基于GIS技術(shù)的山區(qū)性洪水風(fēng)險圖繪制與管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣 力，金 晶，孟 潔

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

基于GIS技術(shù)的山區(qū)性洪水風(fēng)險圖繪制與管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣 力，金 晶，孟 潔

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002）

為了更好地提高洪水風(fēng)險圖在防汛決策中的時效性，用動態(tài)繪制洪水風(fēng)險圖的方法來滿足實際防汛指揮調(diào)度的需求。以麗水地區(qū)作為研究區(qū)域，選擇輕量級的Web GIS開發(fā)框架，根據(jù)防汛業(yè)務(wù)的需求，構(gòu)建并實現(xiàn)了基于開源GIS的洪水風(fēng)險圖繪制及管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備防汛工程的查詢、動態(tài)洪水風(fēng)險分析計算、堤防風(fēng)險分析及預(yù)警、潰口方案分析、歷史典型洪水查看等功能，成為可輔助防汛決策的應(yīng)用系統(tǒng)。結(jié)果表明，動態(tài)洪水風(fēng)險系統(tǒng)可以提供較準(zhǔn)確的洪水淹沒分析等結(jié)果，同時也是對洪水風(fēng)險圖研究內(nèi)容的有效補充。

山區(qū)；洪水風(fēng)險圖；動態(tài)洪水風(fēng)險分析；GIS；開源GIS

區(qū)域洪水風(fēng)險圖的繪制是國家為了提高洪泛區(qū)洪水防御能力而提出的防洪排澇非工程措施的舉措。作為浙江省“五水共治”建設(shè)的重要技術(shù)支撐之一，洪水風(fēng)險圖繪制也是制定區(qū)域性防洪規(guī)劃、部署防洪設(shè)施、指導(dǎo)洪泛區(qū)生產(chǎn)建設(shè)、制定洪水保險費率等工作的重要依據(jù)。目前，國家防洪抗?jié)晨傊笓]部僅在技術(shù)層面上制定了靜態(tài)洪水風(fēng)險圖的繪制規(guī)范，但因其時效性不強(qiáng)，在防汛指揮調(diào)度實際工作中作用有限[1]。為了更好地輔助防汛決策，制作動態(tài)洪水風(fēng)險圖的需求日趨迫切[2]。

從防汛需求和系統(tǒng)開發(fā)角度出發(fā)，構(gòu)建了基于GIS技術(shù)的動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制和管理系統(tǒng)。提出的設(shè)計方案，突破了傳統(tǒng)風(fēng)險圖需要預(yù)先加工制作的繁復(fù)模式，通過實時獲取水情雨情信息和當(dāng)?shù)胤姥垂こ绦畔?，利用一維恒定流模型，動態(tài)生成洪水風(fēng)險圖，提高結(jié)果數(shù)據(jù)的實時性與實用性。

1 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)路線

系統(tǒng)整體設(shè)計的技術(shù)路線主要包含4部分：一是對系統(tǒng)所需求的數(shù)據(jù)收資、整理；二是針對收集的數(shù)據(jù)和功能需求設(shè)計數(shù)據(jù)庫；三是構(gòu)建系統(tǒng)主要的洪水風(fēng)險分析的模型；四是實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)路線見圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)路線圖

1.1 調(diào)查數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)同步處理、入庫

調(diào)查數(shù)據(jù)整理入庫是將內(nèi)業(yè)調(diào)查獲取到的靜態(tài)資料如：歷史洪水調(diào)查資料、防洪工程信息、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計信息、人口信息、河流水系、主要道路、防洪工程信息、歷史洪水淹沒資料及洪水調(diào)查資料等按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化整理后入庫。測量數(shù)據(jù)主要包含對地面高程、防洪保護(hù)區(qū)的堤頂高程、區(qū)域內(nèi)主干河道及支流斷面的測量，數(shù)據(jù)的精度、存儲方式根據(jù)其采集方式、獲取手段、收集渠道的不同而不同，需要對這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，并對其中的地理空間數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)將其存儲入庫。實時水文數(shù)據(jù)通過遙測系統(tǒng)獲得，按照水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實時水情雨情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整編入庫。

