環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)支持下的城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理

湯江平， 嚴(yán)軍， 劉玉明

（湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊(duì)）

1 引言

水文災(zāi)害作為重要的生態(tài)災(zāi)害，是城市安全的威脅因素，其具有突發(fā)性強(qiáng)、波及面大、防護(hù)與管控難度大等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響城市的經(jīng)濟(jì)、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(yīng)加劇的大背景下，城市水文災(zāi)害的發(fā)生頻次增加、災(zāi)害持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)、災(zāi)情規(guī)模與災(zāi)害波及面擴(kuò)大，威脅城市民眾的正常工作生活以及生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。當(dāng)前，常見的水文災(zāi)害類型包括洪水災(zāi)害、冰雹災(zāi)害、霜凍災(zāi)害、干旱災(zāi)害以及水文災(zāi)害引起的次生地質(zhì)災(zāi)害如泥石流等，其災(zāi)害成因復(fù)雜，如洪水災(zāi)害的成因包括短時(shí)間強(qiáng)降雨、融雪或冰川湖突發(fā)，泥石流災(zāi)害則是由突發(fā)性強(qiáng)降雨裹挾著大量碎石泥砂形成的具有高強(qiáng)度破壞力的洪流。因此，水文災(zāi)害并非在單一的環(huán)境條件或形成機(jī)制下衍生，而是在地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文條件、氣候條件以及人類活動(dòng)等因素的綜合、復(fù)雜影響下形成的災(zāi)害。

2 環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)

2.1 環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)概述

環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一為信息的集成性，環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)地理數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)相互獨(dú)立的信息孤島現(xiàn)象，將水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、地下水位水質(zhì)流量數(shù)據(jù)、巖土體出露與埋藏?cái)?shù)據(jù)、地面沉降數(shù)據(jù)、地形地貌數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)、氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)等統(tǒng)籌到同一個(gè)系統(tǒng)中加以管理，在同一套數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)環(huán)境地質(zhì)信息的收集、管理與動(dòng)態(tài)更新，進(jìn)一步提升了環(huán)境地質(zhì)信息之間的聯(lián)動(dòng)性[2]。二是應(yīng)用的多樣性，在環(huán)境地質(zhì)信息標(biāo)準(zhǔn)化管理與高度集成的支持下，水文地質(zhì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、科學(xué)分析得以實(shí)現(xiàn)，管理人員可以利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)查詢歷史環(huán)境地質(zhì)信息，預(yù)測(cè)未來一定時(shí)期內(nèi)的數(shù)據(jù)變化，輔助城市空間規(guī)劃、給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及城市功能分區(qū)與細(xì)部設(shè)計(jì)，為城市規(guī)劃建設(shè)與管理提供了多樣化的應(yīng)用支持。

2.2 環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)的體系架構(gòu)包括三個(gè)層，最底層為數(shù)據(jù)采集層，利用各類傳感器與探測(cè)儀對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集，例如氣象數(shù)據(jù)包括氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)，可接入目標(biāo)區(qū)域的氣象站動(dòng)態(tài)獲取氣象數(shù)據(jù)；地質(zhì)數(shù)據(jù)可對(duì)當(dāng)?shù)卮蟊壤叩刭|(zhì)圖進(jìn)行數(shù)字化，并利用地質(zhì)探測(cè)儀對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造類型、巖土體性質(zhì)等進(jìn)行采集；植被數(shù)據(jù)與土壤數(shù)據(jù)可對(duì)接當(dāng)?shù)刈匀毁Y源管理部門獲取土地利用類型空間分布數(shù)據(jù)；水文數(shù)據(jù)可通過水位監(jiān)測(cè)儀或水位觀測(cè)設(shè)備對(duì)地表水、地下水水位進(jìn)行采集，通過流量?jī)x采集河流流速數(shù)據(jù)等[3]。中間層為數(shù)據(jù)組織與管理層，通過對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有采集環(huán)境地質(zhì)信息的高效組織與統(tǒng)一管理，在環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)中集中呈現(xiàn)各類數(shù)據(jù)、最上層為數(shù)據(jù)應(yīng)用層，在數(shù)據(jù)組織與管理層的基礎(chǔ)上，通過對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、挖掘、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的深層次應(yīng)用，為區(qū)域科學(xué)管理提供決策支持。

