基于非恒定流實(shí)時(shí)計(jì)算模型的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)研究

孟波波 高錫明 張波 劉偉

關(guān)鍵詞：洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；非恒定流理論；水動(dòng)力學(xué)模型；預(yù)見期

1引言

我國(guó)從2004年開始，國(guó)家防辦啟動(dòng)了全國(guó)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制試點(diǎn)工作，于2005～2007年、2008～2010年、2011—2012年分別開展了試點(diǎn)區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)編制工作，2013～2015年在全國(guó)開展了重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制工作，為我國(guó)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的繪制和洪水風(fēng)險(xiǎn)管理探索出了經(jīng)驗(yàn)、理論和方法。

通過內(nèi)業(yè)資料的整理，外業(yè)資料的調(diào)查和勘測(cè)，全面收集并整理基礎(chǔ)資料。以洪水來(lái)源分析、洪水組合和洪水遭遇分析為基礎(chǔ)，制定實(shí)際的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制計(jì)算方案。基于水動(dòng)力學(xué)方法建立編制區(qū)域的洪水分析模型，并利用典型的歷史洪水資料對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。利用驗(yàn)證后的模型開展計(jì)算方案的分析計(jì)算。同時(shí)，基于洪水影響評(píng)估軟件，采用損失率法評(píng)估區(qū)域洪災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)所有計(jì)算方案的洪水影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。然后，結(jié)合GIS實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理與分析，包括淹沒分析，受災(zāi)分析，重要設(shè)施分析等功能：實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)繪制與分析，利用水文站實(shí)時(shí)水位或者預(yù)報(bào)水位實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)繪制：通過GIS平臺(tái)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)可視化展示，并存儲(chǔ)計(jì)算過程結(jié)果。

2核心需求分析

（1）基于地理信息系統(tǒng)建設(shè)地理信息空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，建立骨干河道及排水干管的拓?fù)潢P(guān)系，涉及管網(wǎng)系統(tǒng)、河道、泵閘等各種排水單元。

（2）建立區(qū)域骨干河道和排水干管的整體水動(dòng)力數(shù)值模擬模型，分析不同排水分區(qū)內(nèi)水流的蓄泄方式，以掌握區(qū)內(nèi)暴雨洪水的整體流態(tài)。

（3）綜合應(yīng)用產(chǎn)流模型、匯流模型和管網(wǎng)水動(dòng)力模型、河道洪水演進(jìn)模型、閘泵調(diào)度模型、地表淹水漫溢模型，并結(jié)合防汛應(yīng)急除澇措施，構(gòu)建區(qū)域整體排水防澇預(yù)警分析模型。

（4）基于排水防澇預(yù)警分析模型，提供實(shí)時(shí)暴雨計(jì)算、暴雨演進(jìn)模擬、最大淹沒范圍、淹沒區(qū)域分析、到達(dá)時(shí)間統(tǒng)計(jì)、淹沒歷時(shí)統(tǒng)計(jì)、空間災(zāi)情分析、剖面分析等系統(tǒng)功能。

（5）針對(duì)不同重現(xiàn)期（1a（1年一遇），2a（2年一遇），Sa（5年一遇）等）的暴雨及多種應(yīng)急情況，以匯水區(qū)域?yàn)閱卧治鼋涤戤a(chǎn)流、匯流、排水過程，并結(jié)合歷史積水情況，分析重點(diǎn)地區(qū)的積水過程。

