基于三维GIS的变电站洪涝评估监测技术研究.pdf

158http:/电 力 勘 测 设 计增刊1DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.028基于三维GIS的变电站洪涝评估监测技术研究张俊鹏1，师 艳2，蒋硕颜1，王胜磊1(1.中国电力建设集团河南省电力勘测设计院有限公司，河南 郑州 450007）（2河南地矿职业学院，河南郑州450007)摘要：近年来，极端天气发生频率呈上升趋势，变电站的安全运行遭遇洪水的严重威胁。以朝歌 500 kV 变电站为例，在站外防涝评估方面，采用 MIKE 21 水动力学模块建立研究区二维数学模型，得到变电站周边区域内的水文要素的时空变化过程，基于三维 GIS 技术实现二维 MIKE 数值模拟成果数据向 GIS 可视化空间时态数据转换的数据处理工作流。在站内洪涝监测方面，通过建立朝歌站定制内涝算法模型，并接入实时的降雨量数据，进行实时降雨强度、站内积水深度的监测和预警工作。最后基于 BIM+GIS 技术搭建变电站三维场景，进行系统平台的开发，实现变电站洪涝模拟成果的三维可视化。为运维管理人员的组织、安排、决策提供强有力的支撑。关键词：变电站；洪涝；WebGIS；评估监测；三维可视化中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-158-08Research on Evaluation and Monitoring Technology of Substation Flood Based on 3D GISZHANG Junpeng1,SHI Yan2,JIANG Shuoyan1,WANG Shenglei1(1.PowerChina Henan Electric Power Survey&Design Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou 450007,China；2.Henan Geology Mineral College,Zhengzhou 450007,China)Abstract:In recent years,the frequency of extreme weather is on the rise,and the safe operation of the substation is seriously threatened by floods.Taking Chaoge 500 kV substation as an example,in the aspect of flood prevention assessment outside the substation,MIKE 21 hydrodynamic module is used to establish a two-dimensional mathematical model of the study area,and the spatial-temporal change process of hydrological elements in the surrounding area of the substation is obtained.Based on three-dimensional GIS technology,the data processing workflow of converting two-dimensional MIKE numerical simulation results data to GIS visual spatial temporal data is realized.In terms of flood monitoring in the station,through establishing a customized waterlogging algorithm model of Chaoge Station and accessing real-time rainfall data,real-time rainfall intensity and water logging depth in the station can be monitored and forewarned.Finally,based on BIM+GIS technology,the three-dimensional