基于风险可控行蓄洪区运用决策支持系统开发与设计

孙 燕, 刘仲刚, 于彦博

(1.河海大学公共管理学院,江苏 南京 210098; 2.江苏省水利厅科技处,江苏 南京 210029;3. 淮河水利委员会水利水电工程技术研究中心,安徽 蚌埠 233001)



基于风险可控行蓄洪区运用决策支持系统开发与设计

孙 燕1, 刘仲刚2, 于彦博3

(1.河海大学公共管理学院,江苏 南京 210098; 2.江苏省水利厅科技处,江苏 南京 210029;3. 淮河水利委员会水利水电工程技术研究中心,安徽 蚌埠 233001)

针对行蓄洪区运用决策存在的问题,通过选取淮河干流的蒙洼蓄洪区作为“基于风险可控行蓄洪区运用决策支持系统”的典型应用案例区,基于GIS软件和平台,将多种模型与行蓄洪区内的多源数据集成为一个相互联系的有机整体, 解决行蓄洪损失难以快速评估,行蓄洪区风险无法快速有效预警、控制和管理,科学的应急管理体系尚未建立等难题,为行蓄洪区规划管理(包括洪水资源化利用)提供决策支持工具。

决策支持;系统开发;风险评估;行蓄洪区

淮河现有行蓄滞洪区28处,在淮河防洪体系中,行蓄洪区发挥着不可替代的重要作用。从行蓄洪区设立至今,前后启用206次,有效降低了河道水位,确保了中下游重要城市和防洪保护区的安全,为流域防洪减灾做出了巨大贡献。为了对行蓄洪区进行合理的使用和调度,国内外均开展了快速评估洪水损失的研究。国外方面,Das等[1]提出了所谓非传统的水深-损失曲线法;De Jonge等[2]运用GIS建立了洪涝灾害损失评估模型;Profeti等[3]应用Landsat TM和ERS SAR数据进行洪涝灾害损失评估。国内方面,曾龙翔[4]提出建立蓄滞洪区灾情评估信息系统,徐美等[5]运用遥感和地理信息系统技术,以加拿大Radarsal星载雷达影像为基础数据源,对淮河水情进行实时监测,对淹没区和内涝区进行快速评估;陈铭等[6]提出了蓄滞洪区行洪损失计算的基础统计数据法和历史损失数据估算法。但是对行蓄洪区运用的决策支持系统研究相对较少。

为了更好地实现行蓄洪区的管理,笔者选取蒙洼为研究区域,利用蒙洼1954年、1991年、2003年、2007历史洪水数据以及百年一遇典型洪水的洪水模拟,通过社会经济数据收集,在行洪损失快速评估的基础上,构建行蓄洪风险管理体系,建立风险预警系统,提出操作性较强的行蓄洪应急管理预案,形成完整的决策支持系统。

基于风险可控行蓄洪区运用决策支持系统是将GIS技术、数据库技术、洪水数值模拟、遥感分析、资产评价与预测分析相结合,构建空间分析技术的洪灾损失评价模式。系统将GIS空间分析技术引入了以往的损失评估系统,以各类空间数据库为数据源,输出结果中包含了大量的空间数据信息,不仅可以估计总体影响和损失情况,而且还可以给出其空间分布状况。通过系统的建设,能够快速直观地了解行蓄洪区的社会经济状况,预测洪灾损失,能更好地服务于抗灾救灾和减灾规划,为行蓄洪区规划管理(包括洪水资源化利用)提供决策支持工具。

系统实现的目标主要包括蒙洼行蓄洪区数据库、模型库开发以及行蓄洪区决策支持系统的集成与开发。

1 系统总体规划与设计

系统主要由支撑层、数据层、服务层、应用层和用户层五部分组成：

a. 支撑层:为系统提供基础服务等底层支撑服务。

b. 数据层:是以数据库为支撑的基础数据层,主要用来对空间和非空间数据进行存储、访问和管理,并为服务层、应用层提供数据服务。

c. 服务层:主要是按规则抽取数据后,将批量数据的比对工作交由分析模型进行数据分析,并实现两个平台间的数据交换工作。

d. 应用层:实现相关行蓄洪区洪水演进、预警分析、损失评估工作。

e. 用户层:在界面向用户展示查询和分析数据。

2 系统功能

蒙洼行蓄洪区决策支持系统主要包括五部分内容,从功能逻辑上,通过洪水演进分析模型对蒙洼蓄洪区、蒙河分洪道、各进退洪闸及淮河干流相关河段进行基于遥感与GIS空间信息格网的洪水演进分析,获取不同量级洪水时区内水深、流速等水力要素的变化及分布情况(图1)。