2.2.2 數(shù)據(jù)接入與組織設(shè)計(jì)

環(huán)境地質(zhì)信息包括現(xiàn)有數(shù)據(jù)（如大比例尺地質(zhì)圖、地形圖等）以及需要?jiǎng)討B(tài)采集的數(shù)據(jù)（如氣象數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)等）。對(duì)于動(dòng)態(tài)采集的環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)，需利用傳感器或探測(cè)儀對(duì)氣象、水文進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)與數(shù)據(jù)采集，并依托通訊網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行組織與管理[4]。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心還需對(duì)接目標(biāo)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集站，如氣象站、水文站等，通過接口設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)解析將氣象站、水文站采集的數(shù)據(jù)直接讀取并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)氣象水文數(shù)據(jù)的同步傳送與更新[5]。

2.3 環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)功能

環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能為系統(tǒng)的通用性功能，用于為其他專業(yè)性應(yīng)用提供基礎(chǔ)功能，包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)出圖等。在數(shù)據(jù)查詢方面，管理人員可利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)查詢一定時(shí)期內(nèi)的特定數(shù)據(jù)，支持查詢數(shù)據(jù)導(dǎo)出與數(shù)據(jù)趨勢(shì)線分析等應(yīng)用，更為直觀、可視地展現(xiàn)環(huán)境地質(zhì)信息。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面，管理人員可利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、推斷性統(tǒng)計(jì)等，從環(huán)境地質(zhì)信息中統(tǒng)計(jì)出數(shù)據(jù)一般性規(guī)律與空間分布規(guī)律[6]。在數(shù)據(jù)分析方面，管理人員可利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘模塊對(duì)環(huán)境地質(zhì)信息進(jìn)行挖掘分析，如利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法或深度學(xué)習(xí)算法對(duì)環(huán)境地質(zhì)信息在未來一段時(shí)間的演變情況進(jìn)行量化分析，包括城市水文風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與評(píng)估、城市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等。在數(shù)據(jù)出圖方面，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析的結(jié)果運(yùn)用GIS 技術(shù)進(jìn)行空間化表達(dá)，通過二維平面或三維模型準(zhǔn)確刻畫環(huán)境地質(zhì)信息及其深度應(yīng)用結(jié)果。

3 環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)在城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理中的應(yīng)用

3.1 城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可從災(zāi)體危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性、城市防災(zāi)減災(zāi)能力等層面進(jìn)行綜合評(píng)估。其中，災(zāi)體危險(xiǎn)性與孕災(zāi)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(shí)期的水文條件，承災(zāi)體易損性與城市防災(zāi)減災(zāi)能力則取決于城市居民的防災(zāi)減災(zāi)意識(shí)、防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急能力以及城市的應(yīng)急救援能力等。城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)在城市水文管理中的重要應(yīng)用，主要用于對(duì)災(zāi)體危險(xiǎn)性與孕災(zāi)環(huán)境敏感性進(jìn)行科學(xué)分析與評(píng)估。

1）城市水文風(fēng)險(xiǎn)影響因素

在城市水文風(fēng)險(xiǎn)影響因素選擇時(shí)，管理人員應(yīng)科學(xué)考量目標(biāo)區(qū)域的水文災(zāi)害成因以及地方特殊性氣候條件與人類活動(dòng)選擇的影響因素。例如，在季風(fēng)性氣候地區(qū)，可選擇降水、洼地深度、河網(wǎng)密度、植被覆蓋度、人口密度、地均GDP、道路密度、管網(wǎng)排澇能力、避難場(chǎng)所密度等作為城市水文風(fēng)險(xiǎn)影響因素。其中降水、洼地深度、河網(wǎng)密度、植被覆蓋度、管網(wǎng)排澇能力、道路密度等數(shù)據(jù)均可來源于環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)[7]，例如降水?dāng)?shù)據(jù)可從環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)中獲取各氣象站的降水量數(shù)據(jù)，經(jīng)空間插值法得到目標(biāo)區(qū)域的降水空間分布數(shù)據(jù)；管網(wǎng)排澇能力數(shù)據(jù)可利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)的核密度分析法以及GIS空間分析法對(duì)窨井蓋和雨篦的空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到窨井蓋與雨篦的空間分布密度數(shù)據(jù)，作為目標(biāo)區(qū)域的管網(wǎng)排澇能力數(shù)據(jù)；洼地深度數(shù)據(jù)則利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)中的水文分析功能模塊對(duì)目標(biāo)區(qū)域的DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行水流方向分析、分水嶺分析、區(qū)域統(tǒng)計(jì)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(shù)據(jù)；河網(wǎng)密度數(shù)據(jù)則是在環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)的河流與湖泊空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用密度分析功能模塊計(jì)算并生成河網(wǎng)密度空間分布數(shù)據(jù)；植被覆蓋度數(shù)據(jù)利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)中的遙感影像數(shù)據(jù)提取出NDVI，用于表征目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度。

