孫 燕, 劉仲剛, 于彥博

(1.河海大學(xué)公共管理學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.江蘇省水利廳科技處,江蘇 南京 210029;3. 淮河水利委員會水利水電工程技術(shù)研究中心,安徽 蚌埠 233001)

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基于風(fēng)險可控行蓄洪區(qū)運用決策支持系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

孫 燕1, 劉仲剛2, 于彥博3

(1.河海大學(xué)公共管理學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.江蘇省水利廳科技處,江蘇 南京 210029;3. 淮河水利委員會水利水電工程技術(shù)研究中心,安徽 蚌埠 233001)

針對行蓄洪區(qū)運用決策存在的問題,通過選取淮河干流的蒙洼蓄洪區(qū)作為“基于風(fēng)險可控行蓄洪區(qū)運用決策支持系統(tǒng)”的典型應(yīng)用案例區(qū),基于GIS軟件和平臺,將多種模型與行蓄洪區(qū)內(nèi)的多源數(shù)據(jù)集成為一個相互聯(lián)系的有機整體, 解決行蓄洪損失難以快速評估,行蓄洪區(qū)風(fēng)險無法快速有效預(yù)警、控制和管理,科學(xué)的應(yīng)急管理體系尚未建立等難題,為行蓄洪區(qū)規(guī)劃管理(包括洪水資源化利用)提供決策支持工具。

決策支持;系統(tǒng)開發(fā);風(fēng)險評估;行蓄洪區(qū)

淮河現(xiàn)有行蓄滯洪區(qū)28處,在淮河防洪體系中,行蓄洪區(qū)發(fā)揮著不可替代的重要作用。從行蓄洪區(qū)設(shè)立至今,前后啟用206次,有效降低了河道水位,確保了中下游重要城市和防洪保護區(qū)的安全,為流域防洪減災(zāi)做出了巨大貢獻。為了對行蓄洪區(qū)進行合理的使用和調(diào)度,國內(nèi)外均開展了快速評估洪水損失的研究。國外方面,Das等[1]提出了所謂非傳統(tǒng)的水深-損失曲線法;De Jonge等[2]運用GIS建立了洪澇災(zāi)害損失評估模型;Profeti等[3]應(yīng)用Landsat TM和ERS SAR數(shù)據(jù)進行洪澇災(zāi)害損失評估。國內(nèi)方面,曾龍翔[4]提出建立蓄滯洪區(qū)災(zāi)情評估信息系統(tǒng),徐美等[5]運用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù),以加拿大Radarsal星載雷達(dá)影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,對淮河水情進行實時監(jiān)測,對淹沒區(qū)和內(nèi)澇區(qū)進行快速評估;陳銘等[6]提出了蓄滯洪區(qū)行洪損失計算的基礎(chǔ)統(tǒng)計數(shù)據(jù)法和歷史損失數(shù)據(jù)估算法。但是對行蓄洪區(qū)運用的決策支持系統(tǒng)研究相對較少。

為了更好地實現(xiàn)行蓄洪區(qū)的管理,筆者選取蒙洼為研究區(qū)域,利用蒙洼1954年、1991年、2003年、2007歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)以及百年一遇典型洪水的洪水模擬,通過社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)收集,在行洪損失快速評估的基礎(chǔ)上,構(gòu)建行蓄洪風(fēng)險管理體系,建立風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng),提出操作性較強的行蓄洪應(yīng)急管理預(yù)案,形成完整的決策支持系統(tǒng)。

基于風(fēng)險可控行蓄洪區(qū)運用決策支持系統(tǒng)是將GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、洪水?dāng)?shù)值模擬、遙感分析、資產(chǎn)評價與預(yù)測分析相結(jié)合,構(gòu)建空間分析技術(shù)的洪災(zāi)損失評價模式。系統(tǒng)將GIS空間分析技術(shù)引入了以往的損失評估系統(tǒng),以各類空間數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源,輸出結(jié)果中包含了大量的空間數(shù)據(jù)信息,不僅可以估計總體影響和損失情況,而且還可以給出其空間分布狀況。通過系統(tǒng)的建設(shè),能夠快速直觀地了解行蓄洪區(qū)的社會經(jīng)濟狀況,預(yù)測洪災(zāi)損失,能更好地服務(wù)于抗災(zāi)救災(zāi)和減災(zāi)規(guī)劃,為行蓄洪區(qū)規(guī)劃管理(包括洪水資源化利用)提供決策支持工具。

