張小穩(wěn)1 劉國慶 范子武

(1.無錫市防汛防旱指揮部辦公室，江蘇 無錫 214032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

洪水風(fēng)險是指未來可能引起災(zāi)害性后果的洪水發(fā)生的概率或頻率。洪水風(fēng)險圖融合洪水特征信息、地理信息、社會經(jīng)濟信息，是防洪非工程措施中一種重要的方法[1-2]。洪水風(fēng)險圖通過洪水計算和風(fēng)險判別,以圖表形式直觀地反映洪水威脅區(qū)域發(fā)生某一頻率洪水后可能淹沒的范圍、水深、流速等洪水要素, 并表現(xiàn)不同量級洪水可能造成的災(zāi)害風(fēng)險和對社會經(jīng)濟的損害程度。城市是人口、資產(chǎn)高度集中的地區(qū)，一旦發(fā)生洪澇災(zāi)害，經(jīng)濟損失嚴重，政治影響大。因此，綜合利用各種措施，減輕城市洪澇災(zāi)害損失對中國的經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定具有十分重要的現(xiàn)實意義。

目前，我國很多城市已經(jīng)進行洪水風(fēng)險圖的制作與應(yīng)用[3-4]，然而所制作的洪水風(fēng)險圖基本屬于靜態(tài)的，反映的是特定頻率洪水發(fā)生時的淹沒范圍、受淹區(qū)域內(nèi)的最大水深和淹沒歷時等信息。這些洪水風(fēng)險圖在使用過程中存在信息量少、更新難度大、難以共享等缺點。靜態(tài)風(fēng)險圖無法真實體現(xiàn)下墊面變化快、排水管網(wǎng)更新快、氣候變化快造成的區(qū)間短歷時降雨變化等現(xiàn)實狀況。為此，我國部分地區(qū)開展了動態(tài)洪水風(fēng)險圖技術(shù)研究[5-7]。動態(tài)洪水風(fēng)險圖能夠通過改變模型網(wǎng)絡(luò)的邊界條件等實時展示地區(qū)的洪水風(fēng)險[8-10]，然而這些方法仍不完善，有待進一步研究。本文以無錫市城區(qū)為例，探討能夠?qū)崟r改變模型庫、事件庫、邏輯庫的動態(tài)城市洪水風(fēng)險圖制作方法，以期為更加方便、精確地指導(dǎo)搶險救災(zāi)提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

無錫市位于江蘇省東南部，地處長江三角洲江湖走廊，東鄰蘇州市，西接常州市，南瀕太湖，北依長江，全市總面積4628.00km2。無錫市區(qū)位于武澄錫虞區(qū)南部，市區(qū)面積1643.88km2。該地區(qū)多年平均降雨量為1112mm，年平均降水日數(shù)為125天。降水年際變化較大，1954年降水量達1521mm，1991年為1631mm，而1978年降水量僅553mm，降雨量時空分布不均，年內(nèi)分布有個明顯的集中階段，5—9月的汛期雨量約占年平均降雨量的60%～70%，汛期最大降雨量為1991年的1216mm。區(qū)域總體地勢呈現(xiàn)周邊高、腹部低的態(tài)勢，北部易受高片洪水侵壓和長江洪水與潮汐制約，南部常遭太湖洪水侵襲與高水位頂托，西部又需承接上游湖西高水壓境。特殊的地理位置和地形條件決定無錫市區(qū)洪澇外排方向主要有南排太湖、東排望虞河和北排長江。而由于無錫市區(qū)位于區(qū)域的最南端，外排長江因線路長，排江能力的增加對降低無錫市區(qū)最高洪水位影響較慢。再者內(nèi)部現(xiàn)有的雨水排水系統(tǒng)各自為政，標準偏低，部分雨水管道經(jīng)長期使用后，出現(xiàn)不均勻沉降，也降低了管道過流能力。因此當城區(qū)遭遇突發(fā)性暴雨時，極易形成洪澇災(zāi)害。隨降雨類型和分布不同，所形成的洪澇特點也有明顯差別，主要有梅雨型洪澇、臺風(fēng)暴雨型洪澇、對流雨型洪災(zāi)。