在對所有調(diào)查及測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、轉(zhuǎn)換的過程中，分析檢查數(shù)據(jù)的合理性及準(zhǔn)確性，以滿足洪水分析及系統(tǒng)的需要。

1.2 需求的細(xì)化及數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

洪水風(fēng)險圖系統(tǒng)主要作為防汛決策輔助的手段，需滿足研究區(qū)域的水文雨量站以及防洪工程的快速定位及信息查詢、洪水風(fēng)險分析、風(fēng)險圖的災(zāi)情統(tǒng)計及管理等功能。根據(jù)系統(tǒng)需求，對收集整理的空間及非空間數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫[3]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫存儲空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)。SQL Server 2008提供了全面性的空間支持，提供了Geography和Geometry兩種空間數(shù)據(jù)類型用以存儲空間數(shù)據(jù)[4]。

1.3 設(shè)計洪水風(fēng)險動態(tài)分析計算模型

在詳細(xì)剖析研究區(qū)域洪澇災(zāi)害的總體情況和空間時間分布特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計動態(tài)洪水風(fēng)險分析算法。選取一維恒定流模型作為洪水風(fēng)險分析方法，設(shè)計并實現(xiàn)河道沿程水位計算模型、漫堤區(qū)域的水位計算算法、漫堤區(qū)域的淹沒水深分析算法以及結(jié)合研究區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)信息，實現(xiàn)淹沒損失算法。

1.4 系統(tǒng)功能設(shè)計及實現(xiàn)

首先針對用戶體驗，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行UI設(shè)計。設(shè)計的重點在于界面易于操作，使用較少的結(jié)構(gòu)嵌套，易于理解的功能邏輯，使用戶可以快速上手。主要模塊有以下幾個：

（1）與防汛業(yè)務(wù)相關(guān)的信息查詢功能。結(jié)合在線天地圖，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)和其上下游水雨情實時查詢的功能，并且能對區(qū)域內(nèi)防洪工程、防洪保護(hù)區(qū)等信息進(jìn)行展示、查詢。

（2）動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制和預(yù)報洪水風(fēng)險圖繪制。前者是將區(qū)域內(nèi)和上下游的水文站已有的控制斷面水位信息自動導(dǎo)入系統(tǒng)，進(jìn)行洪水淹沒圖繪制，并根據(jù)工程調(diào)度情況展開一系列分析。后者是將其他洪水預(yù)報軟件產(chǎn)生的控制斷面水位數(shù)據(jù)導(dǎo)入，進(jìn)行洪水淹沒圖的繪制和分析。

（3）堤防風(fēng)險分析預(yù)警。堤防風(fēng)險分析預(yù)警是將河道的堤防分成多個堤段，根據(jù)動態(tài)計算的水位與堤防高程比較，分析哪些堤段已經(jīng)漫堤、哪些堤段已接近漫堤、哪些堤段相對安全等，并對已經(jīng)漫堤和即將漫堤的堤段分級別進(jìn)行預(yù)警。

（4）潰口方案分析。動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制時提供設(shè)置潰口的功能，用戶可以根據(jù)洪水發(fā)生時的真實潰堤、管涌情況，在相應(yīng)位置設(shè)置潰口，用以更準(zhǔn)確地模擬潰口方案。理論上，潰口可能發(fā)生在堤防的任意一處，有限的“潰口”方案難以應(yīng)對實際防汛過程中所可能遇到的情況，因此風(fēng)險圖繪制的潰口設(shè)置可以很好的解決這個問題。