系統(tǒng)實現(xiàn)的目標(biāo)主要包括蒙洼行蓄洪區(qū)數(shù)據(jù)庫、模型庫開發(fā)以及行蓄洪區(qū)決策支持系統(tǒng)的集成與開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體規(guī)劃與設(shè)計

系統(tǒng)主要由支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和用戶層五部分組成：

a. 支撐層:為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù)等底層支撐服務(wù)。

b. 數(shù)據(jù)層:是以數(shù)據(jù)庫為支撐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層,主要用來對空間和非空間數(shù)據(jù)進行存儲、訪問和管理,并為服務(wù)層、應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

c. 服務(wù)層:主要是按規(guī)則抽取數(shù)據(jù)后,將批量數(shù)據(jù)的比對工作交由分析模型進行數(shù)據(jù)分析,并實現(xiàn)兩個平臺間的數(shù)據(jù)交換工作。

d. 應(yīng)用層:實現(xiàn)相關(guān)行蓄洪區(qū)洪水演進、預(yù)警分析、損失評估工作。

e. 用戶層:在界面向用戶展示查詢和分析數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)功能

蒙洼行蓄洪區(qū)決策支持系統(tǒng)主要包括五部分內(nèi)容,從功能邏輯上,通過洪水演進分析模型對蒙洼蓄洪區(qū)、蒙河分洪道、各進退洪閘及淮河干流相關(guān)河段進行基于遙感與GIS空間信息格網(wǎng)的洪水演進分析,獲取不同量級洪水時區(qū)內(nèi)水深、流速等水力要素的變化及分布情況(圖1)。

圖1 功能邏輯圖

根據(jù)洪水演進分析結(jié)果,結(jié)合淮河干流行蓄洪區(qū)預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警模型的計算,對行蓄洪區(qū)進行洪水預(yù)警,確定洪水等級等信息,并編制、發(fā)布相關(guān)預(yù)警預(yù)案,最后通過信息反饋共享,獲取洪水淹沒區(qū)的實際信息。

在洪水預(yù)警和洪水演進分析成果上,構(gòu)建災(zāi)害評估模塊,通過洪水-社會經(jīng)濟空間信息格網(wǎng)模型疊加洪水特性網(wǎng)格、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間展布網(wǎng)格,形成洪災(zāi)損失計算空間信息格網(wǎng),最終獲取受淹區(qū)內(nèi)相對準(zhǔn)確的社會經(jīng)濟信息、土地利用信息、地形信息(高程)、洪水特征等信息(如水位、流速等)。

風(fēng)險圖分析模塊則是根據(jù)不同場次洪水演進模型,結(jié)合災(zāi)害評估成果,編制不同洪水等級情況下的洪水風(fēng)險圖。洪水風(fēng)險圖通過對行蓄洪區(qū)基本信息、洪水淹沒信息、災(zāi)害損失信息等的綜合分析,形成包含不同運用情況下的行蓄洪區(qū)洪水淹沒風(fēng)險圖,為行蓄洪區(qū)運用風(fēng)險綜合評估提供條件。

2.1 洪水演進

本次研究有針對性地選擇蒙洼蓄洪區(qū)作為典型研究區(qū)域,對蒙洼地區(qū)開展野外調(diào)研和資料收集工作,包括蒙洼蓄洪區(qū)內(nèi)地形地貌、水文氣象、社會經(jīng)濟、洪澇災(zāi)情、水利設(shè)施現(xiàn)狀等。在大量調(diào)查的基礎(chǔ)上,選取1991年、2003年、2007年洪水和1954年百年一遇型洪水,采用MIKE21軟件進行蒙洼蓄洪區(qū)二維水流模擬計算。

