基于非恒定流實時計算模型的洪水風險圖管理系統研究

孟波波 高錫明 張波 劉偉

關鍵詞：洪水風險圖；非恒定流理論；水動力學模型；預見期

1引言

我國從2004年開始，國家防辦啟動了全國洪水風險圖編制試點工作，于2005～2007年、2008～2010年、2011—2012年分別開展了試點區域洪水風險編制工作，2013～2015年在全國開展了重點地區洪水風險圖編制工作，為我國洪水風險圖的繪制和洪水風險管理探索出了經驗、理論和方法。

通過內業資料的整理，外業資料的調查和勘測，全面收集并整理基礎資料。以洪水來源分析、洪水組合和洪水遭遇分析為基礎，制定實際的洪水風險圖編制計算方案。基于水動力學方法建立編制區域的洪水分析模型，并利用典型的歷史洪水資料對模型進行率定和驗證。利用驗證后的模型開展計算方案的分析計算。同時，基于洪水影響評估軟件，采用損失率法評估區域洪災造成的直接經濟損失，并對所有計算方案的洪水影響進行統計和計算。然后，結合GIS實現洪水風險圖管理與分析，包括淹沒分析，受災分析，重要設施分析等功能：實現洪水風險圖實時繪制與分析，利用水文站實時水位或者預報水位實現洪水風險圖實時繪制：通過GIS平臺對計算結果進行洪水演進動態可視化展示，并存儲計算過程結果。

2核心需求分析

（1）基于地理信息系統建設地理信息空間和屬性數據庫，建立骨干河道及排水干管的拓撲關系，涉及管網系統、河道、泵閘等各種排水單元。

（2）建立區域骨干河道和排水干管的整體水動力數值模擬模型，分析不同排水分區內水流的蓄泄方式，以掌握區內暴雨洪水的整體流態。

（3）綜合應用產流模型、匯流模型和管網水動力模型、河道洪水演進模型、閘泵調度模型、地表淹水漫溢模型，并結合防汛應急除澇措施，構建區域整體排水防澇預警分析模型。

（4）基于排水防澇預警分析模型，提供實時暴雨計算、暴雨演進模擬、最大淹沒范圍、淹沒區域分析、到達時間統計、淹沒歷時統計、空間災情分析、剖面分析等系統功能。

（5）針對不同重現期（1a（1年一遇），2a（2年一遇），Sa（5年一遇）等）的暴雨及多種應急情況，以匯水區域為單元分析降雨產流、匯流、排水過程，并結合歷史積水情況，分析重點地區的積水過程。

3系統建設方案

3.1建設目標、內容

通過對可能發生的超標準洪水的洪水演進路線、到達時間、淹沒水深、淹沒范圍及流速大小等過程特征進行預測，以標識區域內各處受洪水災害的危險程度，有效應對隨機性、持續性、難以預測性的洪澇災害。根據實時水雨工情及水雨情勢進行實日寸動態洪水風險圖管理及應用，在應用中隨洪水發展情勢可動態修正計算條件，實現洪水風險圖實時動態繪制及管理，動態模擬預報河道行洪、控制點及低洼地積水情形，動態模擬預測城市受災情況，以提高洪澇災害預見期，有關部門可據此制定更為科學更為合理的應急避洪轉移決策。

3.2業務邏輯框架

在數據采集完善的基礎上，應用水文學、水動力學、地理信息系統技術、遙測技術、計算機軟硬件技術等，建設區域洪水風險地理信息空間和屬性數據庫，以開發區域洪水風險仿真模擬模型，經過實踐及不斷調試，使模型具備預案模擬功能、應急預報調度功能以及實時預報預警功能，從而最大限度地發揮該模型的作用，為區域防汛指揮提供智能服務，為區域防洪除澇提供預測預警技術支撐。模型結構如圖1所示。

