動態洪水風險圖在無錫市城區防洪中的應用研究*

張小穩1 劉國慶 范子武

(1.無錫市防汛防旱指揮部辦公室，江蘇 無錫 214032；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

洪水風險是指未來可能引起災害性后果的洪水發生的概率或頻率。洪水風險圖融合洪水特征信息、地理信息、社會經濟信息，是防洪非工程措施中一種重要的方法[1-2]。洪水風險圖通過洪水計算和風險判別,以圖表形式直觀地反映洪水威脅區域發生某一頻率洪水后可能淹沒的范圍、水深、流速等洪水要素, 并表現不同量級洪水可能造成的災害風險和對社會經濟的損害程度。城市是人口、資產高度集中的地區，一旦發生洪澇災害，經濟損失嚴重，政治影響大。因此，綜合利用各種措施，減輕城市洪澇災害損失對中國的經濟發展和社會穩定具有十分重要的現實意義。

目前，我國很多城市已經進行洪水風險圖的制作與應用[3-4]，然而所制作的洪水風險圖基本屬于靜態的，反映的是特定頻率洪水發生時的淹沒范圍、受淹區域內的最大水深和淹沒歷時等信息。這些洪水風險圖在使用過程中存在信息量少、更新難度大、難以共享等缺點。靜態風險圖無法真實體現下墊面變化快、排水管網更新快、氣候變化快造成的區間短歷時降雨變化等現實狀況。為此，我國部分地區開展了動態洪水風險圖技術研究[5-7]。動態洪水風險圖能夠通過改變模型網絡的邊界條件等實時展示地區的洪水風險[8-10]，然而這些方法仍不完善，有待進一步研究。本文以無錫市城區為例，探討能夠實時改變模型庫、事件庫、邏輯庫的動態城市洪水風險圖制作方法，以期為更加方便、精確地指導搶險救災提供決策依據。

1 研究區域概況

無錫市位于江蘇省東南部，地處長江三角洲江湖走廊，東鄰蘇州市，西接常州市，南瀕太湖，北依長江，全市總面積4628.00km2。無錫市區位于武澄錫虞區南部，市區面積1643.88km2。該地區多年平均降雨量為1112mm，年平均降水日數為125天。降水年際變化較大，1954年降水量達1521mm，1991年為1631mm，而1978年降水量僅553mm，降雨量時空分布不均，年內分布有個明顯的集中階段，5—9月的汛期雨量約占年平均降雨量的60%～70%，汛期最大降雨量為1991年的1216mm。區域總體地勢呈現周邊高、腹部低的態勢，北部易受高片洪水侵壓和長江洪水與潮汐制約，南部常遭太湖洪水侵襲與高水位頂托，西部又需承接上游湖西高水壓境。特殊的地理位置和地形條件決定無錫市區洪澇外排方向主要有南排太湖、東排望虞河和北排長江。而由于無錫市區位于區域的最南端，外排長江因線路長，排江能力的增加對降低無錫市區最高洪水位影響較慢。再者內部現有的雨水排水系統各自為政，標準偏低，部分雨水管道經長期使用后，出現不均勻沉降，也降低了管道過流能力。因此當城區遭遇突發性暴雨時，極易形成洪澇災害。隨降雨類型和分布不同，所形成的洪澇特點也有明顯差別，主要有梅雨型洪澇、臺風暴雨型洪澇、對流雨型洪災。

本次洪水風險圖研究考慮無錫市中心城區及其周邊部分地區，面積為543.30km2，考慮到計算邊界的封閉性，計算范圍為656.12km2(見圖1)，其中城市防洪大包圍面積136.00 km2，無錫市城區以京杭大運河、梁溪河等將整個區域劃分為馬山片、運東大包圍、運東南片、運西北片、運西南片5個片區。根據無錫市城區地形、水系、防洪工程現狀，結合歷史洪澇災害情況，洪水來源包括流域性洪水、外河洪水、內河洪水和暴雨內澇四類。

