基于風險可控行蓄洪區運用決策支持系統開發與設計

孫 燕, 劉仲剛, 于彥博

(1.河海大學公共管理學院,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研究中心,安徽 蚌埠 233001)

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基于風險可控行蓄洪區運用決策支持系統開發與設計

孫 燕1, 劉仲剛2, 于彥博3

(1.河海大學公共管理學院,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研究中心,安徽 蚌埠 233001)

針對行蓄洪區運用決策存在的問題,通過選取淮河干流的蒙洼蓄洪區作為“基于風險可控行蓄洪區運用決策支持系統”的典型應用案例區,基于GIS軟件和平臺,將多種模型與行蓄洪區內的多源數據集成為一個相互聯系的有機整體, 解決行蓄洪損失難以快速評估,行蓄洪區風險無法快速有效預警、控制和管理,科學的應急管理體系尚未建立等難題,為行蓄洪區規劃管理(包括洪水資源化利用)提供決策支持工具。

決策支持;系統開發;風險評估;行蓄洪區

淮河現有行蓄滯洪區28處,在淮河防洪體系中,行蓄洪區發揮著不可替代的重要作用。從行蓄洪區設立至今,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的安全,為流域防洪減災做出了巨大貢獻。為了對行蓄洪區進行合理的使用和調度,國內外均開展了快速評估洪水損失的研究。國外方面,Das等[1]提出了所謂非傳統的水深-損失曲線法;De Jonge等[2]運用GIS建立了洪澇災害損失評估模型;Profeti等[3]應用Landsat TM和ERS SAR數據進行洪澇災害損失評估。國內方面,曾龍翔[4]提出建立蓄滯洪區災情評估信息系統,徐美等[5]運用遙感和地理信息系統技術,以加拿大Radarsal星載雷達影像為基礎數據源,對淮河水情進行實時監測,對淹沒區和內澇區進行快速評估;陳銘等[6]提出了蓄滯洪區行洪損失計算的基礎統計數據法和歷史損失數據估算法。但是對行蓄洪區運用的決策支持系統研究相對較少。

為了更好地實現行蓄洪區的管理,筆者選取蒙洼為研究區域,利用蒙洼1954年、1991年、2003年、2007歷史洪水數據以及百年一遇典型洪水的洪水模擬,通過社會經濟數據收集,在行洪損失快速評估的基礎上,構建行蓄洪風險管理體系,建立風險預警系統,提出操作性較強的行蓄洪應急管理預案,形成完整的決策支持系統。

基于風險可控行蓄洪區運用決策支持系統是將GIS技術、數據庫技術、洪水數值模擬、遙感分析、資產評價與預測分析相結合,構建空間分析技術的洪災損失評價模式。系統將GIS空間分析技術引入了以往的損失評估系統,以各類空間數據庫為數據源,輸出結果中包含了大量的空間數據信息,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。通過系統的建設,能夠快速直觀地了解行蓄洪區的社會經濟狀況,預測洪災損失,能更好地服務于抗災救災和減災規劃,為行蓄洪區規劃管理(包括洪水資源化利用)提供決策支持工具。

系統實現的目標主要包括蒙洼行蓄洪區數據庫、模型庫開發以及行蓄洪區決策支持系統的集成與開發。

1 系統總體規劃與設計

系統主要由支撐層、數據層、服務層、應用層和用戶層五部分組成：

a. 支撐層:為系統提供基礎服務等底層支撐服務。

b. 數據層:是以數據庫為支撐的基礎數據層,主要用來對空間和非空間數據進行存儲、訪問和管理,并為服務層、應用層提供數據服務。

c. 服務層:主要是按規則抽取數據后,將批量數據的比對工作交由分析模型進行數據分析,并實現兩個平臺間的數據交換工作。

d. 應用層:實現相關行蓄洪區洪水演進、預警分析、損失評估工作。

e. 用戶層:在界面向用戶展示查詢和分析數據。

2 系統功能

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

圖1 功能邏輯圖

根據洪水演進分析結果,結合淮河干流行蓄洪區預警指標和預警模型的計算,對行蓄洪區進行洪水預警,確定洪水等級等信息,并編制、發布相關預警預案,最后通過信息反饋共享,獲取洪水淹沒區的實際信息。

在洪水預警和洪水演進分析成果上,構建災害評估模塊,通過洪水-社會經濟空間信息格網模型疊加洪水特性網格、社會經濟數據空間展布網格,形成洪災損失計算空間信息格網,最終獲取受淹區內相對準確的社會經濟信息、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)。

風險圖分析模塊則是根據不同場次洪水演進模型,結合災害評估成果,編制不同洪水等級情況下的洪水風險圖。洪水風險圖通過對行蓄洪區基本信息、洪水淹沒信息、災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洪水淹沒風險圖,為行蓄洪區運用風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作為典型研究區域,對蒙洼地區開展野外調研和資料收集工作,包括蒙洼蓄洪區內地形地貌、水文氣象、社會經濟、洪澇災情、水利設施現狀等。在大量調查的基礎上,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方程和動量方程,在笛卡爾坐標系中可用如下方程表示:

連續性方程:

(1)

X方向動量方程:

(2)

Y方向動量方程:

(3)

MIKE21非結構化網格模型采用非結構有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結構網格通常由三角形或四邊形網格組成,為了準確擬合蓄洪區曲折的岸邊界,一般采用三角形網格進行計算。