3.3開發技術路線

系統分為風險圖制作和風險圖管理2個部分，總體技術路線如圖2所示。

3.4軟件系統建設

系統建設原則：嚴格遵照《洪水風險圖編制導則》《洪水風險圖編制技術細則》《洪水風險圖編制技術細則附錄》和相關技術標準、規范要求進行。在設計階段對類似的軟件產品和應用領域進行全面細致的研究并分析其優缺點，并基于此對系統的功能進行設計；在開發階段先對項目關鍵技術進行預研，實現對當前先進技術和算法的掌握，并基于此研究并確定項目關鍵技術的解決方案，提出算法實現[1]。在開發階段重視項目的測試工作，嚴格按照CMMI的要求進行軟件開發流程的管理，并且在系統開發后期采用實際應用來檢驗。

綜合數據庫建設：洪水風險圖管理需要大量各類相關信息，其中主要包括基礎數據、水利數據、水文特征值數據、陸地的地形數據等，如用于模型設計的高分辨率的水下地形數據、用于損失統計的社會經濟數據、用于虛擬現實的各類建筑模型數據、用于計算的網格模型數據、用于洪水仿真的計算過程數據和風險圖結果數據[2]。這些數據在系統開發過程中將由專題綜合數據庫負責更新、維護以及日常管理，主要管理對象包括矢量數據庫、柵格數據庫、屬性數據庫、元數據庫等，從而為風險圖管理系統提供數據支持與保障，涉及的數據庫分類如下：（1）實時水雨情；（2）水利工情；（3）水利基礎信息；（4）空間地理信息；（5）計算過程和結果。

系統總體開發框架：采用J2EE技術，并綜合應用Spring，Struts，Hibernate，xFire，GIS等成熟的J2EE的技術框架和應用組件，以實現一個輕量級的J2EE多層架構的應用系統，其既能充分利用Java/J2EE技術的優越性，又降低了對系統硬件資源的要求。系統邏輯上由系統支撐層——綜合數據庫、系統應用層——數學模型、人機交互層——GIS應用系統3部分組成。綜合數據庫為系統提供空間定位基礎及相關信息；數學模型對洪澇災害提供來水過程計算、動態模擬洪水淹沒過程、災情統計；GIS應用則面向用戶，提供信息查詢、模型結果可視化和信息管理等功能。系統總體架構如圖3所示。

軟件功能主要實現如下。

（1）基礎數據查詢：在地圖上標注出基礎數據點，用戶可通過勾選數據類型來控制是否顯示該類型。系統可根據類型、名稱查詢數據點，在選擇數據點后地圖中心定位到該對象，且顯示對象的詳細信息。

（2）臺風信息查詢：系統提供西太平洋區域臺風信息的查看功能。

（3）水雨情信息：包括實日寸雨情、實時水情信息的地圖展示功能。

（4）實時暴雨計算：使用暴雨洪澇數值模擬模型，針對不同的初始條件、邊界條件和降雨量數據（降雨量數據可以人工輸入，也可以通過接口直接調用實測數據庫降雨數據），實時計算一場暴雨下區域內重要排水單元每個時刻的實時水位和流量。

（5）暴雨演進模擬：基于實時暴雨計算結果，動態模擬整個暴雨過程，按時刻顯示淹水漫溢的地點，并統計受淹范圍內的重點關注對象（如學校、醫院等）。

（6）最大淹沒范圍：提取出場次暴雨整個過程中每個網格最大的積水深度值，并將其作為網格的水深值，不同范圍水深值的網格采用不同的顏色來繪制，從而繪制出場次暴雨最大積水范圍圖。

（7）淹沒區域分析：基于最大積水范圍，系統統計不同淹沒深度下的區域面積，并計算最大淹沒深度、最小淹沒深度以及平均淹沒深度。

（8）空間災情分析：在淹沒區域內劃定一片空間區域，列出受淹范圍內的重點關注對象（如學校、醫院等），同時統計劃定區域淹沒范圍總面積、最大淹沒深度、最小淹沒深度及平均淹沒深度。

