洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)研究

沈曉娟

（江蘇省水文水資源勘測局淮安分局，江蘇淮安 223005）

0 引言

洪澤湖位于江蘇省西北部，在北緯 33°06′～33°40′、東經(jīng) 118°10′～118°52′之間，是淮河流域最大的湖泊，湖面分屬淮安市盱眙、洪澤、淮陰和宿遷市泗陽、宿城、泗洪六縣區(qū)。洪澤湖承泄淮河上中游15.8萬km2流域面積的來水，是淮河中下游河道的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，是治淮關(guān)注的焦點(diǎn)之一。流域防洪規(guī)劃中明確將洪澤湖作為調(diào)蓄水庫，承擔(dān)擋洪、蓄洪和行洪任務(wù)，在流域防洪中具有無可替代的作用。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)，可高效科學(xué)地進(jìn)行防洪減災(zāi)工作。

1 洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)的總體構(gòu)想

2011年11月10日，由江蘇省水利科學(xué)研究院承擔(dān)的“洪澤湖GIS導(dǎo)航及監(jiān)控系統(tǒng)”、“洪澤湖管理信息系統(tǒng)研究”通過江蘇省水利廳驗(yàn)收，標(biāo)志著洪澤湖信息化工作已經(jīng)起步。我們可以進(jìn)一步運(yùn)用 3S（RS、GIS、GPS）技術(shù)，完善洪澤湖基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)洪澤湖各種基本資料和信息的整合，詳盡地描述整個(gè)洪澤湖流域各方面的數(shù)據(jù)信息，如：地理地質(zhì)環(huán)境、河流水系和歷史水文資料、水利工程設(shè)施、自然資源、社會資源、經(jīng)濟(jì)資源等，能以數(shù)字的形式進(jìn)行采集和獲取，并通過計(jì)算機(jī)統(tǒng)一存儲、管理和再現(xiàn)。在建設(shè)洪澤湖基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，搭建若干防洪減災(zāi)綜合計(jì)算仿真模型，通過分析、計(jì)算和仿真研究，向管理人員提出防洪減災(zāi)的輔助決策建議，形成“洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)”。這樣，當(dāng)洪澤湖流域發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，可以在計(jì)算機(jī)環(huán)境中，模擬洪水的形成和演變過程以及它們與周邊地區(qū)相互作用的場景，有利于科學(xué)有效地開展洪水預(yù)報(bào)并確定洪水影響程度，便于各級水行政主管部門調(diào)度和處置，實(shí)現(xiàn)從“人力防洪”向“科技防洪”的轉(zhuǎn)變。

圖1 洪澤湖防洪決策系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)主要由三個(gè)層次構(gòu)成，如圖1所示。（1）基礎(chǔ)層——洪澤湖基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫；（2）應(yīng)用層——洪澤湖防洪計(jì)算仿真；（3）決策層——洪澤湖防洪輔助決策。

2.1 洪澤湖基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫

綜合運(yùn)用 RS、GIS、GPS、多媒體和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，將洪澤湖流域的雨情、水情、工情、機(jī)情、電情、災(zāi)情等實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及地理環(huán)境、人文景觀、人口分布、社會和經(jīng)濟(jì)狀態(tài)等各種信息進(jìn)行數(shù)字化采集和存儲，建立洪澤湖流域基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫。該信息數(shù)據(jù)庫的主要功能是：實(shí)現(xiàn)信息的管理、查詢、顯示及多媒體輸出；研制相應(yīng)的信息管理和分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類信息的共享；利用RS、GIS、GPS及VEML技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、報(bào)表與圖形、圖像的綜合分析與查詢。

2.2 洪澤湖防洪計(jì)算仿真

洪澤湖防洪計(jì)算仿真，是建立在基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，針對不同的洪水特性和管理要求，建立相應(yīng)的計(jì)算仿真模型，例如：洪水預(yù)報(bào)模型、洪水演進(jìn)模型、防洪調(diào)度模型、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用模型、災(zāi)情評估模型、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理模型、堤壩安全評估等等。輸入洪澤湖基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫的各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間計(jì)算分析和過程模擬仿真，重點(diǎn)研究洪水的時(shí)空變化規(guī)律，以及受流域下墊面特性的影響。根據(jù)已知信息，預(yù)測既定斷面的水位、流量，準(zhǔn)確揭示洪水的形成機(jī)理及其演變規(guī)律。

2.3 洪澤湖防洪輔助決策

洪澤湖防洪輔助決策，是針對用戶提出的防洪減災(zāi)、工程調(diào)度等具體任務(wù)，依據(jù)防洪法規(guī)、設(shè)計(jì)規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及專家知識經(jīng)驗(yàn)，在已有觀測數(shù)據(jù)和計(jì)算仿真研究的基礎(chǔ)上，概括歸納整理出具體規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)，通過人工智能和專家系統(tǒng)的推理機(jī)制，自動進(jìn)行綜合規(guī)則生成，針對不同的洪災(zāi)情況，提出相應(yīng)的防洪減災(zāi)應(yīng)急措施和方案，為領(lǐng)導(dǎo)指揮防汛搶險(xiǎn)提供輔助決策建議。