本次洪水風(fēng)險圖研究考慮無錫市中心城區(qū)及其周邊部分地區(qū)，面積為543.30km2，考慮到計算邊界的封閉性，計算范圍為656.12km2(見圖1)，其中城市防洪大包圍面積136.00 km2，無錫市城區(qū)以京杭大運河、梁溪河等將整個區(qū)域劃分為馬山片、運東大包圍、運東南片、運西北片、運西南片5個片區(qū)。根據(jù)無錫市城區(qū)地形、水系、防洪工程現(xiàn)狀，結(jié)合歷史洪澇災(zāi)害情況，洪水來源包括流域性洪水、外河洪水、內(nèi)河洪水和暴雨內(nèi)澇四類。

為滿足城區(qū)內(nèi)水雨情的監(jiān)測要求及監(jiān)測系統(tǒng)適用性的檢驗，無錫市城區(qū)已建成多個水位、雨量監(jiān)測點，實時監(jiān)測水情雨情，也為建模過程中模型的率定驗證提供數(shù)據(jù)支撐。

2 水文-水動力模型

本文對無錫市城區(qū)洪水風(fēng)險的分析，運用具有模擬城市地下管網(wǎng)、城市河網(wǎng)、降雨產(chǎn)匯流、堤防潰決等功能一體化數(shù)值模擬模型，軟件平臺采用InfoWorks ICM[11]。其中城市河網(wǎng)采用一維非恒定流方法，城區(qū)內(nèi)可能淹沒區(qū)域采用二維非恒定流方法進行模擬。對城市內(nèi)澇模擬，將管網(wǎng)一維模型與地面漫流二維模型進行無縫耦合嵌套，設(shè)置模型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的檢查井頂部與地表二維網(wǎng)格連接，模擬管渠中的有壓流和無壓淺水自由表面流，內(nèi)澇洪水在地表二維空間內(nèi)的物理運動過程和地表徑流與地下管流間的流量和動量交互，模擬洪澇的動態(tài)演進過程。

圖1 無錫市城區(qū)洪水風(fēng)險圖編制范圍

無錫市城區(qū)的水文模型采用InfoWorks ICM中的分布式水文模型進行構(gòu)建，在模擬降雨-徑流時，需要的數(shù)據(jù)為集水區(qū)的劃分、集水區(qū)的土地分類以及針對不同土地分類的相關(guān)參數(shù)，具體包括集水區(qū)的面積、不透水表面的比例、初期損失、徑流系數(shù)等。集水區(qū)面積根據(jù)區(qū)域排水特點、地形地貌、規(guī)劃河流、水系路網(wǎng)分布及重要建筑物分布等情況確定；初期損失需依據(jù)表面的類型分別制定，不透水表面的初期損失定義為與坡度相關(guān)或者作為絕對深度，而透水表面的初期損失通常定義為一個絕對值，也可以定義與坡度相關(guān)；徑流系數(shù)則根據(jù)各排水分區(qū)內(nèi)的水面、水田、城市綠地、道路、居民地等下墊面數(shù)據(jù)，利用加權(quán)平均的計算方法，參照《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50014—2006)中不同下墊面的徑流系數(shù)選取。

無錫市城區(qū)河網(wǎng)-管網(wǎng)模型在構(gòu)建時采用InfoWorks ICM洪水模擬軟件。通過斷面導(dǎo)入、以線創(chuàng)建斷面、創(chuàng)建河道連接、添加水工建筑物、管網(wǎng)模型構(gòu)建、創(chuàng)建河岸構(gòu)建河道-管網(wǎng)一維河道模型，然后通過對線狀地面構(gòu)筑物(道路、墻體等)處理、導(dǎo)入地面模型、添加區(qū)間降雨、創(chuàng)建糙率分區(qū)、添加水利工程調(diào)度規(guī)則的邏輯控制、劃分網(wǎng)格、添加邊界條件建立河道二維模型。一維河網(wǎng)模型與二維洪泛區(qū)模型再通過“溢流單元”上的連接條件實現(xiàn)模型耦合。無錫市城區(qū)模型構(gòu)建過程和耦合模型見圖2。