3系統(tǒng)建設(shè)方案

3.1建設(shè)目標(biāo)、內(nèi)容

通過對(duì)可能發(fā)生的超標(biāo)準(zhǔn)洪水的洪水演進(jìn)路線、到達(dá)時(shí)間、淹沒水深、淹沒范圍及流速大小等過程特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，以標(biāo)識(shí)區(qū)域內(nèi)各處受洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)程度，有效應(yīng)對(duì)隨機(jī)性、持續(xù)性、難以預(yù)測(cè)性的洪澇災(zāi)害。根據(jù)實(shí)時(shí)水雨工情及水雨情勢(shì)進(jìn)行實(shí)日寸動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理及應(yīng)用，在應(yīng)用中隨洪水發(fā)展情勢(shì)可動(dòng)態(tài)修正計(jì)算條件，實(shí)現(xiàn)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制及管理，動(dòng)態(tài)模擬預(yù)報(bào)河道行洪、控制點(diǎn)及低洼地積水情形，動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)城市受災(zāi)情況，以提高洪澇災(zāi)害預(yù)見期，有關(guān)部門可據(jù)此制定更為科學(xué)更為合理的應(yīng)急避洪轉(zhuǎn)移決策。

3.2業(yè)務(wù)邏輯框架

在數(shù)據(jù)采集完善的基礎(chǔ)上，應(yīng)用水文學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)等，建設(shè)區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)地理信息空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，以開發(fā)區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)仿真模擬模型，經(jīng)過實(shí)踐及不斷調(diào)試，使模型具備預(yù)案模擬功能、應(yīng)急預(yù)報(bào)調(diào)度功能以及實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警功能，從而最大限度地發(fā)揮該模型的作用，為區(qū)域防汛指揮提供智能服務(wù)，為區(qū)域防洪除澇提供預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)支撐。模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3開發(fā)技術(shù)路線

系統(tǒng)分為風(fēng)險(xiǎn)圖制作和風(fēng)險(xiǎn)圖管理2個(gè)部分，總體技術(shù)路線如圖2所示。

3.4軟件系統(tǒng)建設(shè)

系統(tǒng)建設(shè)原則：嚴(yán)格遵照《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則附錄》和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求進(jìn)行。在設(shè)計(jì)階段對(duì)類似的軟件產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行全面細(xì)致的研究并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并基于此對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)；在開發(fā)階段先對(duì)項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行預(yù)研，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)和算法的掌握，并基于此研究并確定項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，提出算法實(shí)現(xiàn)[1]。在開發(fā)階段重視項(xiàng)目的測(cè)試工作，嚴(yán)格按照CMMI的要求進(jìn)行軟件開發(fā)流程的管理，并且在系統(tǒng)開發(fā)后期采用實(shí)際應(yīng)用來(lái)檢驗(yàn)。

綜合數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)：洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理需要大量各類相關(guān)信息，其中主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水利數(shù)據(jù)、水文特征值數(shù)據(jù)、陸地的地形數(shù)據(jù)等，如用于模型設(shè)計(jì)的高分辨率的水下地形數(shù)據(jù)、用于損失統(tǒng)計(jì)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、用于虛擬現(xiàn)實(shí)的各類建筑模型數(shù)據(jù)、用于計(jì)算的網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)、用于洪水仿真的計(jì)算過程數(shù)據(jù)和風(fēng)險(xiǎn)圖結(jié)果數(shù)據(jù)[2]。這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)開發(fā)過程中將由專題綜合數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)更新、維護(hù)以及日常管理，主要管理對(duì)象包括矢量數(shù)據(jù)庫(kù)、柵格數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、元數(shù)據(jù)庫(kù)等，從而為風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持與保障，涉及的數(shù)據(jù)庫(kù)分類如下：（1）實(shí)時(shí)水雨情；（2）水利工情；（3）水利基礎(chǔ)信息；（4）空間地理信息；（5）計(jì)算過程和結(jié)果。

系統(tǒng)總體開發(fā)框架：采用J2EE技術(shù)，并綜合應(yīng)用Spring，Struts，Hibernate，xFire，GIS等成熟的J2EE的技術(shù)框架和應(yīng)用組件，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)輕量級(jí)的J2EE多層架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)，其既能充分利用Java/J2EE技術(shù)的優(yōu)越性，又降低了對(duì)系統(tǒng)硬件資源的要求。系統(tǒng)邏輯上由系統(tǒng)支撐層——綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)應(yīng)用層——數(shù)學(xué)模型、人機(jī)交互層——GIS應(yīng)用系統(tǒng)3部分組成。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)提供空間定位基礎(chǔ)及相關(guān)信息；數(shù)學(xué)模型對(duì)洪澇災(zāi)害提供來(lái)水過程計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬洪水淹沒過程、災(zāi)情統(tǒng)計(jì)；GIS應(yīng)用則面向用戶，提供信息查詢、模型結(jié)果可視化和信息管理等功能。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