2）城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法眾多，隨著數(shù)據(jù)獲取方式的多樣化以及計(jì)算機(jī)處理性能的提升，城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法由最初的定性評(píng)估法，發(fā)展到后期的定量評(píng)估法、模型預(yù)測(cè)法。以洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為例，早期的城市洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估大多依賴專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，專家通過對(duì)研究區(qū)域自然環(huán)境、地質(zhì)條件、排水能力、應(yīng)急救援能力的綜合研判，主觀分析出城市的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[8]。GIS技術(shù)、遙感技術(shù)與傳感器技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)據(jù)獲取的效率大幅度提升，為環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)的建設(shè)提供了海量動(dòng)態(tài)的環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)，為主成分分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、分類決策樹等定量方法在城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)與技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前，大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等也廣泛應(yīng)用于城市水文風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，依托環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)中高度集成的水文信息、地質(zhì)信息、地形地貌信息、氣象信息、植被信息等快速進(jìn)行一定氣象條件下的城市下墊面洪水模擬與積水分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市水文風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與精準(zhǔn)評(píng)估。

3.2 城市水文風(fēng)險(xiǎn)管理

1）提供可視化信息服務(wù)

防汛信息主要包括氣象信息、河道信息、降雨預(yù)報(bào)、險(xiǎn)情預(yù)警等信息，利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)能夠?qū)⑦@些具有時(shí)空特征的防洪抗洪信息進(jìn)行有效整合，使水文災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)相關(guān)模型連接起來，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化。

2）防洪調(diào)度

根據(jù)降雨預(yù)報(bào)，結(jié)合近階段大量的多分辨率遙感影像，并利用環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)相關(guān)的地形分布和地勢(shì)信息，特別是林木區(qū)域和水體的分布，實(shí)現(xiàn)氣象下墊面的有效分析，根據(jù)氣象降雨相關(guān)理論及以往降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析完成準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。降雨較急且降雨量較大時(shí)，要進(jìn)行水文災(zāi)害預(yù)測(cè)，根據(jù)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(shí)際狀況預(yù)測(cè)[9]。結(jié)合GIS空間分析，規(guī)劃救援人員以最快速度到達(dá)災(zāi)區(qū)、優(yōu)化救災(zāi)物資配置等。

3）建立防汛預(yù)案

依據(jù)水文災(zāi)害預(yù)測(cè)的相關(guān)結(jié)果，為了在水文災(zāi)害爆發(fā)期間能及時(shí)有效實(shí)施汛期緊急救援工作，制定防汛預(yù)案，減少人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)仿真模型，查看水文災(zāi)害演進(jìn)結(jié)果，針對(duì)性制定災(zāi)區(qū)人員緊急撤退方案，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防洪，降低洪災(zāi)損失。

4 結(jié)語

對(duì)城市水文災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)、量化評(píng)估，立足宏觀層面研究城市水文風(fēng)險(xiǎn)，依托環(huán)境地質(zhì)信息系統(tǒng)中集成的數(shù)據(jù)與方法，精準(zhǔn)識(shí)別城市水文災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，分析城市水文風(fēng)險(xiǎn)空間分布，可以科學(xué)指導(dǎo)城市空間規(guī)劃與排水和除澇系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效防范與管理水文風(fēng)險(xiǎn)。