3 特征方案模型網(wǎng)絡(luò)庫

洪澇分析方案網(wǎng)絡(luò)庫是構(gòu)建動態(tài)洪水風(fēng)險圖系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前無錫市城區(qū)構(gòu)建了京杭大運河、太湖、望虞河遭遇不同量級洪水的潰堤計算模型網(wǎng)絡(luò)；遭遇太湖流域91、99年實況，91北部，99南部不同頻率設(shè)計洪水的流域性洪水計算模型網(wǎng)絡(luò)；遭遇區(qū)域水利標準最大24h不同頻率設(shè)計暴雨、城建標準最大1h不同頻率設(shè)計暴雨的暴雨內(nèi)澇計算網(wǎng)絡(luò)模型，模型網(wǎng)絡(luò)庫見表1。實況年暴雨洪水涉及1991年“梅雨”、2009年“莫拉克”臺風(fēng)暴雨、2011年實況暴雨計算網(wǎng)絡(luò)模型。

圖2 無錫市城區(qū)模型構(gòu)建過程與耦合模型

外洪模型網(wǎng)絡(luò)庫流域性洪水模型網(wǎng)絡(luò)庫暴雨內(nèi)澇網(wǎng)絡(luò)模型庫實況洪水網(wǎng)絡(luò)模型庫太湖大堤潰堤91、99年實況不同頻率設(shè)計暴雨(水利標準)1991年“梅雨”京杭大運河潰堤91北部不同頻率設(shè)計暴雨(城建標準) 2009年“莫拉克”臺風(fēng)望虞河潰堤99南部2011年實況暴雨

4 風(fēng)險圖管理系統(tǒng)開發(fā)

4.1 構(gòu)建思路

本文依托無錫市城區(qū)洪水風(fēng)險圖編制成果，通過對洪水風(fēng)險圖編制過程中構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、洪水風(fēng)險與洪水影響分析形成的風(fēng)險圖成果圖件、洪水分析模型及計算結(jié)果，基于B/S架構(gòu)方式，開發(fā)包括信息總覽、動態(tài)計算、成果查詢、災(zāi)情評估4個功能模塊的動態(tài)洪水風(fēng)險圖管理系統(tǒng)，集成在江蘇省動態(tài)洪澇風(fēng)險圖管理與實時預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)中。系統(tǒng)開發(fā)總體思路見圖3。

在風(fēng)險查詢與動態(tài)展示功能模塊方面，匯總無錫市城區(qū)風(fēng)險圖成果圖件數(shù)據(jù)(.pdf格式)、模型計算方案網(wǎng)格數(shù)據(jù)(.shp格式)、動態(tài)支撐數(shù)據(jù)(.txt格式)以及相應(yīng)的實時計算方案的成果，按照編制對象、編制單元、方案類型、專題類型、成果類型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建基于Oracle的成果管理數(shù)據(jù)庫，采用ArcGIS server、webGIS、Java、tomcat、spring mvc、mybatis等開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)對風(fēng)險圖成果進行發(fā)布，通過webGIS訪問服務(wù)，實現(xiàn)風(fēng)險圖編制方案及實時計算方案成果查詢、瀏覽、展示等功能。