3 洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)的主要功能

洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)的主要功能是：根據(jù)洪水的形成和演變過程，為指揮防洪減災(zāi)提供決策支持。其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 信息查詢與統(tǒng)計(jì)

通過智能和聯(lián)想查詢方式，為防洪決策直接提供各種相關(guān)信息，包括：空間位置、地理背景、工程圖、屬性特征、仿真計(jì)算成果等，并提供Internet綜合查詢，防汛相關(guān)單位可以在IE瀏覽器上對本系統(tǒng)中的信息進(jìn)行雙向查詢。

3.2 洪水預(yù)報(bào)

傳統(tǒng)的流域水文預(yù)報(bào)模型一般只能給出產(chǎn)匯流過程空間上的均化結(jié)果，這與洪澤湖流域產(chǎn)匯流空間分布不均勻的實(shí)際情況不符。降雨和下墊面特征空間分布不均勻性是導(dǎo)致流域產(chǎn)匯流空間分布不均勻的根源。因此，建立與之相適應(yīng)的空間分布式洪水預(yù)報(bào)模型是提高洪澤湖洪水預(yù)報(bào)精度的關(guān)鍵所在。

3.3 洪水演進(jìn)

利用GIS技術(shù)提取洪澤湖流域的水文、水力學(xué)特性，并將水力學(xué)特征參數(shù)作為邊界或控制條件，可對洪水過程進(jìn)行仿真計(jì)算及動態(tài)演示。以三維地形和不同的水位綜合演示洪水淹沒行為的時(shí)空變化及水體形態(tài)，能夠正演和反演洪水的推進(jìn)軌跡，立體演示洪水水位漲落過程和淹沒區(qū)域；能實(shí)時(shí)顯示洪水的流速、流量、水位、淹沒面積等參數(shù)；利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在流域三維地形和景觀的基礎(chǔ)上，逼真地演示洪水動態(tài)行進(jìn)的情景，讓管理人員能從各個(gè)角度觀察洪水行為。

3.4 防洪調(diào)度

洪澤湖是淮河流域最大的調(diào)蓄湖泊，淮河及淮北各支流的來水經(jīng)其調(diào)蓄后入江、入海。洪澤湖防洪工程體系主要由三河閘、二河閘、高良澗閘和新二河閘組成。洪水的形成和發(fā)展具有隨機(jī)性，各節(jié)制閘的地理位置、運(yùn)用條件、防洪能力等有很大差異，防洪調(diào)度是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化組合運(yùn)用。在數(shù)字洪澤湖的環(huán)境下，將突出對信息資源的共享和有效利用，緊密結(jié)合洪水的實(shí)際情況，對不同類型的洪水采用不同的防洪調(diào)度策略，構(gòu)建高效、可靠的洪澤湖流域防洪調(diào)度體系，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度決策，最大限度地減輕洪澇災(zāi)害損失。

3.5 堤壩安全綜合評價(jià)

系統(tǒng)對堤壩的安全狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，對不安全因素經(jīng)過成因分析后，提出輔助決策的建議，使堤壩在保證安全運(yùn)行的前提下，充分發(fā)揮工程效應(yīng)。由于堤壩的工作條件十分復(fù)雜，觀測資料多，分析計(jì)算工作量大，傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行及時(shí)處理。GPS作為一種新型的定位信息采集技術(shù)，與常規(guī)測量技術(shù)相比，具有全天候、實(shí)時(shí)高效和自動化監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，其表面定位精度可到厘米級甚至毫米級。因此，以RS和GPS作為快速獲取洪澤湖流域堤防基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，以GIS作為管理和分析堤壩空間信息的基礎(chǔ)平臺，以ES對堤防安全狀態(tài)做出綜合評價(jià)和輔助決策。

3.6 災(zāi)情評估與風(fēng)險(xiǎn)管理

洪水災(zāi)害評估是一個(gè)多層面的工作，包括災(zāi)前預(yù)評估、災(zāi)中實(shí)時(shí)評估及災(zāi)后調(diào)查評估。評估的主要內(nèi)容為：洪水災(zāi)害的自然特征，如洪水災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、位置、影響范圍、嚴(yán)重程度和發(fā)展趨勢；社會經(jīng)濟(jì)特征，如洪災(zāi)對人口、房屋、農(nóng)作物、基礎(chǔ)設(shè)施的損害等。綜合運(yùn)用RS、GIS、GPS技術(shù)對洪災(zāi)進(jìn)行大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測和評估，可以準(zhǔn)確及時(shí)地評估洪澇災(zāi)害損失，為抗洪救災(zāi)提供可靠的依據(jù)。采用風(fēng)險(xiǎn)分析、系統(tǒng)論等方法，建立適合洪澤湖的洪水風(fēng)險(xiǎn)管理理論和方法，對特定水情條件下的洪水險(xiǎn)情，制作洪澤湖流域防汛綜合風(fēng)險(xiǎn)圖。并通過洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析，建立防洪減災(zāi)安全保障體系，使防洪減災(zāi)的決策更為科學(xué)合理，使賑災(zāi)及災(zāi)后重建更為科學(xué)有序。