為滿足城區內水雨情的監測要求及監測系統適用性的檢驗，無錫市城區已建成多個水位、雨量監測點，實時監測水情雨情，也為建模過程中模型的率定驗證提供數據支撐。

2 水文-水動力模型

本文對無錫市城區洪水風險的分析，運用具有模擬城市地下管網、城市河網、降雨產匯流、堤防潰決等功能一體化數值模擬模型，軟件平臺采用InfoWorks ICM[11]。其中城市河網采用一維非恒定流方法，城區內可能淹沒區域采用二維非恒定流方法進行模擬。對城市內澇模擬，將管網一維模型與地面漫流二維模型進行無縫耦合嵌套，設置模型網絡節點的檢查井頂部與地表二維網格連接，模擬管渠中的有壓流和無壓淺水自由表面流，內澇洪水在地表二維空間內的物理運動過程和地表徑流與地下管流間的流量和動量交互，模擬洪澇的動態演進過程。

圖1 無錫市城區洪水風險圖編制范圍

無錫市城區的水文模型采用InfoWorks ICM中的分布式水文模型進行構建，在模擬降雨-徑流時，需要的數據為集水區的劃分、集水區的土地分類以及針對不同土地分類的相關參數，具體包括集水區的面積、不透水表面的比例、初期損失、徑流系數等。集水區面積根據區域排水特點、地形地貌、規劃河流、水系路網分布及重要建筑物分布等情況確定；初期損失需依據表面的類型分別制定，不透水表面的初期損失定義為與坡度相關或者作為絕對深度，而透水表面的初期損失通常定義為一個絕對值，也可以定義與坡度相關；徑流系數則根據各排水分區內的水面、水田、城市綠地、道路、居民地等下墊面數據，利用加權平均的計算方法，參照《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)中不同下墊面的徑流系數選取。

無錫市城區河網-管網模型在構建時采用InfoWorks ICM洪水模擬軟件。通過斷面導入、以線創建斷面、創建河道連接、添加水工建筑物、管網模型構建、創建河岸構建河道-管網一維河道模型，然后通過對線狀地面構筑物(道路、墻體等)處理、導入地面模型、添加區間降雨、創建糙率分區、添加水利工程調度規則的邏輯控制、劃分網格、添加邊界條件建立河道二維模型。一維河網模型與二維洪泛區模型再通過“溢流單元”上的連接條件實現模型耦合。無錫市城區模型構建過程和耦合模型見圖2。

3 特征方案模型網絡庫

洪澇分析方案網絡庫是構建動態洪水風險圖系統的基礎。目前無錫市城區構建了京杭大運河、太湖、望虞河遭遇不同量級洪水的潰堤計算模型網絡；遭遇太湖流域91、99年實況，91北部，99南部不同頻率設計洪水的流域性洪水計算模型網絡；遭遇區域水利標準最大24h不同頻率設計暴雨、城建標準最大1h不同頻率設計暴雨的暴雨內澇計算網絡模型，模型網絡庫見表1。實況年暴雨洪水涉及1991年“梅雨”、2009年“莫拉克”臺風暴雨、2011年實況暴雨計算網絡模型。

圖2 無錫市城區模型構建過程與耦合模型

外洪模型網絡庫流域性洪水模型網絡庫暴雨內澇網絡模型庫實況洪水網絡模型庫太湖大堤潰堤91、99年實況不同頻率設計暴雨(水利標準)1991年“梅雨”京杭大運河潰堤91北部不同頻率設計暴雨(城建標準) 2009年“莫拉克”臺風望虞河潰堤99南部2011年實況暴雨

4 風險圖管理系統開發

4.1 構建思路

本文依托無錫市城區洪水風險圖編制成果，通過對洪水風險圖編制過程中構建的基礎數據庫、洪水風險與洪水影響分析形成的風險圖成果圖件、洪水分析模型及計算結果，基于B/S架構方式，開發包括信息總覽、動態計算、成果查詢、災情評估4個功能模塊的動態洪水風險圖管理系統，集成在江蘇省動態洪澇風險圖管理與實時預報預警系統中。系統開發總體思路見圖3。

在風險查詢與動態展示功能模塊方面，匯總無錫市城區風險圖成果圖件數據(.pdf格式)、模型計算方案網格數據(.shp格式)、動態支撐數據(.txt格式)以及相應的實時計算方案的成果，按照編制對象、編制單元、方案類型、專題類型、成果類型之間的關聯關系構建基于Oracle的成果管理數據庫，采用ArcGIS server、webGIS、Java、tomcat、spring mvc、mybatis等開發技術，實現對風險圖成果進行發布，通過webGIS訪問服務，實現風險圖編制方案及實時計算方案成果查詢、瀏覽、展示等功能。