scene of the substation is built,and the system platform is developed to realize the three-dimensional visualization of the substation flood simulation results.It provides strong support for the organization,arrangement and decision-making of operation and maintenance management personnel.Keywords:transformer substation;waterlogging;WebGIS;assessment monitoring;3D visualization*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：张俊鹏(1993)，男，硕士，工程师，主要从事电力工程勘测与GIS研发等工作。159基于三维GIS的变电站洪涝评估监测技术研究http:/ 工程勘测 增刊1 0引言近年来，极端天气发生频率呈上升趋势1。河南省各地市每逢夏季暴雨洪涝频发，长时间暴雨对城市居民生活带来了严重威胁2。河南省部分 500 kV 变电站内易发生内涝，存在安全隐患。而随着城市的发展，早期位于城区远郊的变电站逐渐被城市的发展所包围，随着房屋的修建、道路的布设，变电站周边下垫面条件发生巨大变化，其排水、径流等条件与建站初期已经不可同日而语，水文条件已经完全变化，在发生设计标准洪水时，变电站抵御洪涝水能力存在隐患。还有一部分变电站位于低山丘陵区的坡面，由于其修建对局部排水条件的影响，使得变电站可能遭受坡面流洪水威胁；同时，由于变电站的建设与进站道路的修建可能影响到区域局部排水条件，对周边的居民或者农田产生威胁。加之，部分变电站运行已久，在原来的站内设计排水条件下，能否应对现状频发的暴雨灾害也存在一定的疑问。还有部分变电站发生了地质沉陷、地裂缝、不均匀沉降等次生地质灾害问题，对于地质灾害的发展演变及危害也需要进行安全排查及处理。本文针对省内 500 kV 朝歌变等曾出现过防洪排涝险情的变电站，以提高防汛工作质效，助力精准防汛为出发点，依托运检管控系统，运用信息化手段，基于三维 GIS 技术开展变电站洪涝灾害评估监测技术的研究工作3，以期达到满足现有防汛管理工作的要求。1基础数据采集及处理1.1 数据采集现势性强且精细化的变电站基础地理信息数据是内涝数值模拟计算效果的基础，因此首要任务需通过无人机航空摄影测量技术获取变电站附近现势性较强的数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)及数字地表模型(digital surface model，DSM)等基础数据，变电站范围内的数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据的精度决定了洪涝三维模拟的效果，因此变电站内部采用较高精度的三维激光扫描仪进行高程数据的采集工作。(a)航测DOM (b)航测DSM (c)点云DEM 图1朝歌站基础地理信息数据成果1.2 DEM融合最初的设计方案中，地形数据模型为无人机航测 DSM 的数据源进行的三维展示，如图 1所示，但是经过实际测试之后发现无人机航测160http:/电 力 勘 测 设 计增刊1的 DSM 不能够满足站内三维积水深度对站内地形数据精细化程度的要求。最终确定了方案：通过将大范围航测 DSM 与变电站高精度三维激光扫描 DEM 融合，采用 DEM 融合的优势就在于既考虑了数据采集的经济可行性又能够满足站内洪涝三维模拟的精度要求，融合的 DEM 即为算法模型的输入条件之一：下垫面数据。如图 2 所示为 DEM 数据的融合示意图。图2融合处理示意图1.3 模型轻量化BIM 模型的轻量化要解决的核心问题是不断缩小 BIM 模型的体量4。变电站三维 BIM 模型是由业主提供的基于三维激光扫描的点云精细化建模。原始模型通常是不能够被 WebGIS平台直接接收，需要针对模型进行一系列的处理之后才能够使用。1)轻量化：主要是在 3D 建模软件中对模型进行减面、压缩等操作，来进一步减少模型文件的大小。2)格式转换：经过测试，3D 软件输出为fbx 格式时，后续的处理工作以及程序稳定性相对来说更佳，因此轻量化之后需将模型转换为fbx 格式。