（9）淹沒水深圖：根據場次洪水每個網格淹沒的深度繪制淹沒水深圖。系統提取出場次洪水整個過程中每個網格最大的淹沒深度值，并將其作為網格的淹沒值，系統根據每個網格最大淹沒深度值設置每個網格的顏色，從而繪制出淹沒水深圖。

（10）淹沒歷時圖：根據場次洪水每個網格開始被淹沒到結束淹沒的時間段繪制出淹沒歷時圖。系統計算出場次洪水整個過程中每個網格開始被淹沒到結束淹沒的時間段值，并將其作為網格的淹沒歷時值，系統根據每個網格到淹沒歷時值設置每個網格的顏色，從而繪制出淹沒歷時圖。

（11）到達時間圖：根據場次洪水每個網格開始被淹沒的時間繪制到達時間圖。系統提取出場次洪水整個過程中每個網格開始被淹沒的時間值，并將其作為網格的到達時間值，系統根據每個網格到達時間值設置每個網格的顏色，從而繪制出到達時間圖。

（12）剖面分析：通過繪制剖面線來查看剖面底高程及水位線。

（13）方案對比：對比任意兩場次洪水的淹沒水深圖、淹沒歷時圖、到達時間圖。

（14）流域洪水展示：動態模擬風險圖某個方案的洪水演進過程。流域洪水展示包括淹沒過程圖（水深）、淹沒過程圖（流速）。風險圖區域被劃分成若干個網格，水深圖中系統通過給網格設置不同的顏色來區分網格淹沒的深度，流速圖中系統根據當前網格的流速與流向在網格中繪制出流速箭頭。系統可從所選時段開始播放，直到最后一個時段結束，播放過程中可暫停。

（15）一維河道展示：動態模擬一維河道風險圖某個方案的水位流量演進過程。一維河道展示河道水位變化、水位流量過程線。河道水位變化：系統根據用戶選擇的河道和時段，播放所選時段至最后一個時段的沿程水位變化線。水位流量過程線：系統根據用戶選擇的斷面，繪制所選斷面在此次方案中水位及流量過程折線圖。

（16）洪水實時計算：包括流域洪水實時計算和一維河道實時計算，分別設置對應計算模型需要的計算參數，包括基本參數設置、邊界條件設置，然后調用計算模型進行計算。

（17）動態潰口設置：當堤防的險工險情段發生突發性的潰堤時，可以在堤防處任選一處作為臨時突發潰口，可以對潰口流量、起潰時間等進行設置，設置完成后可以調用模型進行計算。

（18）邊界條件設置：將致災因子和突發潰口設置為模型的計算邊界條件，根據邊界條件進行洪水演進模擬計算。

（19）展示河道設置：管理一維河道展示中所用的河道，包括新增、編輯、查看、刪除。

（20）重要斷面設置：管理一維河道展示中所要展示的重要斷面，包括新增、編輯、查看、刪除。

（21）關注點管理：可以設置感興趣的學校、醫院等作為關注點，在暴雨淹沒過程中，可以實時查看關注點的淹沒情況，以折線圖的形式展示關注點的淹沒趨勢。

（22）洪水方案管理：將不同計算方案的結果和相應元數據進行存儲，以供用戶快速調用，可以在地圖模式下進行相應計算結果的分析、查詢等操作。

（23）基礎數據管理：包括數據類型的添加、修改、刪除以及具體數據的導人和編輯。

4結束語

本系統成功應用于泗陽、椒北平原、錢塘江（衢江）流域、衢州、東苕溪流域等地區，其具有較強普適性的基于非恒定流實時計算模型的洪水風險圖管理信息系統，系統能夠對洪水風險圖進行實時動態繪制及管理，動態模擬預報河道行洪、控制點及低洼地積水情形，以及動態模擬預測城市受災情況，以把握區域的洪水風險信息和洪水風險程度總體分布，從而大幅增加洪澇災害預見期。有關部門可據此制定更為科學、合理的應急避洪轉移決策，以加強民生保障，保護人民生命財產安全，從而提升區域防洪應急管理能力和水平，保障區域經濟的可持續發展。