4 洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 水文預(yù)報(bào)模型

現(xiàn)有的水文預(yù)報(bào)模型多是集總式的概念性模型和具有經(jīng)驗(yàn)函數(shù)的關(guān)系模型，模型在結(jié)構(gòu)上主要借助于概念性元素和經(jīng)驗(yàn)函數(shù)對水文過程進(jìn)行模擬，這種模擬只涉及現(xiàn)象的表面而不能反映本質(zhì)，難以揭示水文過程的內(nèi)在機(jī)制。與概念性模型相比，分布式模型采用數(shù)學(xué)物理方程來描述水文過程的各個(gè)子過程，考慮降雨和水文過程的分散性和空間變異性，因而能更全面地描述水文過程。隨著地理信息系統(tǒng)、數(shù)字化高程模型和遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，高精度洪澤湖分布式水文預(yù)報(bào)模型的建立已成為可能。分布式洪水預(yù)報(bào)模型不僅能推求一個(gè)或多個(gè)站的流量過程線，而且能十分方便地給出地表徑流和地下徑流的空間水文信息。GIS支持下的分布式水文模型的參數(shù)具有明確的物理意義，可以根據(jù)其本身的特性由氣象及自然地理等方面的資料獲得，不完全依賴于實(shí)測資料，因此能解決無資料地區(qū)的產(chǎn)匯流問題。

4.2 洪水優(yōu)化調(diào)度技術(shù)

洪澤湖防洪調(diào)度是通過統(tǒng)籌考慮上下游的安全，在權(quán)衡安全性與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，決策洪澤湖的蓄泄過程。隨著人們對洪水特性認(rèn)識的不斷深入、相關(guān)領(lǐng)域新理論與方法的不斷出現(xiàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，防洪調(diào)度技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，并隨著防洪工程建設(shè)規(guī)模加大而不斷豐富和擴(kuò)大，經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的演化過程。近年來，系統(tǒng)科學(xué)中的排隊(duì)論、存貯論和對策論、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、遺傳算法等多種理論和方法被引入防洪調(diào)度，洪澤湖防洪調(diào)度可采取大系統(tǒng)多目標(biāo)理論，即：把一個(gè)大型的最優(yōu)化問題分解成幾個(gè)相對較小的問題，給問題的求解和方法的選用帶來了極大的便利，根據(jù)不同層次問題的基本特征，構(gòu)造不同的模型。多目標(biāo)分析方法與單目標(biāo)分析相比，可考慮不同目標(biāo)的組合以及更多的實(shí)際影響因素，具有更加廣泛的應(yīng)用范圍和更優(yōu)的求解能力。

4.3 洪災(zāi)損失評估方法

洪澤湖洪水災(zāi)害損失評估研究，首先，通過遙感和遙測技術(shù)建立土地利用、人口財(cái)產(chǎn)密度等基礎(chǔ)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫。遙感可以快速實(shí)時(shí)得到當(dāng)前洪水淹沒范圍和深度等信息，在數(shù)據(jù)覆蓋面上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以往人工現(xiàn)場調(diào)查的途徑。GIS技術(shù)則在數(shù)據(jù)的存貯、快速展示、查詢、操作、計(jì)算等各方面極大提升效率，幫助洪災(zāi)損失評估計(jì)算達(dá)到更高的精度。其次，確定洪災(zāi)損失分析的流量等級，開展資產(chǎn)調(diào)查，估算各個(gè)流量等級的財(cái)產(chǎn)損失。

5 結(jié)束語

洪澤湖防洪決策支持系統(tǒng)與自動遙測系統(tǒng)、雷達(dá)或衛(wèi)星捕獲的實(shí)時(shí)雨量信息連接，取得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬洪水演進(jìn)，進(jìn)行防洪調(diào)度、災(zāi)情評估、風(fēng)險(xiǎn)管理等輔助決策，從宏觀上可以加強(qiáng)對洪澤湖水資源的統(tǒng)一管理和調(diào)配，有效地控制和管理洪水，最大限度地減輕洪澇災(zāi)害損失，有利于提高洪澤湖防洪數(shù)字化和智能化的科學(xué)管理水平。