3)切片缓存：fbx 模型需经过 cesiumlab 处理之后形成三维模型切片 3D Tile5之后才能被Cesium 开发平台所接受，如图 3 所示。4)静态资源发布：将处理之后的变电站三维切片模型在静态资源服务器如 Nginx 中发布出标准的网络资源服务之后，即可在开发中使用搭建三维场景。图3三维切片处理2站外防涝评估2.1 二维数值模型构建MIKE 系列模型由丹麦水利研究所开发，用于洪水演进、城市内涝、水质模拟6-7等方面。MIKE 21 水动力学模块计算原理依据的是描述水流运动的二维非恒定流方程组，共包括3 个方程：水流连续性方程、水流沿 x 方向的动量方程及水流沿 y 方向的动量方程，如式(1)所示。161基于三维GIS的变电站洪涝评估监测技术研究http:/ 工程勘测 增刊1?2224/32224/3()()000zuhvhtxyuuuzn u uvuvggtxyxhvvvzn v uvuvggtxyyh?(1)式中：t 代表时间，s；n 代表曼宁糙率系数；x，y，z 代表直角坐标系的坐标，m；u，v 代表 x，y 方向的流速分量，m/s；z，h 代表 x，y 处的水位和水深，m；2224/3n u uvgh?代表 x 方向的水流运动阻力，N；2224/3n v uvgh?代表 y 方向的水流运动阻力，N。根据式(1)，利用迭代法求解即可得到每一时刻在(x，y)处的水位 z、水深 h 以及 x，y 方向的流速 u，v。如图 4 所示，根据原模型的运行结果与流场的分布，对模型的边界进行缩小和优化。北边界和南边界沿流场的走向取边界；东边界取在共渠西滞洪区边界位置处。将南、北以及西边界概化为闭边界，西边界概化为固定水头边界。模型剖分控制网格边长 35 m 以内，面积1 000 m2以内；对变电站周边 300 m 范围重点区域二次加密，网格边长 20 m，面积 200 m2以内；对进站道路西侧约 10 m 至东侧河沟范围二次加密，网格边长 0.5 m 以内，面积 0.2 m2以内。变电站周围采用航飞地形图高程点、其余采用河南省 110 000 高程数据进行网格高程插值，对插值结果进行检查并修正奇异点高程，得到模型范围地形云图。模型范围内可能阻碍洪水演进的线性地物为 S305 省道，根据实际高程将其刻画到模型中，道路上分布的涵洞也根据实际位置尺寸布置。村庄糙率0.1，其他区域糙率0.06。2.2 洪涝三维态势推演为了突破传统二维数值模拟结果不够直观明了的缺点，站外洪涝态势推演方面，创新制定了 MIKE 数值模拟成果数据向 GIS 可视化空间数据转换的数据处理工作流，基于 ArcGIS Python 二次开发，实现数据转换工作的批量流程化处理，突破了水文、GIS 专业数据互通的壁垒。如图 5 所示为数据交换的处理流程图。(a)模型范围 (b)模型剖分 (c)地形云图 (d)模型糙率图4模型概化示意图162http:/电 力 勘 测 设 计增刊1图5站外洪涝数值模拟成果转换流程图实现不同时刻显示不同时刻模拟信息的效果，如图 6 所示为对应的三维效果图。站外积水态势推演主要是基于 Cesium 的Primitive 机制。通过图元之间不同颜色的间隔色设置完成渲染，同时引入 Cesium 的 Clock 类，图6站外洪涝态势推演示意图3站内洪涝监测预警3.1 内涝算法模型定制朝歌站内涝算法模型主要是针对朝歌站内的排水能力、地形条件等情况进行定制的，计算实时站内积水深度的算法，算法输入为15 min 频率的降雨量数据，通过算法计算后输出当前的站内累计积水深度、排水时间等数值。通过后端开发将算法发布为实时业务服务实现算法模型的实时计算，前端实时对接后端，以动态图表方式呈现给用户。如图 7 所示为内涝算法流程示意图。163基于三维GIS的变电站洪涝评估监测技术研究http:/ 工程勘测 增刊1?,?SumVolSumVol=SumVol+StageVolSumVol100mm?StageVol=area*rainfall*ratio-drainage/4A2,A5,A50,A100?mm/15min?area?-?3.55?=35500m2rainfall?15min?mm/15min?drainage?m3/h?-?1210m3/hratio?-?0.65StageVol?m3/h?P?50mm/12h?50mm/6h?50mm/3h?100mm/3h?SumWD?mm?Time?h?P?mm/min?SumVol?m3?