在動態洪澇風險圖管理功能模塊方面，利用InfoWorks ICM中Exchange的API進行二次開發。實現系統平臺前端與ICM模型網絡數據庫、邊界條件數據庫、水利工程及調度數據庫(RTC)的連接，突破模型庫、結果庫與平臺數據實時交互技術，集成了洪水風險要素自動解析—疊加分析—動態渲染—實時發布的風險圖繪制成套技術，實現任意洪水組合方案洪澇風險圖一鍵生成，動態生成洪澇風險圖。

利用模型計算的洪水淹沒成果網格矢量數據和行政區劃數據、社會經濟數據，并結合損失率-水深關系，利用GIS疊加分析技術，實現各行政區劃內的淹沒面積、淹沒耕地面積、受影響GDP總數、受影響人口總數、總經濟損失等的災情統計分析功能，構建思路見圖2。

圖3 系統開發總體思路

4.2 總體架構設計

無錫市城區動態洪澇風險圖管理系統集成在江蘇省動態洪澇風險圖管理平臺中，系統的層次架構見圖4。遵循信息安全保障體系和標準規范體系，主要包括數據資源層、支撐服務層、業務應用層和應用門戶層[12-13]。

圖4 系統層次架構圖

系統層次架構設計以基礎數據作為數據資源層，包括河流水系、水利工程、實時雨水工情、社會經濟、模型庫、GIS空間地圖以及系統業務數據；支撐服務層以Orcal數據庫、ArcGIS sever作為數據支持，以InfoWorks ICM、ICM Live、ICM exchange為模型計算支持，以Geotools、Arcobject為開發工具支持，以WebGIS、Spring MVC為系統展示支持；業務應用層集成了信息總覽、預報預警、動態計算、成果查詢等主要業務功能模塊，以無錫市城區作為風險圖編制單元集成到江蘇省系統平臺中；應用門戶層支持對內門戶和對外門戶，以不同的用戶管理和權限設置提供相關的服務。

系統總體功能架構設計見圖5，主要包括洪水風險圖成果管理與展示、動態方案模擬計算及管理、災情損失評估以及信息總覽等功能模塊，另外對于性能和安全等非功能性需求進行統一考慮設計。動態洪水風險圖管理系統各功能模塊的頁面展示見圖6。根據系統整體功能及非功能要求進行系統功能總體設計，將資源、服務、業務、UI進行分層架構，兼顧之后的系統擴展。

圖5 系統功能架構圖

圖6 動態洪水風險圖管理系統功能模塊

本系統的核心功能主要包括風險圖成果管理展示和動態計算。按照離散化建模建庫、OpenMI標準化規范化要求，完成對各方案的計算網絡、事件和邏輯控制建庫管理，并統一到InfoWorks ICM模擬軟件平臺。實現基于實時水文預測、實測洪水或設計洪水等任意組合洪水方案進行快速模擬計算，動態生成洪澇風險圖并入庫管理。基于Oracle數據庫存儲不同編制對象既定計算方案的成果，該系統具有成果圖件查詢與展示功能，另外，可以加載實時計算成果并入庫，且與已有成果管理保持一致。系統開發采用工作組模式的管理解決方案，滿足開發系統版本應用、升級與管理，模型計算方案的生成、比較與校驗，多工程用戶級別的分類管理，數據信息的融合、整合與管理等實際需求。

4.3 動態洪澇風險圖繪制

動態洪澇風險圖繪制是利用InfoWorks ICM中Exchange的API進行二次開發，研發了基于ICM Exchange模型庫、結果庫與平臺數據實時交互技術，開發了中間服務引擎，實現基于洪澇分析模型與成果的風險管理的業務應用。實現系統平臺前端與ICM模型網絡數據庫、邊界條件數據庫、水利工程及調度數據庫(RTC)的連接，在系統界面中完成在線修改的同時能夠實時更新模型網絡數據(河道斷面、堤防、道路等)、邊界條件數據(降雨、水位、流量等)、水利工程及調度數據(水閘、泵站、涵洞等工程參數及調度規則)，利用系統平臺前端調用接口驅動ICM計算引擎實現后臺自動計算，實時計算的結果從ICM軟件導出至結果csv文件并完成數據的自動解析，通過geotools將計算結果生成時態數據，調用arcpy將文件發布到ArcGIS server端，通過ArcGIS server發布成動態服務，調用ArcGIS JavaScript API訪問服務，對各時段數據分別渲染時態數據以實現動態演進過程展示，動態生成洪水風險圖。

