基于溃坝洪水演进模拟的动态应急转移路线实现方法

杨 军， 杨德玮， 董 凯， 张雄杰

（1.西藏自治区拉洛水利枢纽及灌区管理局，拉萨 851414； 2.南京水利科学研究院，南京 210029；3.福州大学，福州 350108）

我国已建成各类水库大坝98 822座，总库容约达8953 亿m3，是大坝数量最多，也是病险水库数量最多的国家［1］. 大坝溃决是典型的突发公共安全事件，如1975年强台风暴雨洪水导致板桥和石漫滩两座水库溃坝，直接导致22 564 人死亡并造成严重的生态环境破坏［2-3］. 可见水库溃坝对下游人民生命财产、社会基础设施、自然生态环境、社会经济发展造成严重威胁. 科学有效的应急预案可有效帮助管理人员应对大坝险情，是重要的非工程安全管理措施［4-5］.

应急转移路线的制定可以帮助应急管理人员有序指挥群众撤离，有效减少人员伤亡和财产损失. 应急转移路线的选定需要在路网中选择一个连接两点的最短路线，目前该类算法已经比较成熟，常用的算法有Dijkstra算法［6］、Floyd算法、A*搜索［7］等. 此外，许多学者对应急转移路线确定模型开展了诸多研究，1992年，Dunn和Newton［8］首次提出路线选择的最大流方法，旨在以路网最大承受流量转移群众. 2006年，周晓猛等［9］最先提出了应急避难场所数量和容积的决策方法，研究了解决应急避难场所选址问题的最优网络模型. 2011年，王晓玲等［10］首次结合路权模型和随机度模型计算了应急路线所耗时间和道路拥堵情况，并利用Dijstra算法得到最短应急转移路线. 2013年，杨鹏飞［11］通过考虑时间、对象规模、方式和区域四个因素对应急疏散的影响，提出了最短路径应急转移模型、最短时间应急转移模型、最小风险应急转移模型. 叶帅［12］引入ArcGIS技术以确定逃生距离和撤离所需时间，以此确定最佳避险转移路线. 以往的研究成果［13-15］能够对最短路径进行准确有效计算，识别的应急转移路线是固定的，但是在洪水来临时，城市范围内的路网将随洪水演进而不断发生变化. 如何根据洪水演进过程动态确定不同时刻下的最短、最佳应急转移路线，是应急响应必须实现的一项目标.

因此，本文提出基于溃坝洪水演进模拟的动态应急转移路线确定方法. 结合洪水演进进程，实现应急转移路线的动态调整，保证受灾群众撤离过程中不会遭受洪水危害的前提下筛选出最短路径，提高了应急工作的效率和可靠性.

1 洪水演进模拟

首先模拟溃坝洪水向下游演进的过程，本文采用BREACH模型［16-17］计算溃口洪水，将所得溃坝洪水流量作为演进模拟的边界条件，并基于MIKE21软件建立水动力模型［18-19］，模拟水库溃坝后洪水演进过程，以此求得动态应急转移路线计算所需的洪水淹没范围、淹没深度、洪水到达时间等重要信息.

1.1 BREACH模型

BREACH 模型［20］是D.L.Fread 于1988 年提出的一种溃坝洪水模拟的数学物理模型，是目前应用较为广泛的大坝溃决模型. 通过对溃口展开详细模拟，考虑泥沙输移过程，将溃坝过程从溃口形成过程、溃口发展过程和水库水位变化等方面均进行模拟. 在实际工程应用中可预测最终溃口发展过程和最终尺寸，并且计算得到溃口洪水流量过程线和水库水位过程线. BREACH模型可模拟漫顶溃坝模式和管涌溃坝模式下的溃坝过程.

在模拟管涌导致的大坝溃决时，模型假定矩形形状初始河渠遭受管涌后的中心线高程，并在计算中确保水库水位高于此高程，并且模型假定管涌条件下溃口向上发展同时，溃口底部的高程也不断降低，两向发展速度相一致，进入管道的流量计算公式：

式中：Qb为通过管涌通道的流量；A为溃口横断面面积；g为重力加速度；Hp为中心线高程；(H-Hp)为溃口静态水头；L为管涌通道长度；D为管涌通道直径或宽度；f为摩擦因数.

1.2 洪水信息处理

为了便于后面应急转移路线的计算，对洪水演进模拟结果进行正方形网格化处理. 网格化区域覆盖洪水演进的全部范围，将洪水演进信息重新提取，以网格形式储存. 网格编号以左上角为坐标原点，以向右和向下为正，将每一个单元格以（X，Y）的形式进行存储，然后提取不同时刻下的溃坝洪水演进范围和洪水信息. 以15×15 的网格区域为例，该区域网格坐标编号方式如图1所示.