軟件功能主要實(shí)現(xiàn)如下。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢：在地圖上標(biāo)注出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)，用戶可通過勾選數(shù)據(jù)類型來(lái)控制是否顯示該類型。系統(tǒng)可根據(jù)類型、名稱查詢數(shù)據(jù)點(diǎn)，在選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)后地圖中心定位到該對(duì)象，且顯示對(duì)象的詳細(xì)信息。

（2）臺(tái)風(fēng)信息查詢：系統(tǒng)提供西太平洋區(qū)域臺(tái)風(fēng)信息的查看功能。

（3）水雨情信息：包括實(shí)日寸雨情、實(shí)時(shí)水情信息的地圖展示功能。

（4）實(shí)時(shí)暴雨計(jì)算：使用暴雨洪澇數(shù)值模擬模型，針對(duì)不同的初始條件、邊界條件和降雨量數(shù)據(jù)（降雨量數(shù)據(jù)可以人工輸入，也可以通過接口直接調(diào)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)降雨數(shù)據(jù)），實(shí)時(shí)計(jì)算一場(chǎng)暴雨下區(qū)域內(nèi)重要排水單元每個(gè)時(shí)刻的實(shí)時(shí)水位和流量。

（5）暴雨演進(jìn)模擬：基于實(shí)時(shí)暴雨計(jì)算結(jié)果，動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)暴雨過程，按時(shí)刻顯示淹水漫溢的地點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)受淹范圍內(nèi)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象（如學(xué)校、醫(yī)院等）。

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

（7）淹沒區(qū)域分析：基于最大積水范圍，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)不同淹沒深度下的區(qū)域面積，并計(jì)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(zāi)情分析：在淹沒區(qū)域內(nèi)劃定一片空間區(qū)域，列出受淹范圍內(nèi)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象（如學(xué)校、醫(yī)院等），同時(shí)統(tǒng)計(jì)劃定區(qū)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(jù)場(chǎng)次洪水每個(gè)網(wǎng)格淹沒的深度繪制淹沒水深圖。系統(tǒng)提取出場(chǎng)次洪水整個(gè)過程中每個(gè)網(wǎng)格最大的淹沒深度值，并將其作為網(wǎng)格的淹沒值，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格最大淹沒深度值設(shè)置每個(gè)網(wǎng)格的顏色，從而繪制出淹沒水深圖。

（10）淹沒歷時(shí)圖：根據(jù)場(chǎng)次洪水每個(gè)網(wǎng)格開始被淹沒到結(jié)束淹沒的時(shí)間段繪制出淹沒歷時(shí)圖。系統(tǒng)計(jì)算出場(chǎng)次洪水整個(gè)過程中每個(gè)網(wǎng)格開始被淹沒到結(jié)束淹沒的時(shí)間段值，并將其作為網(wǎng)格的淹沒歷時(shí)值，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格到淹沒歷時(shí)值設(shè)置每個(gè)網(wǎng)格的顏色，從而繪制出淹沒歷時(shí)圖。

（11）到達(dá)時(shí)間圖：根據(jù)場(chǎng)次洪水每個(gè)網(wǎng)格開始被淹沒的時(shí)間繪制到達(dá)時(shí)間圖。系統(tǒng)提取出場(chǎng)次洪水整個(gè)過程中每個(gè)網(wǎng)格開始被淹沒的時(shí)間值，并將其作為網(wǎng)格的到達(dá)時(shí)間值，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格到達(dá)時(shí)間值設(shè)置每個(gè)網(wǎng)格的顏色，從而繪制出到達(dá)時(shí)間圖。