系統可以實現基于實況洪水、預報洪水、設計洪水等任意組合洪水方案進行快速模擬計算，并對計算結果動態生成洪澇風險圖并入庫管理，主要包括以下功能。

4.3.1 模型網絡庫編輯

無錫市城區動態洪水風險圖管理系統能實時修改洪水分析模型網絡庫相關參數，可以修改京杭大運河、望虞河、梁溪河、古運河、伯瀆港等內外部河道堤防、河道斷面以及阻水道路高程和水動力特征參數等，通過修改這些參數達到與計算工況模型網絡一致的目的。

a.河道堤防工程參數修編。結合GIS地圖，系統提供無錫市城區范圍內河道堤防圖層的查詢展示，針對每一段河道堤防，提供溢流單元、河道、堰流系數、潰口模型等基礎數據的查看，以及堤防起點、潰決時間、潰口歷時、堵口時間、堵口用時、潰口寬度、潰口底高程等數據的修改編輯功能，為模型計算提供模型網絡條件。

b.河道斷面工程參數修編。系統提供每條河道斷面圖層的GIS可視化查詢展示，針對每一條河道斷面，提供不同起點距對應河底高程、不同河段曼寧系數等特征數據查看和修改功能，并以示意圖形式對河道斷面進行展示。

c.道路高程參數修編。基于電子地圖，系統提供無錫市城區范圍內主干阻水道路的查詢展示，針對每一條道路，系統提供道路高程的查詢展示和修改編輯功能。

d.對象列表修編。系統通過針對每一段堤防、斷面、道路定義相應的節點名稱，以列表形式進行統一展示，系統提供圖表互查，通過在節點列表中選擇任意節點名稱，系統能夠自動在地圖上定位至相應節點。

e.清除修改功能。對于加載到地圖上的各類顯示，系統提供一鍵清除修改功能，使得模型網絡回到初時狀態。

4.3.2 模型事件庫編輯

系統提供模型計算所需的流量、水位、降雨等邊界條件的修改編輯功能，可以修改外洪潰堤、流域性洪水、暴雨內澇以及實況暴雨方案的邊界條件，也可實現模型的初始化。

通過選取需要編輯的邊界條件，系統提供在線修改功能；對于需要重新定義的邊界條件，系統提供邊界條件模板下載功能，用戶可以基于模板進行快速編輯，并將修改后的文件上傳至系統作為模型計算的邊界條件，完成邊界的快速更新。

4.3.3 模型邏輯庫修改

在特定模型網絡、事件庫的基礎上，提供水閘、泵站、涵洞等水利工程調度規則修改功能，覆蓋現有工程主要的邏輯調度規則，滿足水利精準調度的預報調度業務需求。

a.閘門調度。系統提供閘上水位、閘下水位、水位差、控制斷面、時間控制等調度規則在線修改功能。

b.泵站調度。系統提供泵站機組開機數量、開機狀態、開啟時間等調度規則在線修改功能。

4.3.4 實時模擬運算

根據選定的模型網絡，設定的模型初始條件、邊界條件、調度規則，系統自動驅動模型計算引擎，實時模擬運算，計算結果自動導出、解析并進行風險圖成果渲染，用戶可在動態展示模塊中對計算完成的方案進行查詢展示，為區域防汛指揮調度提供科學決策依據。

5 結 語

本文以無錫市城區洪水風險為研究對象，通過InfoWorks ICM洪水模擬軟件進行建模并進行二次開發，構建了無錫市城市動態洪水風險圖管理系統。動態洪澇風險圖與實時預報預警系統能夠支持洪澇分析模型網絡庫、事件庫和邏輯庫的編輯修改，可實現動態實時運算和預報預警，一定程度上提高了區域防汛決策支持水平。系統在水利工程調度方面對調度規則實時修改的功能還有待完善，模型業務化水平有待進一步開發研究，不斷完善系統功能，有助于提高區域防汛調度精細化管理水平，推動區域防洪向預測、預報、預警、預案智能決策方向發展。