图1 网格坐标编号示例Fig.1 Example of grid coordinate numbering

2 动态应急转移路线数字化

2.1 风险图分层

洪水风险图的绘制以前述的正方形网格单元为基础进行绘制，为保证信息内容的呈现是完整且互不冲突的，以图层叠加的概念对图形进行处理. 根据不同信息的优先级和展示效果，从上到下分为信息标识层、应急转移路线层、洪水演进绘制层和背景层，分层示意图如图2所示.

图2 风险图分层Fig.2 Risk map stratification

1）背景层. 在洪水演进过程中，背景层信息是固定，在计算编程和逻辑判别代码运行过程中不会涉及，作为常态图层呈现，节省计算时间，提高绘制效率，通常为研究区域内的无路网遥感卫星地图.

2）洪水演进绘制层. 在洪水演进绘制层使用编程代码对不同时间下的洪水淹没信息进行读取，各个单元格内的淹没水深和流速进行全时段呈现，并且淹没区水深以网格颜色予以区分，方便使用者快速了解洪水演进情况.

3）应急转移路线层. 应急转移路线层主要为用户规划应急转移路线，该层信息随洪水演进过程而实时变动，并且根据用户所处实时位置设计路线并提供导航功能，因此至于洪水演进层之上.

4）信息标识层. 信息标识层为使用者提供阅读的重要信息，如水系范围与标识、安置点标识、人员所处位置标识、路况险情标识等，将这些信息统一在顶层呈现，使其不被图案覆盖.

2.2 网格信息存储

应急转移路线层涉及编程代码的运行，因此将图层网格信息进行格式统一，便于计算机读取和判断，设计网格信息格式为：

式中代号含义：INF1 表示网格单元的坐标，（X，Y）；INF2表示是否为道路，（F，T）；INF3表示单元格的分组，（S 为安置点，B 为桥梁）；INF4 表示洪水淹没深度，m；INF5表示道路能否通行，（N，Y）.

2.3 绘制可通行路网

在洪水演进过程中，道路单元若遭遇洪水淹没，则此单路单元不具备应急转移通行条件，因此路网信息应该实时更新，及时将无效路网单元删除，不再参与后续应急路线寻优计算，即将网格信息中INF5 由“Y”改为“N”，设计判别流程见图3.

图3 路网绘制的判别流程Fig.3 Judgment process of road network drawing

2.4 动态应急转移路线

逃生人员使用应急响应平台时，平台识别用户所在地理位置为起点网格坐标并自动分配距离最近的临时安置点，例如医院、学校、体育馆等高程地标性建筑物，将其作为终点网格坐标. 本文设计了应急转移路线判别流程，根据该流程可以在指定时刻下绘制特定网格单元前往对应安置点的最短、最佳的应急转移路线. 设计流程见图4.

图4 动态应急转移路线的判别流程Fig.4 Judgment process for dynamic emergency transfer route

确定起点网格与安置点网格坐标后读取当前时刻下的路网信息，计算出所有可通行路线，按照路线长短进行排序. 随着溃坝洪水的演进，可通行路线在用户逃生过程中被洪水淹没而失效，因此需要对筛选出的可通行路线进行可行性判断以确保用户在逃生过程中的安全性. 对可通行路线中每个网格的可行性判断如下：计算起点到该网格所用时长T，T取决于逃生时使用的交通工具，然后提取该网格点未来T时间内的洪水演进数据，以此判断该条路线是否存有在前进路上遭遇洪水淹没的风险.

依次对可通行路线进行可行性判断，满足可行性要求的最短路径即为当前时刻下该逃生人员的最佳应急转移路线，然后将该路线信息传送给逃生人员就可以为避洪转移提供路线和导航.

3 实例应用

3.1 工程概况

甲市地貌以丘陵岗地为主，总面积超过1 万km2，截至2019 年底，全市常住人口达818.9 万人，其中城镇人口占比76%. 甲市共有两座城市型水库，Ⅰ、Ⅱ水库均位于B 区，为城市提供防洪和供水功能，同时兼顾生态补水功能. 两座水库均为均质土坝，Ⅰ水库主坝坝顶高程36.00 m，最大坝高26.0 m，总库容2.42 亿m3. Ⅱ水库主坝坝顶高程34.00 m，最大坝高24.5 m，总库容1.77 亿m3.城区区划与市区水系情况如图5所示.

图5 甲市城区区划及水系分布Fig.5 Urban division and water system distribution of city A

3.2 溃坝洪水演进模拟结果

本文演进模拟基于最危险工况，即遭遇PMF 洪水，水库初始水位为汛限水位28.00 m，入库流量为PMF 洪水过程，水库按照防洪调度原则进行泄洪，当坝前水位到达最高水位时，Ⅰ、Ⅱ水库主坝同时发生管涌溃坝. 采用BREACH模型计算溃口洪水，获得溃坝洪水总流量为49 753.64 万m3/s，以此作为边界条件进行溃坝洪水演进分析.