图1 功能逻辑图

根据洪水演进分析结果,结合淮河干流行蓄洪区预警指标和预警模型的计算,对行蓄洪区进行洪水预警,确定洪水等级等信息,并编制、发布相关预警预案,最后通过信息反馈共享,获取洪水淹没区的实际信息。

在洪水预警和洪水演进分析成果上,构建灾害评估模块,通过洪水-社会经济空间信息格网模型叠加洪水特性网格、社会经济数据空间展布网格,形成洪灾损失计算空间信息格网,最终获取受淹区内相对准确的社会经济信息、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)。

风险图分析模块则是根据不同场次洪水演进模型,结合灾害评估成果,编制不同洪水等级情况下的洪水风险图。洪水风险图通过对行蓄洪区基本信息、洪水淹没信息、灾害损失信息等的综合分析,形成包含不同运用情况下的行蓄洪区洪水淹没风险图,为行蓄洪区运用风险综合评估提供条件。

2.1 洪水演进

本次研究有针对性地选择蒙洼蓄洪区作为典型研究区域,对蒙洼地区开展野外调研和资料收集工作,包括蒙洼蓄洪区内地形地貌、水文气象、社会经济、洪涝灾情、水利设施现状等。在大量调查的基础上,选取1991年、2003年、2007年洪水和1954年百年一遇型洪水,采用MIKE21软件进行蒙洼蓄洪区二维水流模拟计算。

MIKE 21水流模拟基于的控制方程是不可压流三维雷诺 Navier-Stokes 平均方程,是沿水深积分的连续方程和动量方程,在笛卡尔坐标系中可用如下方程表示:

连续性方程:

(1)

X方向动量方程:

(2)

Y方向动量方程:

(3)

MIKE21非结构化网格模型采用非结构有限体积法离散控制方程。有限体积法中使用的非结构网格通常由三角形或四边形网格组成,为了准确拟合蓄洪区曲折的岸边界,一般采用三角形网格进行计算。

2.2 灾害评估

蒙洼行蓄洪区灾害评估通过洪水演进分析获取的洪水特性格网与社会经济网格叠加,通过叠加生成的洪灾损失计算空间信息格网可以获得受淹区内相对准确的社会经济信息、土地利用信息、地形信息(高程)、洪水特征信息(如水位、流速等)等内容(图2)。根据蒙洼实际情况,确定快速评估指标包括:①居民房屋财产损失;②农作物损失;③养殖业损失;④林业损失。利用回归分析法计算损失率。

式中:D为洪灾损失率;A为洪水致灾因子,包括淹没水深、淹没历时、洪水流速等;B为承灾体种类因子,如各类型资产、各种作物等;C为孕灾环境因子;a0、a1、a2、a3为待求参数。

图2 洪水风险评估流程

模块对接洪灾损失快速评估模型分析和洪水-社会经济空间信息格网模型,通过洪水演进分析模型结果,获取行蓄洪区内格网内水位、流速信息,叠加社会经济数据及损失率等信息,计算得出不同洪水淹没方案的财产损失情况,其结果包括直接经济损失及工农业停产停业损失、防洪救灾费用等间接经济损失、总资产损失、人员伤亡情况等。通过条状图、线状图、饼状图等方式在地图上进行分类展示。其查询方式可按如下方式进行:

a. 按网格查询:反映所查询网格范围内在某一受淹方案下的分类资产的损失以及综合财产损失情况。

b. 按行政区域查询:反映所查询县区的淹没信息和损失信息。

2.3 灾害评估

本模块对接淮河干流行蓄洪区预警模型计算得到的数据,将干流行蓄洪区预警模型测算的预警指数和各子系统安全度信息,通过专题图方式进行地图展示,为蒙洼行蓄洪区的洪水情况提供直观的可视化展示。

蒙洼蓄洪区洪灾风险区范围较大,不同的区域具有明显的区域特征,其致灾因子和承灾体具有明显差异,所以洪灾风险区划应充分考虑蒙洼蓄洪区区域的特点。致灾因子主要包括淹没范围、淹没水深、到达时间、洪水流速、淹没历时等;承灾体主要包括耕地、田间配套、闸站、撤退道路、庄台、保庄圩、人、房屋、家庭财产、养殖、农作物等。

在现状工程情况下,蓄洪区设计蓄洪水位为27.80 m,淹没水深为2～7 m,一般淹没时间在2个月左右;在临淮岗水利枢纽工程运用情况下,蒙洼设计洪水位为29.10～29.60 m,淹没水深达4～9 m,淹没时间将超过3个月。

