基于GIS與平臺模擬水庫大壩的災害應急響應研究

(梅州市大埔縣移民工作局，廣東 梅州 514299)

隨著極端天氣發生次數的增加，如何控制大壩洪水以及如何在面臨潰壩風險的情況下作出正確及時的應對措施，是大壩安全管理決策者考慮的重要內容。潰壩將造成下游庫區人民群眾嚴重的生命財產損失，給社會和生態環境帶來巨大災害。面對自然災害的處理處置，關鍵在于作出正確的應變。然而，由于應急處置措施所涉及的環境、地形及洪水演變過程復雜，很難作出科學及時的處理處置措施。

專家決策傳統災害應急響應方式的可靠性依賴于決策者的經驗和對洪水災害的認識。因此，近年來，已經開展了大量研究來幫助決策者作出合理決策。諸如大壩疏散與實踐研究，小型水庫潰壩預測專家系統的設計與實施，計算和驗證瞬時潰壩最大流量，為潰壩決策提供理論和技術支持等。然而，在洪水等緊急情況下，仍需要一個完整而準確的“環境—地形—人群”信息。

利用GIS、Terra Vista和MultiGen Creator平臺對大壩、庫區、洪水及相應的環境因素進行數字化處理。利用DEM和疏散模型對洪水演變，災區和退避路徑進行計算和仿真，并根據決策思路對該方案進行驗證，為大壩災害的響應提供科學決策依據。

1 大壩數字化建模

Terra Vista軟件用于系統開發中的地形建模。MultiGen Creator 3用于集線器主樓，模型采用Open Flight格式，數據庫采用Sql服務器，3D虛擬平臺采用ArcGIS。

1.1 3D地形生成

地形存儲在數字高程模型DEM(數字高程模型)格式中。DEM是地面模型，用有序的數值陣列表示地面高程。DEM是數字地形模型(數字地形模型，DTM)的一個分支，所有其他地形特征都可以從中導出。DTM是各種地貌因素(包括坡度，坡度方向，坡度變化率等)的線性和非線性組合的空間分布，其中DEM是零級的簡單單一數字地貌模型，其他地貌特征如斜率、斜率方向和斜率變化率可以從DEM導出。

為了模擬地形的綜合信息，只有地形信息是不夠的，需要植被和河流等圖像數據，圖像通過谷歌地圖下載，分辨率精度為90m。遙感圖像以TIFF格式保存。地形模型與模型精度和計算機渲染能力之間存在矛盾。地形需要分區，LOD決定了Terra Vista的生成精度。儲層區域可用作較小的LOD。

1.2 樞紐建筑數字化

MultiGen Creator軟件用于中心建筑的建模。由此生成的文件OpenFlight是主流場景數據文件，OpenFlight使用樹結構來保存三維圖像。樹結構由許多不同類型的節點組成，可使后期建筑物的交互式編程相對容易。模型結構見圖1。

圖1 OpenFlight結構示意

建模過程是提取繪圖信息并建立三維模型。建立模型有三個步驟：提取繪圖信息；建立三維模型；使用紋理進行貼圖，可提高模型的保真度。建立模型時，在滿足顯示效果的前提下盡量減少面數。大壩樞紐模型見圖2。

圖2 石壩模型示意

1.3 建立計算模型

為了實現平面或三維計算，需要首先數字化相應的結構，包括結構分區、區域參數分配和邊界信息。使用時，調用相應的計算方法和數字結構進行計算。巖心壩的應力和應變計算的數字結構模型見圖3。

1.4 存儲數字數據

SQL sever 2008負責保存所有數字信息，實現的方法是從其他平臺導入并直接建立。直接導入是針對不需要轉換的數據，如集線器構建的屬性、監視儀器信息、監視數據以及物理和機械參數。工程特征的數字保存格式見表1，測量值的數字保存格式見表2。

圖3 巖心壩應力應變數字結構模型

表1 工程特性的數字存儲格式

表2 測量值的數字存儲格式

1.5 GIS的數字集成

地理信息系統(GIS)是一種在20世紀60年代整合了計算機、地理和信息學的技術系統。與傳統的可視化引擎相比，GIS在空間查詢、空間分析和空間計算方面具有更多優勢。GIS主要負責地形和建筑圖像的整合，并結合C#語言，利用DEM實現空間信息與數據庫信息的相互通信。