采用MIKE21软件进行洪水演进模拟，计算总时长为15.75 h，图6为自溃坝开始后第1 h、2 h、5 h、14 h时的洪水演进模拟结果. 洪水演进速度极快，洪水主体于3 h时流经城区东门，于5 h时东门以上河道洪水开始向两岸蔓延，并同时继续向下游演进. 淹没城市总面积达127.63 km2，淹没道路长度达188.06 km.

图6 溃坝洪水演进模拟结果Fig.6 Simulation results of dam-break flood evolution

根据前文介绍的演进结果网格化方法，将洪水信息网格化处理，本次研究网格划分的参数设定为361 m2（19 m×19 m），淹没范围网格化处理结果见图7. 本次溃坝洪水演进的模拟时长为15.75 h，以5 min为间隔对洪水演进过程共提取189份洪水信息.

图7 淹没范围的网格化Fig.7 Meshing of the submerged area

3.3 可通行路网

以甲市部分区域为例，该区域河段有一座横跨两岸的桥梁及沿岸公路，溃坝洪水在演进过程中通过该河段，其卫星拍摄实景见图8.

图8 某区域的卫星实景图Fig.8 Satellite real picture of a certain area

在网格信息处理中，道路网格单元为黄色，非道路网格单元设定为透明网格. 在上游出现洪水险情后的15 min 时该段河道流量增大；20 min 时河道流量进一步增大，水位抬高并向两岸堤防漫延；25 min时水位过高，洪水漫过部分道路，通行堤岸段道路会发生危险；30 min 时洪水继续扩散，淹没整段道路并流向非道路区域. 根据该洪水演进信息并按照图3 绘制流程完成了该区域路网信息的绘制，部分绘制结果如图9 所示. 在T=15 min 时，桥梁段的网格单元提取到洪水层的淹没信息，但桥梁网格可以正常通行，道路正常绘制；在T=20 min 时，洪水水位抬高并向堤岸漫延，但仍未影响道路网格单元，因此道路正常绘制；当T=25 min时，洪水水位已高过堤岸段，此时堤岸两侧道路读取到洪水淹没信息，将该网格单元设置为不可通行，并搜索同组网格单元，将整条路线进行封闭，改为透明网格；而当T=25 min 时，洪水进一步扩散，但是其他道路网格单元未受影响，因而道路绘制情况未发生变化.

图9 洪水演进过程中路网信息绘制结果Fig.9 Drawing results of road network information in flood routing process

3.4 确定实时应急转移路线

以甲市某居民区为例，该居民区临近河道，并处于洪水淹没范围内. 根据洪水演进分析结果，险情发生后T=45 min时，洪水漫过堤岸，并且淹没部分居民区区域；T=60 min时，大量洪水漫过堤岸，该居民小区内超过一半面积被淹没；T=75 min时洪水险情更为严重，整个居民小区均被洪水影响，因此该区域居民应在险情发生后尽快撤离到安置点. 根据图4所示流程图完成该区域动态应急路线的绘制，部分结果见图10.

图10 应急转移路线功能演示Fig.10 Emergency diversion route function demonstration

图中以棕黄色表示可通行道路，文字呈亮黄色的道路为应急转移路线，该居民区共有3条可通行道路通往安置点，分别为“1-2-3”“4-5-6”“7-8-9-0-5-6”. 在T=30 min与T=45 min时，洪水未影响“1-2-3”道路，判定“1-2-3”道路作为应急转移路线；当T=60 min时，洪水淹没1号路段的部分网格，将“1-2-3”道路隐去，判定“4-5-6”道路作为应急转移路线；当T=75 min时，4号路段部分网格被洪水淹没，判定“7-8-9-0-5-6”道路作为后续事件内的应急转移路线.

4 结论

1）采用MIKE21软件进行了甲市溃坝洪水的演进模拟，得到最危险工况下溃坝洪水的演进过程，淹没城市总面积达127.63 km2，并将计算结果以网格化形式重新储存和读取.

2）基于洪水演进计算结果，设计了应急转移路线层中道路网格单元的信息储存机制，提出了路网信息的判别和绘制流程，制定了动态应急转移路线的确定方法及判别流程，实现了溃坝洪水应急转移路线实时绘制和动态化调整，并应用于工程实例.

3）应急转移路线的科学制定是一个多因素、多尺度的综合问题，本文中目前仅考虑路径最短和淹没洪水两个因素下的动态寻优，如何考虑交通堵塞程度、道路平坦程度等复杂实景因素作用下实现应急转移路线最优解，还需要进一步研究.