1991年、2003年、2007年和1954年洪水流程和淹没水深分析结果显示,王家坝闸下至张大台区域为分洪主流冲刷和洪水扩散区,为极危险区,但主流南侧地势较高,淹没历时较短;曹集东北为洪水主流区,亦为危险重灾区,流速相对较快,因地势偏低,淹没水深较大,淹没历时较长;曹集以南为非主流区,但淹没水深较大,淹没时间最长,属重灾区。

2.4 风险评价

本模块根据洪水风险评价数学模型计算的结果为用户提供洪水风险图。洪水风险图绘制依据洪水演进分析成果,绘制不同运用状态下的洪水淹没范围,利用绿色色系区分水深和利用数值标注特征点水位,并结合行政区划图、地形图、分蓄洪等防洪工程布置图,形成风险专题图。

本研究采用水利部淮河水利委员会规划设计研究院洪水计算分析成果,绘制不同运用情况下的洪水淹没范围,并用绿色色系标注淹没水深或数值标注特征点水深,到达时间、洪水流速、淹没历时等信息采用数值标示。洪水风险图成果包括数字化风险图和纸质洪水风险图,高程系统采用1985国家高程基准,坐标单位为m。在工作图上标注承灾体指标和孕灾环境指标,承灾体指标包括人口、耕地、房屋、家庭财产、农作物、养殖、田间配套、闸站、撤退道路等社会经济信息,孕灾环境指标包括地形、庄台、保庄圩等地理信息。

模块提供以基本风险图、专题风险图和综合风险图在内的多种专题图。基本风险图是将洪水基本要素(如淹没范围、水深、历时、流速等)在行政区划图上表示,具体包括最大淹没范围、最大水深分布图、最大流速分布图、流场分布图等。专题风险图是依据不同的风险决策者制作的不同用途的风险图、防洪决策者使用的专题风险图、防洪避难使用的风险图等。综合专题图是包括洪水淹没信息以及社会经济信息在内的行蓄洪区综合信息专题图,模块还提供地图输出系统,可以将生产的专题图保存为TIF、JPG、GIF等多种格式和纸质打印输出。

2.5 系统管理与维护

模块用于对基本用户信息的维护,包括用户信息添加、删除与修改。

3 系统部署

项目软件系统的设计采用了分层分块的模块化设计思想,即由应用开发工程师分别负责模块组件集、应用服务的开发,界面工程师负责界面方案的设计,JS组件集和界面方案组成应用框架,服务框架由各种应用服务组成,经过应用框架和服务框架的交互形成整个系统的框架架构。

系统采用ESB总线架构,搭建业务运行支撑框架,以此为纽带,通过服务总线,集成系统的各应用系统,不同的应用系统采用组件化和构件化设计,作为独立的插件集成到框架中,从而实现了不同系统的数据和业务的集成。系统是一个大的容器,按照规定的服务规范开发服务层服务接口及表现层组件,将其放入容器(系统),便可快速地在系统上实现和使用此功能(图3)。

图3 系统部署图

4 系统成果

登录“蒙洼基于风险可控行蓄洪区运用决策支持系统”后,可使用的功能模块包括“蒙洼概况”、“蒙洼洪水演进”、“蒙洼趋势面分析”、“蒙洼预警”以及“蒙洼快速评估”。

图4 洪水演进分析

“洪水演进分析”对接蒙洼蓄洪区二维水流模拟模型模拟的3次洪水演进结果,实现行蓄洪区内洪水演进模拟展示。对不同洪水演进提供二维模拟展示:洪水时区内水深、流速等水力要素的变化及分布情况展示、查询。图4显示了1954年蒙洼洪水在不同时段的演进情况。

“蒙洼行蓄洪区灾害评估”(图5)通过洪水演进分析获取的洪水特性格网与社会经济网格叠加,通过叠加生成的洪灾损失计算空间信息格网可以获得受淹区内相对准确的社会经济信息、土地利用信息、地形信息(高程)、洪水特征信息(如水位、流速等)等内容,根据以上内容,可以实时计算出所选择区域的财产损失。

图5 系统查询和财产损失查询

[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]曾龙翔.蓄滞洪区灾情评估信息系统的研究[J].水利水文自动化,1994(3):9-12.

[5]徐美,黄诗锋,李纪人.RS与GIS技术支持下的2003年淮河流域洪涝灾害快速监测与评估[J].水利水电技术,2004(5):83-86.

[6]陈铭,施国庆.蓄滞洪区行蓄洪损失快速评估方法研究[J].东北水利水电,2004(9):1-3.

水利部公益性行业科研专项经费项目(201301065)

孙燕(1980—)，女，江苏盐城人，讲师，硕士，主要从事移民科学与管理、土地资源管理研究。E-mail:akikosun@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2016.05.015

TV212.5

A

1003-9511(2016)05-0064-05

2016-06-06 编辑：陈玉国)