基于非恒定流实时计算模型的洪水风险图管理系统研究

孟波波 高锡明 张波 刘伟

关键词：洪水风险图；非恒定流理论；水动力学模型；预见期

1引言

我国从2004年开始，国家防办启动了全国洪水风险图编制试点工作，于2005～2007年、2008～2010年、2011—2012年分别开展了试点区域洪水风险编制工作，2013～2015年在全国开展了重点地区洪水风险图编制工作，为我国洪水风险图的绘制和洪水风险管理探索出了经验、理论和方法。

通过内业资料的整理，外业资料的调查和勘测，全面收集并整理基础资料。以洪水来源分析、洪水组合和洪水遭遇分析为基础，制定实际的洪水风险图编制计算方案。基于水动力学方法建立编制区域的洪水分析模型，并利用典型的历史洪水资料对模型进行率定和验证。利用验证后的模型开展计算方案的分析计算。同时，基于洪水影响评估软件，采用损失率法评估区域洪灾造成的直接经济损失，并对所有计算方案的洪水影响进行统计和计算。然后，结合GIS实现洪水风险图管理与分析，包括淹没分析，受灾分析，重要设施分析等功能：实现洪水风险图实时绘制与分析，利用水文站实时水位或者预报水位实现洪水风险图实时绘制：通过GIS平台对计算结果进行洪水演进动态可视化展示，并存储计算过程结果。

2核心需求分析

（1）基于地理信息系统建设地理信息空间和属性数据库，建立骨干河道及排水干管的拓扑关系，涉及管网系统、河道、泵闸等各种排水单元。

（2）建立区域骨干河道和排水干管的整体水动力数值模拟模型，分析不同排水分区内水流的蓄泄方式，以掌握区内暴雨洪水的整体流态。

（3）综合应用产流模型、汇流模型和管网水动力模型、河道洪水演进模型、闸泵调度模型、地表淹水漫溢模型，并结合防汛应急除涝措施，构建区域整体排水防涝预警分析模型。

（4）基于排水防涝预警分析模型，提供实时暴雨计算、暴雨演进模拟、最大淹没范围、淹没区域分析、到达时间统计、淹没历时统计、空间灾情分析、剖面分析等系统功能。

（5）针对不同重现期（1a（1年一遇），2a（2年一遇），Sa（5年一遇）等）的暴雨及多种应急情况，以汇水区域为单元分析降雨产流、汇流、排水过程，并结合历史积水情况，分析重点地区的积水过程。

3系统建设方案

3.1建设目标、内容

通过对可能发生的超标准洪水的洪水演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测，以标识区域内各处受洪水灾害的危险程度，有效应对随机性、持续性、难以预测性的洪涝灾害。根据实时水雨工情及水雨情势进行实日寸动态洪水风险图管理及应用，在应用中随洪水发展情势可动态修正计算条件，实现洪水风险图实时动态绘制及管理，动态模拟预报河道行洪、控制点及低洼地积水情形，动态模拟预测城市受灾情况，以提高洪涝灾害预见期，有关部门可据此制定更为科学更为合理的应急避洪转移决策。

3.2业务逻辑框架

在数据采集完善的基础上，应用水文学、水动力学、地理信息系统技术、遥测技术、计算机软硬件技术等，建设区域洪水风险地理信息空间和属性数据库，以开发区域洪水风险仿真模拟模型，经过实践及不断调试，使模型具备预案模拟功能、应急预报调度功能以及实时预报预警功能，从而最大限度地发挥该模型的作用，为区域防汛指挥提供智能服务，为区域防洪除涝提供预测预警技术支撑。模型结构如图1所示。

3.3开发技术路线

系统分为风险图制作和风险图管理2个部分，总体技术路线如图2所示。

3.4软件系统建设

系统建设原则：严格遵照《洪水风险图编制导则》《洪水风险图编制技术细则》《洪水风险图编制技术细则附录》和相关技术标准、规范要求进行。在设计阶段对类似的软件产品和应用领域进行全面细致的研究并分析其优缺点，并基于此对系统的功能进行设计；在开发阶段先对项目关键技术进行预研，实现对当前先进技术和算法的掌握，并基于此研究并确定项目关键技术的解决方案，提出算法实现[1]。在开发阶段重视项目的测试工作，严格按照CMMI的要求进行软件开发流程的管理，并且在系统开发后期采用实际应用来检验。

综合数据库建设：洪水风险图管理需要大量各类相关信息，其中主要包括基础数据、水利数据、水文特征值数据、陆地的地形数据等，如用于模型设计的高分辨率的水下地形数据、用于损失统计的社会经济数据、用于虚拟现实的各类建筑模型数据、用于计算的网格模型数据、用于洪水仿真的计算过程数据和风险图结果数据[2]。这些数据在系统开发过程中将由专题综合数据库负责更新、维护以及日常管理，主要管理对象包括矢量数据库、栅格数据库、属性数据库、元数据库等，从而为风险图管理系统提供数据支持与保障，涉及的数据库分类如下：（1）实时水雨情；（2）水利工情；（3）水利基础信息；（4）空间地理信息；（5）计算过程和结果。

系统总体开发框架：采用J2EE技术，并综合应用Spring，Struts，Hibernate，xFire，GIS等成熟的J2EE的技术框架和应用组件，以实现一个轻量级的J2EE多层架构的应用系统，其既能充分利用Java/J2EE技术的优越性，又降低了对系统硬件资源的要求。系统逻辑上由系统支撑层——综合数据库、系统应用层——数学模型、人机交互层——GIS应用系统3部分组成。综合数据库为系统提供空间定位基础及相关信息；数学模型对洪涝灾害提供来水过程计算、动态模拟洪水淹没过程、灾情统计；GIS应用则面向用户，提供信息查询、模型结果可视化和信息管理等功能。系统总体架构如图3所示。