在動態(tài)洪澇風(fēng)險圖管理功能模塊方面，利用InfoWorks ICM中Exchange的API進行二次開發(fā)。實現(xiàn)系統(tǒng)平臺前端與ICM模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、邊界條件數(shù)據(jù)庫、水利工程及調(diào)度數(shù)據(jù)庫(RTC)的連接，突破模型庫、結(jié)果庫與平臺數(shù)據(jù)實時交互技術(shù)，集成了洪水風(fēng)險要素自動解析—疊加分析—動態(tài)渲染—實時發(fā)布的風(fēng)險圖繪制成套技術(shù)，實現(xiàn)任意洪水組合方案洪澇風(fēng)險圖一鍵生成，動態(tài)生成洪澇風(fēng)險圖。

利用模型計算的洪水淹沒成果網(wǎng)格矢量數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，并結(jié)合損失率-水深關(guān)系，利用GIS疊加分析技術(shù)，實現(xiàn)各行政區(qū)劃內(nèi)的淹沒面積、淹沒耕地面積、受影響GDP總數(shù)、受影響人口總數(shù)、總經(jīng)濟損失等的災(zāi)情統(tǒng)計分析功能，構(gòu)建思路見圖2。

圖3 系統(tǒng)開發(fā)總體思路

4.2 總體架構(gòu)設(shè)計

無錫市城區(qū)動態(tài)洪澇風(fēng)險圖管理系統(tǒng)集成在江蘇省動態(tài)洪澇風(fēng)險圖管理平臺中，系統(tǒng)的層次架構(gòu)見圖4。遵循信息安全保障體系和標準規(guī)范體系，主要包括數(shù)據(jù)資源層、支撐服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和應(yīng)用門戶層[12-13]。

圖4 系統(tǒng)層次架構(gòu)圖

系統(tǒng)層次架構(gòu)設(shè)計以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)資源層，包括河流水系、水利工程、實時雨水工情、社會經(jīng)濟、模型庫、GIS空間地圖以及系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；支撐服務(wù)層以O(shè)rcal數(shù)據(jù)庫、ArcGIS sever作為數(shù)據(jù)支持，以InfoWorks ICM、ICM Live、ICM exchange為模型計算支持，以Geotools、Arcobject為開發(fā)工具支持，以WebGIS、Spring MVC為系統(tǒng)展示支持；業(yè)務(wù)應(yīng)用層集成了信息總覽、預(yù)報預(yù)警、動態(tài)計算、成果查詢等主要業(yè)務(wù)功能模塊，以無錫市城區(qū)作為風(fēng)險圖編制單元集成到江蘇省系統(tǒng)平臺中；應(yīng)用門戶層支持對內(nèi)門戶和對外門戶，以不同的用戶管理和權(quán)限設(shè)置提供相關(guān)的服務(wù)。

系統(tǒng)總體功能架構(gòu)設(shè)計見圖5，主要包括洪水風(fēng)險圖成果管理與展示、動態(tài)方案模擬計算及管理、災(zāi)情損失評估以及信息總覽等功能模塊，另外對于性能和安全等非功能性需求進行統(tǒng)一考慮設(shè)計。動態(tài)洪水風(fēng)險圖管理系統(tǒng)各功能模塊的頁面展示見圖6。根據(jù)系統(tǒng)整體功能及非功能要求進行系統(tǒng)功能總體設(shè)計，將資源、服務(wù)、業(yè)務(wù)、UI進行分層架構(gòu)，兼顧之后的系統(tǒng)擴展。

圖5 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

圖6 動態(tài)洪水風(fēng)險圖管理系統(tǒng)功能模塊

本系統(tǒng)的核心功能主要包括風(fēng)險圖成果管理展示和動態(tài)計算。按照離散化建模建庫、OpenMI標準化規(guī)范化要求，完成對各方案的計算網(wǎng)絡(luò)、事件和邏輯控制建庫管理，并統(tǒng)一到InfoWorks ICM模擬軟件平臺。實現(xiàn)基于實時水文預(yù)測、實測洪水或設(shè)計洪水等任意組合洪水方案進行快速模擬計算，動態(tài)生成洪澇風(fēng)險圖并入庫管理?；贠racle數(shù)據(jù)庫存儲不同編制對象既定計算方案的成果，該系統(tǒng)具有成果圖件查詢與展示功能，另外，可以加載實時計算成果并入庫，且與已有成果管理保持一致。系統(tǒng)開發(fā)采用工作組模式的管理解決方案，滿足開發(fā)系統(tǒng)版本應(yīng)用、升級與管理，模型計算方案的生成、比較與校驗，多工程用戶級別的分類管理，數(shù)據(jù)信息的融合、整合與管理等實際需求。

