殷　丹

(遼寧省水利水電科學研究院，沈陽　110003)

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基于GIS的避洪轉移分析技術研究

殷丹

(遼寧省水利水電科學研究院，沈陽110003)

為減少洪水潰堤造成的洪災生命損失，快速高效組織人員撤離避險，詳細介紹了避洪轉移分析流程，探討了GIS網(wǎng)絡分析技術在避洪轉移分析中的應用方法。該方法包括路網(wǎng)數(shù)據(jù)的拓撲檢查與處理、路網(wǎng)數(shù)據(jù)集的建立、轉移單元與安置點的合理配置、避險最優(yōu)路徑計算分析等。并以渾河右岸某段堤防潰堤為例，實現(xiàn)了避洪轉移最短路徑搜索，繪制避洪轉移路線圖。結果表明：應用GIS技術可方便得出避險轉移最優(yōu)路徑、提高轉移效率、節(jié)約轉移成本，繪制的避險轉移圖及方法等能為防洪應急預案的制定提供科學參考。

GIS；網(wǎng)絡分析；避洪轉移；防洪；安置點

1　研究背景

隨著極端天氣事件呈現(xiàn)增多增強的趨勢，洪澇災害頻發(fā)，如何保護災區(qū)居民生命安全，緊急疏散轉移受災群眾，保障轉移群眾基本生活，實現(xiàn)快速、高效轉移是防洪應急預案體系建設中急需解決的問題。避洪轉移分析是在洪水風險計算分析的基礎上，以防洪應急轉移預案為指導，根據(jù)特定頻率/場次洪水的淹沒范圍、水深、到達時間等風險信息，通過對受淹居民區(qū)位置、人口數(shù)量、道路、安置區(qū)域等信息的綜合分析和路網(wǎng)計算，得到居民區(qū)避洪轉移安置方案和轉移安置最優(yōu)路徑，為現(xiàn)有防洪預案方案的修訂完善提供參考。避洪轉移圖作為洪水風險圖的一部分，是避洪轉移分析結果的直觀體現(xiàn)，在圖中明確標示危險區(qū)、轉移單元、安置區(qū)以及轉移路線等信息，具有較強的實用性和可操作性。

國外避洪轉移分析工作起步較早，如美國、日本、加拿大等國[1-2]。以住戶為轉移單元，考慮洪水、安置區(qū)、路網(wǎng)等因素，基于動態(tài)系統(tǒng)理論，利用計算機技術比較不同轉移方案的效率，得出最優(yōu)方案以提高轉移效率、節(jié)約轉移成本。國內(nèi)的洪災應急管理主要側重于災后應急救援，應急避險未得到充分重視[3]，近幾年，隨著“全國重點地區(qū)洪水風險圖編制項目”的實施，避險轉移分析成為其中的重要內(nèi)容，國內(nèi)展開其分析技術的研究與探討[4]。主要借鑒用于地震、火災、空襲等災害及戰(zhàn)爭的應急避險轉移方法，包括確定避險場所、轉移人員、疏散路線等[5]?；贕IS的網(wǎng)絡分析方法得到了廣泛應用，并取得了良好的效果[6-7]。避洪轉移是對洪災的積極躲避行為，是減少洪災人員傷亡的重要手段，開展避洪轉移研究，對于提高應急避險能力，保障群眾生命安全意義重大。

2　避洪轉移分析流程

通過資料收集及現(xiàn)場調(diào)研，獲取洪水要素信息、居民地信息、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、安置點信息、防洪避險方案等信息。根據(jù)洪水要素風險信息，如洪水淹沒范圍、水深、流速、淹沒歷時等，確定危險區(qū)范圍，與居民區(qū)人口空間分布數(shù)據(jù)疊加分析，得出需要轉移的人員數(shù)量及空間分布。避險轉移一般以轉移區(qū)居民的行政隸屬關系，確定轉移單元，根據(jù)實際情況以鄉(xiāng)鎮(zhèn)或行政村為轉移單元。安置點一般選擇不受洪水影響的公園、學校、體育場等開闊空曠的區(qū)域。選取安置場所應遵循如下原則：就近安置、地面高程適宜、保障基本生活、通達性、人口容納性。根據(jù)路網(wǎng)數(shù)據(jù)信息、道路通量等按照最短路徑或者最短到達時間原則，建立路徑分析模型，分析確定效率最優(yōu)的轉移路線。避洪轉移方案完成后，進行專家咨詢，評價方案合理性和可行性。最后繪制避洪轉移圖。避洪轉移分析流程如圖1所示。

