環(huán)境地質信息系統(tǒng)支持下的城市水文風險評估與管理

湯江平， 嚴軍， 劉玉明

（湖北省地質局第八地質大隊）

1 引言

水文災害作為重要的生態(tài)災害，是城市安全的威脅因素，其具有突發(fā)性強、波及面大、防護與管控難度大等特點，嚴重影響城市的經濟、生態(tài)與人居環(huán)境的穩(wěn)定性。在全球氣候變暖、城市溫室效應加劇的大背景下，城市水文災害的發(fā)生頻次增加、災害持續(xù)時間延長、災情規(guī)模與災害波及面擴大，威脅城市民眾的正常工作生活以及生命財產安全[1]。當前，常見的水文災害類型包括洪水災害、冰雹災害、霜凍災害、干旱災害以及水文災害引起的次生地質災害如泥石流等，其災害成因復雜，如洪水災害的成因包括短時間強降雨、融雪或冰川湖突發(fā)，泥石流災害則是由突發(fā)性強降雨裹挾著大量碎石泥砂形成的具有高強度破壞力的洪流。因此，水文災害并非在單一的環(huán)境條件或形成機制下衍生，而是在地質構造、地形地貌、水文條件、氣候條件以及人類活動等因素的綜合、復雜影響下形成的災害。

2 環(huán)境地質信息系統(tǒng)

2.1 環(huán)境地質信息系統(tǒng)概述

環(huán)境地質信息系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面，其一為信息的集成性，環(huán)境地質信息系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)地理數據管理系統(tǒng)中數據相互獨立的信息孤島現(xiàn)象，將水文地質結構數據、地下水位水質流量數據、巖土體出露與埋藏數據、地面沉降數據、地形地貌數據、土地利用類型數據、氣溫降水數據等統(tǒng)籌到同一個系統(tǒng)中加以管理，在同一套數據標準與數據結構下實現(xiàn)環(huán)境地質信息的收集、管理與動態(tài)更新，進一步提升了環(huán)境地質信息之間的聯(lián)動性[2]。二是應用的多樣性，在環(huán)境地質信息標準化管理與高度集成的支持下，水文地質環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測、科學分析得以實現(xiàn)，管理人員可以利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)查詢歷史環(huán)境地質信息，預測未來一定時期內的數據變化，輔助城市空間規(guī)劃、給排水系統(tǒng)設計以及城市功能分區(qū)與細部設計，為城市規(guī)劃建設與管理提供了多樣化的應用支持。

2.2 環(huán)境地質信息系統(tǒng)設計

2.2.1 體系架構設計

環(huán)境地質信息系統(tǒng)的體系架構包括三個層，最底層為數據采集層，利用各類傳感器與探測儀對目標區(qū)域的地質數據、水文數據、氣象數據、植被數據、土壤數據等進行采集，例如氣象數據包括氣溫與降水數據，可接入目標區(qū)域的氣象站動態(tài)獲取氣象數據；地質數據可對當地大比例尺地質圖進行數字化，并利用地質探測儀對目標區(qū)域的地質構造類型、巖土體性質等進行采集；植被數據與土壤數據可對接當地自然資源管理部門獲取土地利用類型空間分布數據；水文數據可通過水位監(jiān)測儀或水位觀測設備對地表水、地下水水位進行采集，通過流量儀采集河流流速數據等[3]。中間層為數據組織與管理層，通過對數據結構進行標準化設計，實現(xiàn)對所有采集環(huán)境地質信息的高效組織與統(tǒng)一管理，在環(huán)境地質信息系統(tǒng)中集中呈現(xiàn)各類數據、最上層為數據應用層，在數據組織與管理層的基礎上，通過對數據的查詢、統(tǒng)計、挖掘、分析，實現(xiàn)對數據的深層次應用，為區(qū)域科學管理提供決策支持。

2.2.2 數據接入與組織設計

環(huán)境地質信息包括現(xiàn)有數據（如大比例尺地質圖、地形圖等）以及需要動態(tài)采集的數據（如氣象數據、水文數據等）。對于動態(tài)采集的環(huán)境地質數據，需利用傳感器或探測儀對氣象、水文進行動態(tài)觀測與數據采集，并依托通訊網絡將采集的數據傳輸至環(huán)境地質信息系統(tǒng)的數據中心進行組織與管理[4]。同時，數據中心還需對接目標區(qū)域內現(xiàn)有的數據采集站，如氣象站、水文站等，通過接口設計與數據解析將氣象站、水文站采集的數據直接讀取并存儲到數據中心，實現(xiàn)氣象水文數據的同步傳送與更新[5]。

2.3 環(huán)境地質信息系統(tǒng)基礎功能

環(huán)境地質信息系統(tǒng)的基礎功能為系統(tǒng)的通用性功能，用于為其他專業(yè)性應用提供基礎功能，包括數據查詢、數據統(tǒng)計、數據分析、數據出圖等。在數據查詢方面，管理人員可利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)查詢一定時期內的特定數據，支持查詢數據導出與數據趨勢線分析等應用，更為直觀、可視地展現(xiàn)環(huán)境地質信息。在數據統(tǒng)計方面，管理人員可利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)對信息進行描述性統(tǒng)計、推斷性統(tǒng)計等，從環(huán)境地質信息中統(tǒng)計出數據一般性規(guī)律與空間分布規(guī)律[6]。在數據分析方面，管理人員可利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)的數據挖掘模塊對環(huán)境地質信息進行挖掘分析，如利用機器學習算法或深度學習算法對環(huán)境地質信息在未來一段時間的演變情況進行量化分析，包括城市水文風險預測與評估、城市地質災害風險性評價等。在數據出圖方面，將數據統(tǒng)計與分析的結果運用GIS 技術進行空間化表達，通過二維平面或三維模型準確刻畫環(huán)境地質信息及其深度應用結果。