4.3 動態(tài)洪澇風(fēng)險圖繪制

動態(tài)洪澇風(fēng)險圖繪制是利用InfoWorks ICM中Exchange的API進行二次開發(fā)，研發(fā)了基于ICM Exchange模型庫、結(jié)果庫與平臺數(shù)據(jù)實時交互技術(shù)，開發(fā)了中間服務(wù)引擎，實現(xiàn)基于洪澇分析模型與成果的風(fēng)險管理的業(yè)務(wù)應(yīng)用。實現(xiàn)系統(tǒng)平臺前端與ICM模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、邊界條件數(shù)據(jù)庫、水利工程及調(diào)度數(shù)據(jù)庫(RTC)的連接，在系統(tǒng)界面中完成在線修改的同時能夠?qū)崟r更新模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)(河道斷面、堤防、道路等)、邊界條件數(shù)據(jù)(降雨、水位、流量等)、水利工程及調(diào)度數(shù)據(jù)(水閘、泵站、涵洞等工程參數(shù)及調(diào)度規(guī)則)，利用系統(tǒng)平臺前端調(diào)用接口驅(qū)動ICM計算引擎實現(xiàn)后臺自動計算，實時計算的結(jié)果從ICM軟件導(dǎo)出至結(jié)果csv文件并完成數(shù)據(jù)的自動解析，通過geotools將計算結(jié)果生成時態(tài)數(shù)據(jù)，調(diào)用arcpy將文件發(fā)布到ArcGIS server端，通過ArcGIS server發(fā)布成動態(tài)服務(wù)，調(diào)用ArcGIS JavaScript API訪問服務(wù)，對各時段數(shù)據(jù)分別渲染時態(tài)數(shù)據(jù)以實現(xiàn)動態(tài)演進過程展示，動態(tài)生成洪水風(fēng)險圖。

系統(tǒng)可以實現(xiàn)基于實況洪水、預(yù)報洪水、設(shè)計洪水等任意組合洪水方案進行快速模擬計算，并對計算結(jié)果動態(tài)生成洪澇風(fēng)險圖并入庫管理，主要包括以下功能。

4.3.1 模型網(wǎng)絡(luò)庫編輯

無錫市城區(qū)動態(tài)洪水風(fēng)險圖管理系統(tǒng)能實時修改洪水分析模型網(wǎng)絡(luò)庫相關(guān)參數(shù)，可以修改京杭大運河、望虞河、梁溪河、古運河、伯瀆港等內(nèi)外部河道堤防、河道斷面以及阻水道路高程和水動力特征參數(shù)等，通過修改這些參數(shù)達到與計算工況模型網(wǎng)絡(luò)一致的目的。

a.河道堤防工程參數(shù)修編。結(jié)合GIS地圖，系統(tǒng)提供無錫市城區(qū)范圍內(nèi)河道堤防圖層的查詢展示，針對每一段河道堤防，提供溢流單元、河道、堰流系數(shù)、潰口模型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查看，以及堤防起點、潰決時間、潰口歷時、堵口時間、堵口用時、潰口寬度、潰口底高程等數(shù)據(jù)的修改編輯功能，為模型計算提供模型網(wǎng)絡(luò)條件。

b.河道斷面工程參數(shù)修編。系統(tǒng)提供每條河道斷面圖層的GIS可視化查詢展示，針對每一條河道斷面，提供不同起點距對應(yīng)河底高程、不同河段曼寧系數(shù)等特征數(shù)據(jù)查看和修改功能，并以示意圖形式對河道斷面進行展示。