MIKE 21水流模擬基于的控制方程是不可壓流三維雷諾 Navier-Stokes 平均方程,是沿水深積分的連續(xù)方程和動量方程,在笛卡爾坐標(biāo)系中可用如下方程表示:

連續(xù)性方程:

(1)

X方向動量方程:

(2)

Y方向動量方程:

(3)

MIKE21非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型采用非結(jié)構(gòu)有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通常由三角形或四邊形網(wǎng)格組成,為了準(zhǔn)確擬合蓄洪區(qū)曲折的岸邊界,一般采用三角形網(wǎng)格進行計算。

2.2 災(zāi)害評估

蒙洼行蓄洪區(qū)災(zāi)害評估通過洪水演進分析獲取的洪水特性格網(wǎng)與社會經(jīng)濟網(wǎng)格疊加,通過疊加生成的洪災(zāi)損失計算空間信息格網(wǎng)可以獲得受淹區(qū)內(nèi)相對準(zhǔn)確的社會經(jīng)濟信息、土地利用信息、地形信息(高程)、洪水特征信息(如水位、流速等)等內(nèi)容(圖2)。根據(jù)蒙洼實際情況,確定快速評估指標(biāo)包括:①居民房屋財產(chǎn)損失;②農(nóng)作物損失;③養(yǎng)殖業(yè)損失;④林業(yè)損失。利用回歸分析法計算損失率。

式中:D為洪災(zāi)損失率;A為洪水致災(zāi)因子,包括淹沒水深、淹沒歷時、洪水流速等;B為承災(zāi)體種類因子,如各類型資產(chǎn)、各種作物等;C為孕災(zāi)環(huán)境因子;a0、a1、a2、a3為待求參數(shù)。

圖2 洪水風(fēng)險評估流程

模塊對接洪災(zāi)損失快速評估模型分析和洪水-社會經(jīng)濟空間信息格網(wǎng)模型,通過洪水演進分析模型結(jié)果,獲取行蓄洪區(qū)內(nèi)格網(wǎng)內(nèi)水位、流速信息,疊加社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)及損失率等信息,計算得出不同洪水淹沒方案的財產(chǎn)損失情況,其結(jié)果包括直接經(jīng)濟損失及工農(nóng)業(yè)停產(chǎn)停業(yè)損失、防洪救災(zāi)費用等間接經(jīng)濟損失、總資產(chǎn)損失、人員傷亡情況等。通過條狀圖、線狀圖、餅狀圖等方式在地圖上進行分類展示。其查詢方式可按如下方式進行:

a. 按網(wǎng)格查詢:反映所查詢網(wǎng)格范圍內(nèi)在某一受淹方案下的分類資產(chǎn)的損失以及綜合財產(chǎn)損失情況。

b. 按行政區(qū)域查詢:反映所查詢縣區(qū)的淹沒信息和損失信息。

2.3 災(zāi)害評估

本模塊對接淮河干流行蓄洪區(qū)預(yù)警模型計算得到的數(shù)據(jù),將干流行蓄洪區(qū)預(yù)警模型測算的預(yù)警指數(shù)和各子系統(tǒng)安全度信息,通過專題圖方式進行地圖展示,為蒙洼行蓄洪區(qū)的洪水情況提供直觀的可視化展示。

蒙洼蓄洪區(qū)洪災(zāi)風(fēng)險區(qū)范圍較大,不同的區(qū)域具有明顯的區(qū)域特征,其致災(zāi)因子和承災(zāi)體具有明顯差異,所以洪災(zāi)風(fēng)險區(qū)劃應(yīng)充分考慮蒙洼蓄洪區(qū)區(qū)域的特點。致災(zāi)因子主要包括淹沒范圍、淹沒水深、到達(dá)時間、洪水流速、淹沒歷時等;承災(zāi)體主要包括耕地、田間配套、閘站、撤退道路、莊臺、保莊圩、人、房屋、家庭財產(chǎn)、養(yǎng)殖、農(nóng)作物等。