DEM是使用規則或不規則多邊形來擬合表面空間對象的表面，主要用于描述數字高程表面。根據多邊形的形狀，DEM可以分為網絡模型和不規則三角網絡模型兩種類型。與柵格模型類似，空間對象直接由表面或空間枚舉表示。通常，網格模型的每個像素或像素的中心點表示特定區域內的空間對象或實體的幾何特征，并且網格模型通常表示在與行和列的交點附近對象或實體的空間幾何屬性。GIS可視化集成圖見圖4。

圖4 GIS可視化集成圖

2 視覺分析模塊

可視化分析模塊主要基于GIS平臺，具有空間數據采集、存儲、顯示、編輯、處理、分析、輸出、顯示和應用的功能。目前，該系統可實現洪水演進模擬、視覺查詢和應急預案驗證等功能。

2.1 洪水演變的可視化

有兩種方法來模擬導致潰壩的洪水，即瞬間潰壩和逐漸潰壩。利用Mike21軟件計算了潰壩洪水的數值模擬，利用DTM提供的技術可以實現結果數據的可視化。DTM技術可以將區域水深、洪水到達時間、洪水淹沒持續時間等信息添加到GIS中，仿真圖見圖5。

圖5 模擬洪水演變過程

2.2 查詢信息可視化

在GIS模型中，可以通過點和區域的集中來實現信息和視覺查詢。設置與信息對應的點空間與空間的觸發事件。當事件發生時，信息與數據庫相關聯，從而實現信息的視覺查詢。三維查詢見圖6。

圖6 三維信息查詢

2.3 驗證應急計劃

應急計劃有效性的一個重要因素是，擬議的方案是否能夠保護下游人員在洪水到來之前撤離到安全地點。在選擇方案時，安全點和疏散路線的選擇以及應急設施的分配較復雜。傳統方法由專家和工程師的經驗來判斷，一旦判斷出錯，或忽略一些細節將導致不可估量的損失。在這方面，利用GIS空間分析功能可以實現最佳的應急路徑選擇。

根據洪水演變模擬，標記下游區域的淹沒時間，然后計算下游人員從接到緊急指令到轉移到安全區域的疏散時間，如式(1)～(4)所示。

t(i,j)=L(i,j)/V(i,j)

(1)

(2)

式中L(i，j)——i到j截面的長度,m；

V(i，j)——實際行駛速度,m/s；

v0——沒有交通堵塞時車輛和行走的可能速度,m/s；

B(i，j)——該部分的交通系數；

Jm——道路擁堵和擁堵密度；當道路沒有擁擠時，在根式之前取正號；當道路處于擁擠狀態時，在根式之前取負號。

考慮到混合交通和道路交通容量，可以根據vs的實際速度來校正交通容量v0：

v0=γρvs

(3)

式中γ——混合交通狀況的減少因子；

ρ——車道寬度的影響系數。

道路擁堵密度Jm的計算公式如下：

Jm=γα×1000n/(L+L0)

(4)

式中α——影響交叉影響的校正因子；

n——單向車道的數量；

L——車身的平均長度,m；

L0——交通擁堵的平均清晰距離,m。

在GIS系統中輸入每個區域的人員信息，并根據物質資源信息輸入每個部分的速度。GIS可以計算到達安全區域的時間。如果疏散時間小于洪水到達時間，則該計劃是可行的，否則應再次搜索有效路徑。GIS中的ARC /INFO模塊可以提供最佳路徑選擇，可根據起始標點符號和路徑條件搜索到達目的地的最短路徑。

3 結 語

在GIS、Terra Vista和MultiGen Creator平臺的幫助下，將高精度大壩、庫區和洪水數字化信息，通過SQL服務器數據庫的空間集成提供大壩變形，庫區和材料的洪水響應所需的信息。GIS可以實現高精度洪水演進仿真，可以更準確地計算洪水損失和隨時間推移的淹沒狀態分析。

在數字水庫大壩模型系統的基礎上，結合環境，物料和人員三要素信息的相互作用，綜合分析洪水流量系統和生命損失統計，尋找最佳撤離路徑。同時，該方案可以根據決策的改進進行驗證，為大壩災害應對的決策提供科學的分析方法。