c.道路高程參數(shù)修編。基于電子地圖，系統(tǒng)提供無錫市城區(qū)范圍內(nèi)主干阻水道路的查詢展示，針對每一條道路，系統(tǒng)提供道路高程的查詢展示和修改編輯功能。

d.對象列表修編。系統(tǒng)通過針對每一段堤防、斷面、道路定義相應(yīng)的節(jié)點名稱，以列表形式進行統(tǒng)一展示，系統(tǒng)提供圖表互查，通過在節(jié)點列表中選擇任意節(jié)點名稱，系統(tǒng)能夠自動在地圖上定位至相應(yīng)節(jié)點。

e.清除修改功能。對于加載到地圖上的各類顯示，系統(tǒng)提供一鍵清除修改功能，使得模型網(wǎng)絡(luò)回到初時狀態(tài)。

4.3.2 模型事件庫編輯

系統(tǒng)提供模型計算所需的流量、水位、降雨等邊界條件的修改編輯功能，可以修改外洪潰堤、流域性洪水、暴雨內(nèi)澇以及實況暴雨方案的邊界條件，也可實現(xiàn)模型的初始化。

通過選取需要編輯的邊界條件，系統(tǒng)提供在線修改功能；對于需要重新定義的邊界條件，系統(tǒng)提供邊界條件模板下載功能，用戶可以基于模板進行快速編輯，并將修改后的文件上傳至系統(tǒng)作為模型計算的邊界條件，完成邊界的快速更新。

4.3.3 模型邏輯庫修改

在特定模型網(wǎng)絡(luò)、事件庫的基礎(chǔ)上，提供水閘、泵站、涵洞等水利工程調(diào)度規(guī)則修改功能，覆蓋現(xiàn)有工程主要的邏輯調(diào)度規(guī)則，滿足水利精準調(diào)度的預(yù)報調(diào)度業(yè)務(wù)需求。

a.閘門調(diào)度。系統(tǒng)提供閘上水位、閘下水位、水位差、控制斷面、時間控制等調(diào)度規(guī)則在線修改功能。

b.泵站調(diào)度。系統(tǒng)提供泵站機組開機數(shù)量、開機狀態(tài)、開啟時間等調(diào)度規(guī)則在線修改功能。

4.3.4 實時模擬運算

根據(jù)選定的模型網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定的模型初始條件、邊界條件、調(diào)度規(guī)則，系統(tǒng)自動驅(qū)動模型計算引擎，實時模擬運算，計算結(jié)果自動導(dǎo)出、解析并進行風(fēng)險圖成果渲染，用戶可在動態(tài)展示模塊中對計算完成的方案進行查詢展示，為區(qū)域防汛指揮調(diào)度提供科學(xué)決策依據(jù)。

5 結(jié) 語

本文以無錫市城區(qū)洪水風(fēng)險為研究對象，通過InfoWorks ICM洪水模擬軟件進行建模并進行二次開發(fā)，構(gòu)建了無錫市城市動態(tài)洪水風(fēng)險圖管理系統(tǒng)。動態(tài)洪澇風(fēng)險圖與實時預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)能夠支持洪澇分析模型網(wǎng)絡(luò)庫、事件庫和邏輯庫的編輯修改，可實現(xiàn)動態(tài)實時運算和預(yù)報預(yù)警，一定程度上提高了區(qū)域防汛決策支持水平。系統(tǒng)在水利工程調(diào)度方面對調(diào)度規(guī)則實時修改的功能還有待完善，模型業(yè)務(wù)化水平有待進一步開發(fā)研究，不斷完善系統(tǒng)功能，有助于提高區(qū)域防汛調(diào)度精細化管理水平，推動區(qū)域防洪向預(yù)測、預(yù)報、預(yù)警、預(yù)案智能決策方向發(fā)展。