（12）剖面分析：通過繪制剖面線來(lái)查看剖面底高程及水位線。

（13）方案對(duì)比：對(duì)比任意兩場(chǎng)次洪水的淹沒水深圖、淹沒歷時(shí)圖、到達(dá)時(shí)間圖。

（14）流域洪水展示：動(dòng)態(tài)模擬風(fēng)險(xiǎn)圖某個(gè)方案的洪水演進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)圖區(qū)域被劃分成若干個(gè)網(wǎng)格，水深圖中系統(tǒng)通過給網(wǎng)格設(shè)置不同的顏色來(lái)區(qū)分網(wǎng)格淹沒的深度，流速圖中系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)格的流速與流向在網(wǎng)格中繪制出流速箭頭。系統(tǒng)可從所選時(shí)段開始播放，直到最后一個(gè)時(shí)段結(jié)束，播放過程中可暫停。

（15）一維河道展示：動(dòng)態(tài)模擬一維河道風(fēng)險(xiǎn)圖某個(gè)方案的水位流量演進(jìn)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(tǒng)根據(jù)用戶選擇的河道和時(shí)段，播放所選時(shí)段至最后一個(gè)時(shí)段的沿程水位變化線。水位流量過程線：系統(tǒng)根據(jù)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(shí)時(shí)計(jì)算：包括流域洪水實(shí)時(shí)計(jì)算和一維河道實(shí)時(shí)計(jì)算，分別設(shè)置對(duì)應(yīng)計(jì)算模型需要的計(jì)算參數(shù)，包括基本參數(shù)設(shè)置、邊界條件設(shè)置，然后調(diào)用計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。

（17）動(dòng)態(tài)潰口設(shè)置：當(dāng)?shù)谭赖碾U(xiǎn)工險(xiǎn)情段發(fā)生突發(fā)性的潰堤時(shí)，可以在堤防處任選一處作為臨時(shí)突發(fā)潰口，可以對(duì)潰口流量、起潰時(shí)間等進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后可以調(diào)用模型進(jìn)行計(jì)算。

（18）邊界條件設(shè)置：將致災(zāi)因子和突發(fā)潰口設(shè)置為模型的計(jì)算邊界條件，根據(jù)邊界條件進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬計(jì)算。

（19）展示河道設(shè)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(shè)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(guān)注點(diǎn)管理：可以設(shè)置感興趣的學(xué)校、醫(yī)院等作為關(guān)注點(diǎn)，在暴雨淹沒過程中，可以實(shí)時(shí)查看關(guān)注點(diǎn)的淹沒情況，以折線圖的形式展示關(guān)注點(diǎn)的淹沒趨勢(shì)。

（22）洪水方案管理：將不同計(jì)算方案的結(jié)果和相應(yīng)元數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以供用戶快速調(diào)用，可以在地圖模式下進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算結(jié)果的分析、查詢等操作。

（23）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：包括數(shù)據(jù)類型的添加、修改、刪除以及具體數(shù)據(jù)的導(dǎo)人和編輯。

4結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)成功應(yīng)用于泗陽(yáng)、椒北平原、錢塘江（衢江）流域、衢州、東苕溪流域等地區(qū)，其具有較強(qiáng)普適性的基于非恒定流實(shí)時(shí)計(jì)算模型的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理信息系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)樗L(fēng)險(xiǎn)圖進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)繪制及管理，動(dòng)態(tài)模擬預(yù)報(bào)河道行洪、控制點(diǎn)及低洼地積水情形，以及動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)城市受災(zāi)情況，以把握區(qū)域的洪水風(fēng)險(xiǎn)信息和洪水風(fēng)險(xiǎn)程度總體分布，從而大幅增加洪澇災(zāi)害預(yù)見期。有關(guān)部門可據(jù)此制定更為科學(xué)、合理的應(yīng)急避洪轉(zhuǎn)移決策，以加強(qiáng)民生保障，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，從而提升區(qū)域防洪應(yīng)急管理能力和水平，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。