容的防汛综合数据库ｆ包括地理空 发生危险的可能性，这些预警方式具有一定的局 间与属性数据）实现灾情、工情和水情采集系统的 限性。现在随着计算机技术的发展，在防洪减灾预 联接；综合信息维护管理系统是用于防汛综合数 警系统的基础上建立桥梁防洪计算机系统，即用 据库的维护、更新与管理；计算机办公自动化系统 先进专业技术和现代高新信息化技术对洪水对桥 是为实现１３常办公的数字化、高效化和协同化；防 梁可能造成的灾害进行及时、准确预测，并发布必 汛决策支持系统是为了实现达到防灾、减灾的决 要警示信息，尽可能地减少洪水造成的桥梁事故 策科学化；无线移动采集系统则直接快速准确地 的发生，减少人员伤亡和财产损失。 定位上报防汛信息。 １桥梁防洪计算机系统 桥梁的防洪计算机系统是整个防洪计算机信 息系统的一部分。它是在应用防洪计算机系统和 相关的监测仪器得到整个河流区域的水文数据及 议系统） ：／＾＼ 其数据的变化情况，然后在此数据的基础上应用 垂亟 ，＿— 收稿日期：２０１２—０５—２５ 咂堂塑圈‘ …… 垂壶囹 作者简介：杨梅（１９７９一），女，河南洛阳人，讲师，从事教学工 作。 图１ 防洪计算机系统整体结构 ２３６防洪排水 城市道桥与防洪 ＝ ２０１２年８月第８期 （３） 通过与工情采集系统、水情采集系统、灾情视 频监视系统的联接，丰富防汛综合数据库；建立综 合信息维护管理系统，来维护、更新、管理防汛综 合数据库的信息；将防汛信息查询系统扩充为防 汛决策支持系统，以视频会议系统为支撑实现防 汛会商，指挥调度；通过宽带网络，实现本分中心 与防汛信息中心及其他分中心的联系，真正做到 上传下达、横向沟通；建立计算机辅助办公系统实 式（３）中： 、Ｑ。和Ｌ 、Ｑ：分别为两岸滩地的 距离和流量；Ｌ，、Ｑ，分别为桥梁主河道的距离和流 量。 动能校正系数可由式（４）计算而得： ｌ【 Ａ ＋ ＋ ｌ （４） 现数字化、网络化、高效化的现代办公体系。 １．２桥梁防洪计算机系统 通过防洪信息查询系统，可以实时监测整个 流域的水文信息数据。在这些数据的基础上，通过 系统内置的面向对象的程序设计脚本语言，借助 进行更深入的二次开发，把ＨＥＣ—ＲＡＳ软件耦合进 防洪计算机系统，建立多目标交互使用的桥梁防 洪计算机系统。 ＨＥＣ—ＲＡＳ软件是由美国陆军工程兵团开发的 河流分析系统，用于模拟河流的水流问题，对河道 的水力进行推演，可用来计算桥、涵洞、溢洪道等 各种涉水建筑物的复杂水力系统的多种水力要 素。 ＨＥＣ—ＲＡＳ软件和防洪计算机系统组成了完整 的软件系统，通过实时观测的数据推演洪水的演 进过程和预测洪水对桥梁的影响，真正实现了实 时监测和预测功能。 ＨＥＣ—ＲＡＳ软件的数学原理基于水流的能量守 恒方程，在ＨＥＣ—ＲＡＳ软件中把桥梁引起的水力能 量损失分为三个部分，一是桥梁占用过流断面使 水流收缩引起的能量损失，二是收缩的水流经过 桥梁后再扩散造成的能量损伤，三为桥梁本身造 成的能量损失。桥梁上下端面的水流的能量守恒 定律为【４］： ，２ ２ ｙ２＋ｚ２＋ ＋ｈｅ：Ｙ ＋ｚ１＋ （１） ￡ｇ ￡ｇ 式（１）中：ｚＩ、ｚ＇为桥梁上下断面的河底高程； ｌ， 、ｙ 为桥梁河底上下断面的水深； 、 ：为桥梁 上下断面水流速度；ｎ 、 为水流的动能矫正系数； ｅ为工程阻力造成的水头损失。 工程阻水造成的水头损失，包括局部损失和 摩阻损失两部分，计算公式如式（２）所示： ｌＴ， Ｔ， Ｉ ｈｅ ｃｆ Ｉ绍 绍ｌ＋ Ｉ（２） 式（２）中： 为流量的加权长度，ｓ，为摩阻坡 度；Ｃ为水流断面的收缩和扩张系数。 流量的加权长度由式（３）计算而得： ， Ａ Ｊ 式（４）中：Ａ和 为桥梁截面的总面积和流量 模数，Ａ 、Ａ：和 ，分别为两岸滩地和主航道面积； Ｋ。、 和 为两岸滩地和主航道的流量模数。 的 计算公式如式（５）所示： Ｋ：１＝ －－ＡＲ （５）（５） ｎ 摩阻坡度如式（６）所示： §尸（ ） （６） 当水流和桥端面出现斜角时，软件按照夹角 的大小自动投影到断面上，进行水面线和壅水高 度和长度的计算。 通过防洪计算机信息系统得到桥梁上游洪水 流量Ｑ和桥梁边的水文地质条件，通过ＨＥＣ—ＲＡＳ 软件进行计算分析，就能提前预测洪水对桥梁的 影响。 ２桥梁防洪计算机系统的应用 ＨＥＣ—ＲＡＳ软件中桥梁上游的断面的实时变化 的流量是由防洪计算机系统实施检测到，作为软 件模拟的上边界条件，通过软件计算出桥梁处阻 水雍高值和壅水长度。并同时把信息反馈回防洪 信息决策系统。 本文用此系统对跨越某河道的大型铁路桥梁 在行洪期间的桥梁边的壅水高度和长度计算分 析。该河道为行洪河道，铁路桥梁在跨越河道时不 缩窄河道，采用全断面建筑方案。大桥桥墩和河道 水流方向夹角为７。。桥跨布置为１０８孑Ｌ，每孔宽 ２８ ｍ，总长３ ０２４ ｒｎ，桥梁为结构为钢筋混凝土结 构，全桥采用钻孔桩基础。河道的防护标准按５０ ａ 一遇洪水设计。现上游水库开始泄洪，现通过 ＨＥＣ－ＲＡＳ软件计算，然后通过图形化信息系统实 时预测桥梁处的壅水高度和长度的变化情况。 图２和图３是应用系统计算预测的未来２４ ｈ 桥梁壅水高度和长度随时间变化曲线。从图中可 以看出，在开始行洪时随着泄洪时间的推移，桥梁 的壅水高度和长度呈不断变大趋势。在６．５ ｈ后， ２０１２年８月第８期 城市道桥与防洪 ２５００ 防洪排水２３７ 洪峰到底桥梁所在地，这时壅水高度和长度达到 最大，壅水高度为０．１１３ ｍ，壅水长度为２ ２１８ ｍ。 这时桥梁的防洪压力最大，所以有关各方应采取 相关的预案，确保桥梁和大堤的安全。随后随着洪 峰的过去，桥梁的壅水高度和长度都不不断减小， 桥梁的防洪压力也随之减小。 ２０ｏＯ １５∞ １０００ ５０ｏ －－・＿－／ ’、。＼．＼ 、 Ｏ ｔ／ｈ 闰３壅水长度Ｌ随时间变化曲线图 Ｉ 响，并准确迅速的将预测结果送呈决策着手中。经 过现场检验，此系统所得的结果较为及时和准确。 可以肯定的是，随着计算机技术和洪水专用灾 害模拟软件的发展，越来越多的新的技术和新的 ＼．．． ０ ４ ８ １２ １６ ２０ ２４ ｔ／ｈ 图２壅水高度ｈ随时间变化曲线图 功能将被加入到桥梁防洪的计算系统中。这将促 进整个防洪事业的迅猛发展，极大限度的减少人 民生命财产损失。 参考文献 桥梁的壅水高度和长度随时间的变化情况是 通过ＨＥＣ—ＲＡＳ软件计算而得的，但由于上游的流 量可能不断变化，其计算结果也随之不断变化，所 以在预测的时候要实时观察预测数据的变化。 【１］李江海．桥梁防洪评价壅水计算方法浅析【Ｊ】．山西水利，２０１０，２６ （１１）：９－１０． ３结论 应用桥梁防洪计算机系统，通过防洪计算系 统耦合ＨＥＣ—ＲＡＳ软件预测洪水对桥梁的影响，不 但省掉传统桥梁防洪计算的复杂过程，还能根据 洪水的变化情况实时预测评估洪水对桥梁的影 ［２】张云梅．浅析跨河桥梁防洪评价［Ｊ】＿山西建筑，２０１１，３７（３４）： ２１０—２１１． ［３】王国新，刘忠民．三通河跨河桥梁防洪影响评价分析［Ｊ】．现代农 业科技，２０１１，（５）：２６１—２６２． 【４】陈建峰．ＡｒｃＶｉｅｗ￣Ｓ耦合ＨＥＣ＿ＲＡＳ模型的应用研究【Ｊ］．河北建 筑工程学院学报，２００９。２７（２）：５—７． 出现城市内涝成都５级应急响应 成都市防汛办近日发布消息，今年成都市对《成都市防汛应急预案》进行了修订，与往年划分蓝色、黄 色、橙色、红色４级应急响应不同的是，今年在《预案》中将“城市洪涝”进行了专节表述，并首次明确提出应 对“城市内涝”的５级应急响应举措。 成都市防汛办相关负责人表示，这次修订表明，城市内涝已经成为成都市防汛工作的重点。此次修订 中，将“城市洪涝”作为“不同灾害的应急响应”章节里的一个专节，分为“城市外洪”和“城市内涝”两种情况。 发生“城市外洪”时，根据江河洪水应急响应执行，按照全市洪、涝灾害的严重程度和范围，将应急响应由低 到高分为蓝色、黄色、橙色、红色４级。各级防汛指挥机构和相关部门在汛期实行２４ ｈ值班制度，全程跟踪雨 情、水情、灾情，根据出现的洪、涝灾害情况分级响应。水务（利）、河管部门负责城市上游的分洪，防止洪水倒 灌、冲击城市。 出现“城市内涝”时，则按照中心城区内涝５级应急响应执行，区域内各级防汛指挥部指挥长及各成员 上岗到位，由市防汛指挥部统一指挥；水务、城建等部门或水闸、泵站、排水管网的管理单位负责城区排涝 （污）泵站、水闸及相关设施的运行监护；由各区防汛指挥部办公室通知街道办事处，再由街道办事处通知易 涝地区各单位、居民做好防涝准备，转移人员物资；公安、电力、电信、消防、地铁等部门均各司其职。