图7 算法流程图3.2 监测预警标准制定内涝算法模型能够迭代监测当前的站内积水深度和降雨强度结果，当监测得到的当前站内积水深度或降雨强度超过一定的阈值范围，系统就会发出预警提示信息，预警阈值范围的制定主要就是针对上述的 2 个监测量。1)站内累计积水深度，见表 1 所列。表1站内累计积水深度预警分级表中文名称数据类型长度蓝色预警0mm,100mm)站内开始积水红色预警100mm,150mm)此时严重内涝深红色预警150mm,+)积水超出规范设计2)当前降雨强度，见表 2 所列。表2降雨强度预警分级表中文名称数据类型蓝色预警50 mm/12 h黄色预警50 mm/6 h橙色预警50 mm/3 h红色预警100 mm/3 h3.3 站内积水三维动态渲染WebGL 是近年来 Web 端最为流行的三维绘制标准，有其独特的优势8。Cesium、Three.js 是目前比较流行的 WebGL 框架9。站内积水三164http:/电 力 勘 测 设 计增刊1维动态渲染主要是基于 WebGL 引擎的渲染。当前BIM与GIS在Web端集成已成为迫切需求10。因此，本文探索利用 BIM 与 GIS 的集成技术进行内涝的动态渲染。水深的动态涨跌主要是利用了 Cesium 的Property 机制。Property 最大的特点是和时间相互关联，在不同的时间可以动态地返回不同的属性值，而 Entity 则可以感知这些 Property的变化，在不同的时间驱动物体进行动态展示。水深的模拟主要采用的是 CallbackProperty类，其值由回调函数延迟计算。即不断地自我调用，每当返回的对象有改变，就抛出改编后的值。每当接收到新的当前站内累计积水深度，便刷新一次当前累计积水深度与上次累计积水深度之间的差值以及相应的时间差，利用CallbackProperty 回调函数延迟机制，随之时间变化动态修改积水深度的当前拉伸高度，即可实现站内积水三维动态渲染。站内积水三维动态渲染的水面纹理采用的是真实动态水波纹的效果，如图 8 所示。(a)全局效果 (b)局部效果图8积水深度三维动态渲染4平台开发与实现最后整合进行系统平台的开发。系统整体上采用 Java 开发平台，各模块基于分布式场景使用 J2EE 技术、微服务架构和 SOA 架构设计，并采用 React 技术进行集成展示，HTML、CSS、JavaScript 等技术，以及 React Native 组件技术、数据库技术、多层 B/S 应用结构体系，使整个应用系统构建在先进、高效的技术架构之上，体现先进性、可扩展性、可维护性和可移植性。采用 springBoot 分布式开发环境，采用微服务架构，开发好上层应用后，底层部署到 docker 容器中，便于集成和更新，将应用和服务分解成更小、松散耦合的组件。(a)站外防洪评估 (b)站内监测预警图9系统主界面5结语针对近年来极端天气和精准防汛的需求，以朝歌站为对象基于 MIKE21 水动力模型与三维 GIS 技术进行了变电站的站外二维数值模拟及站内积水的监测预警研究，最后基于BIM+GIS 技术搭建变电站三维场景，进行系统平台的开发，实现变电站洪涝模拟成果的三维165基于三维GIS的变电站洪涝评估监测技术研究http:/ 工程勘测 增刊1 可视化。为运维管理人员的组织、安排、决策提供了有力的支撑。参考文献1 王小杰，姜仁贵，解建仓，等.西安市汛期降水变化特征及驱动机制研究J.自然灾害学报，2020，29(2)：138-148.2 郭云飞.基于SWMM的城市暴雨内涝研究D.株洲：湖南工业大学，2014.3 位路阳.基于WebGIS的郑州市区暴雨洪水预警系统设计与实现 D.郑州：郑州大学，2017.4 陈晓东.基于工程监理需求的BIM模型轻量化研 究D.扬州：扬州大学，2020.5 曹浩泽.3D Tiles定A义解析与生产规范设计D.武汉：武汉大学，2018.6 杨博林.MIKE21模型对傀儡湖水动力与水质改善的应用研究J.山东化工，2021，50(12)：247250.7 孙磊，马巍，蔡昕，等.基于MIKE21模型的普者黑湖水环境数值模拟研究J.水利水电技术(中英文)，2021(8)：1-16.8 易天洋.基于Web的地理信息数据三维可视化技术研究D.长沙：中国人民解放军国防科技大学，2015.9 陈志杨，罗飞.基于WebGL的Revit三维建筑模型重建J.浙江工业大学学报，2016，44(6)：608-613.10 曹祎楠.融合BIM与GIS的三维空间数据可视化研 究D.北京：北京建筑大学，2020.(编辑 卢靖冉)