2.2 災害評估

蒙洼行蓄洪區災害評估通過洪水演進分析獲取的洪水特性格網與社會經濟網格疊加,通過疊加生成的洪災損失計算空間信息格網可以獲得受淹區內相對準確的社會經濟信息、土地利用信息、地形信息(高程)、洪水特征信息(如水位、流速等)等內容(圖2)。根據蒙洼實際情況,確定快速評估指標包括:①居民房屋財產損失;②農作物損失;③養殖業損失;④林業損失。利用回歸分析法計算損失率。

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

圖2 洪水風險評估流程

模塊對接洪災損失快速評估模型分析和洪水-社會經濟空間信息格網模型,通過洪水演進分析模型結果,獲取行蓄洪區內格網內水位、流速信息,疊加社會經濟數據及損失率等信息,計算得出不同洪水淹沒方案的財產損失情況,其結果包括直接經濟損失及工農業停產停業損失、防洪救災費用等間接經濟損失、總資產損失、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. 按網格查詢:反映所查詢網格范圍內在某一受淹方案下的分類資產的損失以及綜合財產損失情況。

b. 按行政區域查詢:反映所查詢縣區的淹沒信息和損失信息。

2.3 災害評估

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

蒙洼蓄洪區洪災風險區范圍較大,不同的區域具有明顯的區域特征,其致災因子和承災體具有明顯差異,所以洪災風險區劃應充分考慮蒙洼蓄洪區區域的特點。致災因子主要包括淹沒范圍、淹沒水深、到達時間、洪水流速、淹沒歷時等;承災體主要包括耕地、田間配套、閘站、撤退道路、莊臺、保莊圩、人、房屋、家庭財產、養殖、農作物等。

在現狀工程情況下,蓄洪區設計蓄洪水位為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,蒙洼設計洪水位為29.10～29.60 m,淹沒水深達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果顯示,王家壩閘下至張大臺區域為分洪主流沖刷和洪水擴散區,為極危險區,但主流南側地勢較高,淹沒歷時較短;曹集東北為洪水主流區,亦為危險重災區,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,但淹沒水深較大,淹沒時間最長,屬重災區。

2.4 風險評價

本模塊根據洪水風險評價數學模型計算的結果為用戶提供洪水風險圖。洪水風險圖繪制依據洪水演進分析成果,繪制不同運用狀態下的洪水淹沒范圍,利用綠色色系區分水深和利用數值標注特征點水位,并結合行政區劃圖、地形圖、分蓄洪等防洪工程布置圖,形成風險專題圖。

本研究采用水利部淮河水利委員會規劃設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,并用綠色色系標注淹沒水深或數值標注特征點水深,到達時間、洪水流速、淹沒歷時等信息采用數值標示。洪水風險圖成果包括數字化風險圖和紙質洪水風險圖,高程系統采用1985國家高程基準,坐標單位為m。在工作圖上標注承災體指標和孕災環境指標,承災體指標包括人口、耕地、房屋、家庭財產、農作物、養殖、田間配套、閘站、撤退道路等社會經濟信息,孕災環境指標包括地形、莊臺、保莊圩等地理信息。

模塊提供以基本風險圖、專題風險圖和綜合風險圖在內的多種專題圖。基本風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。專題風險圖是依據不同的風險決策者制作的不同用途的風險圖、防洪決策者使用的專題風險圖、防洪避難使用的風險圖等。綜合專題圖是包括洪水淹沒信息以及社會經濟信息在內的行蓄洪區綜合信息專題圖,模塊還提供地圖輸出系統,可以將生產的專題圖保存為TIF、JPG、GIF等多種格式和紙質打印輸出。

2.5 系統管理與維護

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 系統部署

項目軟件系統的設計采用了分層分塊的模塊化設計思想,即由應用開發工程師分別負責模塊組件集、應用服務的開發,界面工程師負責界面方案的設計,JS組件集和界面方案組成應用框架,服務框架由各種應用服務組成,經過應用框架和服務框架的交互形成整個系統的框架架構。

系統采用ESB總線架構,搭建業務運行支撐框架,以此為紐帶,通過服務總線,集成系統的各應用系統,不同的應用系統采用組件化和構件化設計,作為獨立的插件集成到框架中,從而實現了不同系統的數據和業務的集成。系統是一個大的容器,按照規定的服務規范開發服務層服務接口及表現層組件,將其放入容器(系統),便可快速地在系統上實現和使用此功能(圖3)。

圖3 系統部署圖

4 系統成果

登錄“蒙洼基于風險可控行蓄洪區運用決策支持系統”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”對接蒙洼蓄洪區二維水流模擬模型模擬的3次洪水演進結果,實現行蓄洪區內洪水演進模擬展示。對不同洪水演進提供二維模擬展示:洪水時區內水深、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。

“蒙洼行蓄洪區災害評估”(圖5)通過洪水演進分析獲取的洪水特性格網與社會經濟網格疊加,通過疊加生成的洪災損失計算空間信息格網可以獲得受淹區內相對準確的社會經濟信息、土地利用信息、地形信息(高程)、洪水特征信息(如水位、流速等)等內容,根據以上內容,可以實時計算出所選擇區域的財產損失。

圖5 系統查詢和財產損失查詢

[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.蓄滯洪區災情評估信息系統的研究[J].水利水文自動化,1994(3):9-12.

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

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

水利部公益性行業科研專項經費項目(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

TV212.5

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1003-9511(2016)05-0064-05

2016-06-06 編輯：陳玉國)