在現(xiàn)狀工程情況下,蓄洪區(qū)設(shè)計蓄洪水位為27.80 m,淹沒水深為2～7 m,一般淹沒時間在2個月左右;在臨淮崗水利樞紐工程運用情況下,蒙洼設(shè)計洪水位為29.10～29.60 m,淹沒水深達(dá)4～9 m,淹沒時間將超過3個月。

1991年、2003年、2007年和1954年洪水流程和淹沒水深分析結(jié)果顯示,王家壩閘下至張大臺區(qū)域為分洪主流沖刷和洪水?dāng)U散區(qū),為極危險區(qū),但主流南側(cè)地勢較高,淹沒歷時較短;曹集東北為洪水主流區(qū),亦為危險重災(zāi)區(qū),流速相對較快,因地勢偏低,淹沒水深較大,淹沒歷時較長;曹集以南為非主流區(qū),但淹沒水深較大,淹沒時間最長,屬重災(zāi)區(qū)。

2.4 風(fēng)險評價

本模塊根據(jù)洪水風(fēng)險評價數(shù)學(xué)模型計算的結(jié)果為用戶提供洪水風(fēng)險圖。洪水風(fēng)險圖繪制依據(jù)洪水演進分析成果,繪制不同運用狀態(tài)下的洪水淹沒范圍,利用綠色色系區(qū)分水深和利用數(shù)值標(biāo)注特征點水位,并結(jié)合行政區(qū)劃圖、地形圖、分蓄洪等防洪工程布置圖,形成風(fēng)險專題圖。

本研究采用水利部淮河水利委員會規(guī)劃設(shè)計研究院洪水計算分析成果,繪制不同運用情況下的洪水淹沒范圍,并用綠色色系標(biāo)注淹沒水深或數(shù)值標(biāo)注特征點水深,到達(dá)時間、洪水流速、淹沒歷時等信息采用數(shù)值標(biāo)示。洪水風(fēng)險圖成果包括數(shù)字化風(fēng)險圖和紙質(zhì)洪水風(fēng)險圖,高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn),坐標(biāo)單位為m。在工作圖上標(biāo)注承災(zāi)體指標(biāo)和孕災(zāi)環(huán)境指標(biāo),承災(zāi)體指標(biāo)包括人口、耕地、房屋、家庭財產(chǎn)、農(nóng)作物、養(yǎng)殖、田間配套、閘站、撤退道路等社會經(jīng)濟信息,孕災(zāi)環(huán)境指標(biāo)包括地形、莊臺、保莊圩等地理信息。

模塊提供以基本風(fēng)險圖、專題風(fēng)險圖和綜合風(fēng)險圖在內(nèi)的多種專題圖?；撅L(fēng)險圖是將洪水基本要素(如淹沒范圍、水深、歷時、流速等)在行政區(qū)劃圖上表示,具體包括最大淹沒范圍、最大水深分布圖、最大流速分布圖、流場分布圖等。專題風(fēng)險圖是依據(jù)不同的風(fēng)險決策者制作的不同用途的風(fēng)險圖、防洪決策者使用的專題風(fēng)險圖、防洪避難使用的風(fēng)險圖等。綜合專題圖是包括洪水淹沒信息以及社會經(jīng)濟信息在內(nèi)的行蓄洪區(qū)綜合信息專題圖,模塊還提供地圖輸出系統(tǒng),可以將生產(chǎn)的專題圖保存為TIF、JPG、GIF等多種格式和紙質(zhì)打印輸出。