圖1　避洪轉移分析流程Fig.1　Flow chart of flood evacuation analysis

3　基于GIS的轉移路線分析

避洪轉移分析中的重點工作為轉移路線的確定，即如何快速、準確地計算分析出所有轉移單元與相應轉移安置區(qū)，并求出通過時間最短的最優(yōu)路徑。本次研究采用GIS軟件中網(wǎng)絡分析功能，進行避險轉移路線分析。

GIS中的網(wǎng)絡分析功能(Network Analyst)包括路徑分析、資源分配、連通分析、流分析等，該功能在電子導航、交通旅游、城市規(guī)劃、電力、通訊等各種線路網(wǎng)絡的布局設計中發(fā)揮了重要的作用[8]。最短路徑問題是網(wǎng)絡分析中的關鍵問題，不僅指一般地理意義上的距離最短，也可以解決時間最短、費用最小等問題[9]。路徑分析的步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)準備。對區(qū)域路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行處理，包括國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道、村道等各級別公路，進行數(shù)據(jù)整合。對數(shù)據(jù)進行拓撲檢查及修改，為保證道路數(shù)據(jù)的連通性，對可交叉通行的相交路線的交點處進行打斷，添加節(jié)點，而不可交叉通行的相交線則不必打斷，如高速公路線。設置道路圖層屬性，編輯屬性表，如道路名稱、等級、路寬、通行速度、是否單行線等，以方便路徑分析。

(2)創(chuàng)建道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集。在ArcCatalog中基于道路數(shù)據(jù)圖層建立網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，設置道路連通性、高程、屬性(距離、時間、速度)、網(wǎng)絡方向等，完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建。

(3)最優(yōu)路徑分析。添加?？奎c，給定道路起始點至終點的位置，即避險轉移單元與安置點位置。同時可設置路障，如汛期可能中斷的道路、橋梁、地下通道等危險點。根據(jù)要求求得路線最短或者時間最短的最優(yōu)路徑。

4　實例研究

4.1研究區(qū)簡介

渾河為遼寧省東部地區(qū)較大河流，發(fā)源于撫順市清原縣灣甸子鎮(zhèn)，自東北向西南流，于營口市區(qū)渤海大街注入渤海，河長495 km，其較大支流有蘇子河、蒲河、太子河等，大伙房水庫為其上游主要控制性工程，如圖2所示。根據(jù)歷史洪水調(diào)查，渾河是發(fā)生洪水比較頻繁的河流，每次洪水都造成不同程度的財產(chǎn)及生命損失。1995年8月渾河發(fā)生大洪水，遼中縣境內(nèi)大范圍河段漫堤決口，損失慘重。本次研究以超標準洪水下渾河右岸遼中縣媽媽街處潰堤洪水風險為例，進行避險轉移分析。

圖2　渾河水系Fig.2　Hunhe River system

研究范圍主要為遼中縣所轄蒲東街道、茨榆坨鎮(zhèn)及肖寨門鎮(zhèn)，由渾河與蒲河所夾區(qū)域構成。區(qū)域整體地形北高南低，平均高程為12.7 m，茨榆坨鎮(zhèn)東北部海拔較高，最高處為25.8 m，肖寨門鎮(zhèn)西南部海拔最低，即蒲河與渾河交匯處，最低高程為6.2 m，具體地形如圖3所示。潰口位置為渾河右岸肖寨門鎮(zhèn)的媽媽街。

圖3　研究區(qū)地形Fig.3　Topographic map of the study area

4.2轉移單元及安置點確定

根據(jù)超標準洪水條件下媽媽街潰堤洪水淹沒范圍、水深、流速等信息，確定避險轉移范圍。避險方式分為就地安置及異地轉移2種方式，主要根據(jù)淹沒水深及洪水流速大小確定安置方式，當洪水淹沒水深大、流速快，并且不具備現(xiàn)場安置場所的情況下，則需要進行轉移安置。避險轉移一般以某一范圍內(nèi)的需轉移人員作為一個整體轉移單元進行分析和實施，這里主要根據(jù)轉移居民區(qū)的行政隸屬關系，確定轉移單元。研究區(qū)涉及3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，因此以行政村為轉移單元，即屬于同一個行政村的居民區(qū)為一個轉移單元。