3 環(huán)境地質信息系統(tǒng)在城市水文風險評估與管理中的應用

3.1 城市水文風險評估

城市水文風險評估可從災體危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體易損性、城市防災減災能力等層面進行綜合評估。其中，災體危險性與孕災環(huán)境敏感性取決于城市所處的自然環(huán)境條件以及特定時期的水文條件，承災體易損性與城市防災減災能力則取決于城市居民的防災減災意識、防災減災應急能力以及城市的應急救援能力等。城市水文風險評估是環(huán)境地質信息系統(tǒng)在城市水文管理中的重要應用，主要用于對災體危險性與孕災環(huán)境敏感性進行科學分析與評估。

1）城市水文風險影響因素

在城市水文風險影響因素選擇時，管理人員應科學考量目標區(qū)域的水文災害成因以及地方特殊性氣候條件與人類活動選擇的影響因素。例如，在季風性氣候地區(qū)，可選擇降水、洼地深度、河網密度、植被覆蓋度、人口密度、地均GDP、道路密度、管網排澇能力、避難場所密度等作為城市水文風險影響因素。其中降水、洼地深度、河網密度、植被覆蓋度、管網排澇能力、道路密度等數據均可來源于環(huán)境地質信息系統(tǒng)[7]，例如降水數據可從環(huán)境地質信息系統(tǒng)中獲取各氣象站的降水量數據，經空間插值法得到目標區(qū)域的降水空間分布數據；管網排澇能力數據可利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)的核密度分析法以及GIS空間分析法對窨井蓋和雨篦的空間分布數據進行分析得到窨井蓋與雨篦的空間分布密度數據，作為目標區(qū)域的管網排澇能力數據；洼地深度數據則利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)中的水文分析功能模塊對目標區(qū)域的DEM 數據進行水流方向分析、分水嶺分析、區(qū)域統(tǒng)計分析，最終得到小流域的匯流總量以及洼地深度空間分布數據；河網密度數據則是在環(huán)境地質信息系統(tǒng)的河流與湖泊空間數據的基礎上，利用密度分析功能模塊計算并生成河網密度空間分布數據；植被覆蓋度數據利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)中的遙感影像數據提取出NDVI，用于表征目標區(qū)域內的植被覆蓋度。

2）城市水文風險評估方法

城市水文風險評估方法眾多，隨著數據獲取方式的多樣化以及計算機處理性能的提升，城市水文風險評估方法由最初的定性評估法，發(fā)展到后期的定量評估法、模型預測法。以洪澇災害風險評估為例，早期的城市洪澇災害風險評估大多依賴專家經驗知識，專家通過對研究區(qū)域自然環(huán)境、地質條件、排水能力、應急救援能力的綜合研判，主觀分析出城市的洪澇災害風險等級[8]。GIS技術、遙感技術與傳感器技術的發(fā)展使得數據獲取的效率大幅度提升，為環(huán)境地質信息系統(tǒng)的建設提供了海量動態(tài)的環(huán)境地質數據，為主成分分析法、模糊綜合評價法、BP神經網絡模型、分類決策樹等定量方法在城市水文風險評估中的應用提供了數據與技術基礎。當前，大數據技術、人工智能技術等也廣泛應用于城市水文風險評估中，依托環(huán)境地質信息系統(tǒng)中高度集成的水文信息、地質信息、地形地貌信息、氣象信息、植被信息等快速進行一定氣象條件下的城市下墊面洪水模擬與積水分析，實現(xiàn)對城市水文風險的動態(tài)預測與精準評估。

3.2 城市水文風險管理

1）提供可視化信息服務

防汛信息主要包括氣象信息、河道信息、降雨預報、險情預警等信息，利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)能夠將這些具有時空特征的防洪抗洪信息進行有效整合，使水文災害相關數據與計算機相關模型連接起來，實現(xiàn)實時監(jiān)測數據的可視化。

2）防洪調度

根據降雨預報，結合近階段大量的多分辨率遙感影像，并利用環(huán)境地質信息系統(tǒng)相關的地形分布和地勢信息，特別是林木區(qū)域和水體的分布，實現(xiàn)氣象下墊面的有效分析，根據氣象降雨相關理論及以往降雨數據進行分析完成準確預測。降雨較急且降雨量較大時，要進行水文災害預測，根據河段上游水量和河道工程信息完成仿真模擬，完成全河段區(qū)域具體水位的實際狀況預測[9]。結合GIS空間分析，規(guī)劃救援人員以最快速度到達災區(qū)、優(yōu)化救災物資配置等。

3）建立防汛預案

依據水文災害預測的相關結果，為了在水文災害爆發(fā)期間能及時有效實施汛期緊急救援工作，制定防汛預案，減少人員傷亡、財產損失。根據仿真模型，查看水文災害演進結果，針對性制定災區(qū)人員緊急撤退方案，實現(xiàn)主動防洪，降低洪災損失。

4 結語

對城市水文災害風險進行科學、量化評估，立足宏觀層面研究城市水文風險，依托環(huán)境地質信息系統(tǒng)中集成的數據與方法，精準識別城市水文災害風險，分析城市水文風險空間分布，可以科學指導城市空間規(guī)劃與排水和除澇系統(tǒng)設計，有效防范與管理水文風險。