2.5 系統(tǒng)管理與維護

模塊用于對基本用戶信息的維護,包括用戶信息添加、刪除與修改。

3 系統(tǒng)部署

項目軟件系統(tǒng)的設(shè)計采用了分層分塊的模塊化設(shè)計思想,即由應(yīng)用開發(fā)工程師分別負(fù)責(zé)模塊組件集、應(yīng)用服務(wù)的開發(fā),界面工程師負(fù)責(zé)界面方案的設(shè)計,JS組件集和界面方案組成應(yīng)用框架,服務(wù)框架由各種應(yīng)用服務(wù)組成,經(jīng)過應(yīng)用框架和服務(wù)框架的交互形成整個系統(tǒng)的框架架構(gòu)。

系統(tǒng)采用ESB總線架構(gòu),搭建業(yè)務(wù)運行支撐框架,以此為紐帶,通過服務(wù)總線,集成系統(tǒng)的各應(yīng)用系統(tǒng),不同的應(yīng)用系統(tǒng)采用組件化和構(gòu)件化設(shè)計,作為獨立的插件集成到框架中,從而實現(xiàn)了不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的集成。系統(tǒng)是一個大的容器,按照規(guī)定的服務(wù)規(guī)范開發(fā)服務(wù)層服務(wù)接口及表現(xiàn)層組件,將其放入容器(系統(tǒng)),便可快速地在系統(tǒng)上實現(xiàn)和使用此功能(圖3)。

圖3 系統(tǒng)部署圖

4 系統(tǒng)成果

登錄“蒙洼基于風(fēng)險可控行蓄洪區(qū)運用決策支持系統(tǒng)”后,可使用的功能模塊包括“蒙洼概況”、“蒙洼洪水演進”、“蒙洼趨勢面分析”、“蒙洼預(yù)警”以及“蒙洼快速評估”。

圖4 洪水演進分析

“洪水演進分析”對接蒙洼蓄洪區(qū)二維水流模擬模型模擬的3次洪水演進結(jié)果,實現(xiàn)行蓄洪區(qū)內(nèi)洪水演進模擬展示。對不同洪水演進提供二維模擬展示:洪水時區(qū)內(nèi)水深、流速等水力要素的變化及分布情況展示、查詢。圖4顯示了1954年蒙洼洪水在不同時段的演進情況。

“蒙洼行蓄洪區(qū)災(zāi)害評估”(圖5)通過洪水演進分析獲取的洪水特性格網(wǎng)與社會經(jīng)濟網(wǎng)格疊加,通過疊加生成的洪災(zāi)損失計算空間信息格網(wǎng)可以獲得受淹區(qū)內(nèi)相對準(zhǔn)確的社會經(jīng)濟信息、土地利用信息、地形信息(高程)、洪水特征信息(如水位、流速等)等內(nèi)容,根據(jù)以上內(nèi)容,可以實時計算出所選擇區(qū)域的財產(chǎn)損失。

圖5 系統(tǒng)查詢和財產(chǎn)損失查詢

[1] DAS S,LEE R.A nontraditional methodology for flood stage damage calculation[J].Jawra Journal of the American Water Resources Association,1988,24(24):1263-1272.

[2] De JONGE PJ.The LAMBDA method for integer ambiguity estimation: implementation aspects[J].LGR-Series,1996(12):1-59.

[3] PROFETI G,MACINTOSH H.Flood management through LANDSAT TM and ERS SAR data: a case study[J].Hydrological Processes,1997,11(10):1397-1408.

[4]曾龍翔.蓄滯洪區(qū)災(zāi)情評估信息系統(tǒng)的研究[J].水利水文自動化,1994(3):9-12.

[5]徐美,黃詩鋒,李紀(jì)人.RS與GIS技術(shù)支持下的2003年淮河流域洪澇災(zāi)害快速監(jiān)測與評估[J].水利水電技術(shù),2004(5):83-86.

[6]陳銘,施國慶.蓄滯洪區(qū)行蓄洪損失快速評估方法研究[J].東北水利水電,2004(9):1-3.

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301065)

孫燕(1980—)，女，江蘇鹽城人，講師，碩士，主要從事移民科學(xué)與管理、土地資源管理研究。E-mail:akikosun@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.05.015

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1003-9511(2016)05-0064-05

2016-06-06 編輯：陳玉國)