避洪轉移方案的確定應以洪水風險計算結果為基礎，洪水演進計算過程在此不再贅述，具體方法可參見文獻[10]。媽媽街處堤防潰堤后洪水由東南向西北方向演進，北部受S102省道阻擋，西部受蒲河堤防阻隔，洪水匯集在渾河及蒲河交匯處。將洪水淹沒計算結果疊加居民地分布，計算出需要轉移的人口。經(jīng)分析，遼中縣蒲東街道有3個行政村需要轉移安置，肖寨門鎮(zhèn)有9個行政村需要轉移安置，共計轉移人口28 758人，具體如表1所示。

表1　避險轉移單元名稱及人口信息

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，可用的安置場所有鎮(zhèn)政府、學校、蒲河大堤以及村莊高地等。結合現(xiàn)有防洪應急預案，根據(jù)就近避難優(yōu)先原則、行政隸屬關系以及安置點容納能力，確定每個轉移單元的相應避險安置區(qū)。

4.3轉移路線分析

對研究區(qū)道路數(shù)據(jù)進行整合處理，避險轉移道路最低級別為鄉(xiāng)道，將鄉(xiāng)道、縣道、省道、國道等各級別道路聯(lián)合起來建立路網(wǎng)，基于GIS建立路網(wǎng)分析計算模型，進行拓撲分析，在道路相交處形成節(jié)點，將路網(wǎng)處理成點-線-點的形式，以便進行路徑求解計算。通過設定道路的等級、交通方式等條件，計算分析出所有轉移單元與相應轉移安置區(qū)距離最短的最優(yōu)路徑。轉移交通工具為汽車，平均行駛速度按30 km/h計算。轉移路線如圖4所示。

圖4　渾河右岸潰堤避險轉移路線Fig.4　Evacuation routes under dam-break at the right bank of Hunhe river

蒲東街道的受災群眾均轉移至該街道管轄的未受洪水影響的安置場所，如勾劉村村民就近轉移至年家屯村，轉移路線長約2.13 km。肖寨門鎮(zhèn)受洪水影響范圍較大，受災群眾均轉移至鄰近的茨榆坨鎮(zhèn)，如老觀坨村村民轉移至茨榆坨初中，轉移路徑17.6 km，歷時約35 min，最長轉移路徑為肖蘭坨村至后嶺村，轉移路徑長20.98 km，歷時約42 min。

5　結　語

通過分析避洪轉移工作的主要內(nèi)容及難點，創(chuàng)建避險轉移道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，應用GIS網(wǎng)絡分析技術制定避洪轉移方案，得出以下結論：

(1)基于GIS網(wǎng)絡分析功能可實現(xiàn)轉移單元與安置點之間的最優(yōu)路徑分析，得出轉移路徑長度及轉移時間，該技術成果合理可靠，便于應用。

(2)路網(wǎng)數(shù)據(jù)集的建立是確定轉移路線過程中的關鍵工作，各級道路數(shù)據(jù)的拓撲檢查及正確處理是最優(yōu)路徑求解的前提。

(3)避洪轉移分析方案可指導防汛應急搶險，實現(xiàn)高效、有序地組織受災群眾撤離，保障生命和財產(chǎn)安全。

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(編輯：占學軍)

GIS Network Analysis Technologyfor Flood Evacuation Routes

YIN Dan

(Research Institute of Water Resources and Hydropower of Liaoning Province,Shenyang110003,China)

In order to reduce life loss caused by flood dam-break and effectively organize staff to withdraw from dangerous area,we introduce in detail the technology of flood evacuation route analysis,and discuss the procedures of using GIS-based network analysis technology to calculate flood evacuation routes.These procedures include topological check and manipulation of road network,establishing of digital road network model,optimal matching between transfer unit and evacuation shelter,and optimal calculation of evacuation routes.Then,we take dam-break at the right bank of Hunhe river,located in Liaoning province,as an example.We realize the nearest route searching for evacuation and draw evacuation map.The results show that,GIS network analysis technology is convenient for calculating optimal evacuation route,and can help us increase the efficiency and save cost during evacuation.The flood evacuation map and evacuation method from GIS technology can be references for emergency plans on flood control.

GIS; network analysis; flood evacuation; flood control; flood shelter

2015-06-26;

2015-09-28

遼寧省科學技術計劃項目(2014212003)

殷丹(1982-)，女，遼寧大石橋人，工程師，博士，主要從事防洪減災工作，(電話)13516038675(電子信箱)yindan2007@126.com。

10.11988/ckyyb.201505372016,33(08):38-41

TV143

A

1001-5485(2016)08-0038-04