软件功能主要实现如下。

（1）基础数據查询：在地图上标注出基础数据点，用户可通过勾选数据类型来控制是否显示该类型。系统可根据类型、名称查询数据点，在选择数据点后地图中心定位到该对象，且显示对象的详细信息。

（2）台风信息查询：系统提供西太平洋区域台风信息的查看功能。

（3）水雨情信息：包括实日寸雨情、实时水情信息的地图展示功能。

（4）实时暴雨计算：使用暴雨洪涝数值模拟模型，针对不同的初始条件、边界条件和降雨量数据（降雨量数据可以人工输入，也可以通过接口直接调用实测数据库降雨数据），实时计算一场暴雨下区域内重要排水单元每个时刻的实时水位和流量。

（5）暴雨演进模拟：基于实时暴雨计算结果，动态模拟整个暴雨过程，按时刻显示淹水漫溢的地点，并统计受淹范围内的重点关注对象（如学校、医院等）。

（6）最大淹没范围：提取出场次暴雨整个过程中每个网格最大的积水深度值，并将其作为网格的水深值，不同范围水深值的网格采用不同的颜色来绘制，从而绘制出场次暴雨最大积水范围图。

（7）淹没区域分析：基于最大积水范围，系统统计不同淹没深度下的区域面积，并计算最大淹没深度、最小淹没深度以及平均淹没深度。

（8）空间灾情分析：在淹没区域内划定一片空间区域，列出受淹范围内的重点关注对象（如学校、医院等），同时统计划定区域淹没范围总面积、最大淹没深度、最小淹没深度及平均淹没深度。

（9）淹没水深图：根据场次洪水每个网格淹没的深度绘制淹没水深图。系统提取出场次洪水整个过程中每个网格最大的淹没深度值，并将其作为网格的淹没值，系统根据每个网格最大淹没深度值设置每个网格的颜色，从而绘制出淹没水深图。

（10）淹没历时图：根据场次洪水每个网格开始被淹没到结束淹没的时间段绘制出淹没历时图。系统计算出场次洪水整个过程中每个网格开始被淹没到结束淹没的时间段值，并将其作为网格的淹没历时值，系统根据每个网格到淹没历时值设置每个网格的颜色，从而绘制出淹没历时图。

（11）到达时间图：根据场次洪水每个网格开始被淹没的时间绘制到达时间图。系统提取出场次洪水整个过程中每个网格开始被淹没的时间值，并将其作为网格的到达时间值，系统根据每个网格到达时间值设置每个网格的颜色，从而绘制出到达时间图。

（12）剖面分析：通过绘制剖面线来查看剖面底高程及水位线。

（13）方案对比：对比任意两场次洪水的淹没水深图、淹没历时图、到达时间图。

（14）流域洪水展示：动态模拟风险图某个方案的洪水演进过程。流域洪水展示包括淹没过程图（水深）、淹没过程图（流速）。风险图区域被划分成若干个网格，水深图中系统通过给网格设置不同的颜色来区分网格淹没的深度，流速图中系统根据当前网格的流速与流向在网格中绘制出流速箭头。系统可从所选时段开始播放，直到最后一个时段结束，播放过程中可暂停。

（15）一维河道展示：动态模拟一维河道风险图某个方案的水位流量演进过程。一维河道展示河道水位变化、水位流量过程线。河道水位变化：系统根据用户选择的河道和时段，播放所选时段至最后一个时段的沿程水位变化线。水位流量过程线：系统根据用户选择的断面，绘制所选断面在此次方案中水位及流量过程折线图。

（16）洪水实时计算：包括流域洪水实时计算和一维河道实时计算，分别设置对应计算模型需要的计算参数，包括基本参数设置、边界条件设置，然后调用计算模型进行计算。

（17）动态溃口设置：当堤防的险工险情段发生突发性的溃堤时，可以在堤防处任选一处作为临时突发溃口，可以对溃口流量、起溃时间等进行设置，设置完成后可以调用模型进行计算。

（18）边界条件设置：将致灾因子和突发溃口设置为模型的计算边界条件，根据边界条件进行洪水演进模拟计算。

（19）展示河道设置：管理一维河道展示中所用的河道，包括新增、编辑、查看、删除。

（20）重要断面设置：管理一维河道展示中所要展示的重要断面，包括新增、编辑、查看、删除。

（21）关注点管理：可以设置感兴趣的学校、医院等作为关注点，在暴雨淹没过程中，可以实时查看关注点的淹没情况，以折线图的形式展示关注点的淹没趋势。

（22）洪水方案管理：将不同计算方案的结果和相应元数据进行存储，以供用户快速调用，可以在地图模式下进行相应计算结果的分析、查询等操作。

（23）基础数据管理：包括数据类型的添加、修改、删除以及具体数据的导人和编辑。

4结束语

本系统成功应用于泗阳、椒北平原、钱塘江（衢江）流域、衢州、东苕溪流域等地区，其具有较强普适性的基于非恒定流实时计算模型的洪水风险图管理信息系统，系统能够对洪水风险图进行实时动态绘制及管理，动态模拟预报河道行洪、控制点及低洼地积水情形，以及动态模拟预测城市受灾情况，以把握区域的洪水风险信息和洪水風险程度总体分布，从而大幅增加洪涝灾害预见期。有关部门可据此制定更为科学、合理的应急避洪转移决策，以加强民生保障，保护人民生命财产安全，从而提升区域防洪应急管理能力和水平，保障区域经济的可持续发展。