（5）洪水風(fēng)險圖管理。針對動態(tài)繪制的洪水風(fēng)險圖方案和歷史典型洪水方案，提供用戶保存、查詢的功能。針對歷史典型的洪水風(fēng)險圖提供歷史過程不同時刻的查看。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用輕量級的Web GIS開發(fā)框架，在開源插件Leafl et的架構(gòu)基礎(chǔ)之上，根據(jù)業(yè)務(wù)需求構(gòu)建一個基于開源GIS的洪水風(fēng)險圖繪制和管理系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計遵循B/S結(jié)構(gòu)，由表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層3層結(jié)構(gòu)組成[5]。系統(tǒng)客戶端主要由JavaScript網(wǎng)頁技術(shù)實現(xiàn)，并通過Ajax技術(shù)實現(xiàn)與后臺的交互邏輯；后臺的業(yè)務(wù)邏輯主要由C#語言實現(xiàn)，并通過ADO.NET技術(shù)實現(xiàn)與底層數(shù)據(jù)庫的交互查詢；數(shù)據(jù)層采用SQL Server存儲非空間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。

Leafl etAPI可以調(diào)用各種類型的在線地圖服務(wù)來滿足開發(fā)需要，如天地圖、高德、MapABC等地圖服務(wù)，在開源軟件Leafl et的架構(gòu)基礎(chǔ)之下，僅需要考慮業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的流程框架見圖2。瀏覽器客戶端向Web服務(wù)器發(fā)出請求，將參數(shù)傳遞給服務(wù)器，Web服務(wù)器解析請求，并根據(jù)需求請求數(shù)據(jù)庫，提取對應(yīng)的非空間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，并將其調(diào)度到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的可視化，客戶端通過Ajax引擎的回調(diào)函數(shù)接收返回的結(jié)果，并解析數(shù)據(jù)中的空間信息和非空間信息，空間信息則通過Leafl et的類庫進(jìn)行可視化的顯示。

圖2 系統(tǒng)流程框架圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計遵循B/S結(jié)構(gòu)，由表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層3層結(jié)構(gòu)組成[6]。

（1）表現(xiàn)層是通過瀏覽器實現(xiàn)地理空間信息及其他相關(guān)信息的展示，為用戶提供一個人機(jī)交互的界面。表現(xiàn)層通過獲取用戶輸入和操作信息，并交由業(yè)務(wù)層去處理，然后對結(jié)果展示。在此系統(tǒng)框架下，表現(xiàn)層采用Leafl et地圖庫實現(xiàn)。Leafl et是一個開源的JavaScript庫，它是為建設(shè)交互性好適用于移動設(shè)備地圖而開發(fā)。系統(tǒng)界面采用Html語言在Aspx頁面中實現(xiàn)，交互功能則利用JavaScript和C#共同實現(xiàn)。

（2）業(yè)務(wù)層是軟件體系的功能體現(xiàn)，在此系統(tǒng)框架下，業(yè)務(wù)層使用JS和C#作為開發(fā)語言。業(yè)務(wù)層主要體現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯處理和業(yè)務(wù)流程實現(xiàn)以及與業(yè)務(wù)需求相關(guān)的功能，同時業(yè)務(wù)層在表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)層之間起著數(shù)據(jù)傳遞的作用。

（3）數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和處理的基礎(chǔ)，本次采用SQL Server作為數(shù)據(jù)庫，來存儲系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和純屬性表數(shù)據(jù)。存儲在SQL Server中的空間數(shù)據(jù)和純屬性表數(shù)據(jù)，均通過ADO.NET訪問。對于空間數(shù)據(jù)獲取，需通過Leafl et相關(guān)的類解析并可視化展示成相應(yīng)的圖層數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 一維恒定流模型

通常，天然河道的水流是非恒定非均勻流。但經(jīng)驗表明，天然河道的水力要素隨時間的變化是非常緩慢的。因此，可以近似地認(rèn)為，天然河道里的水流運動在一定時間內(nèi)是恒定非均勻流[7]。本研究沿河道兩岸劃分防洪保護(hù)區(qū)，防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)的地勢平緩，且除城區(qū)以外其他防洪保護(hù)區(qū)面積均小于10 km2。綜合考慮，研究采用恒定非均勻流計算。根據(jù)已知的下邊界水位、斷面間距離、樁號、與斷面形狀有關(guān)的局部阻力系數(shù)以及上斷面水位等，計算方法為假定一個流量Q，代入計算求解上邊界水位Z，與實測上邊界水位Z1相比較，若相差過大則重新選取流量Q，利用試算法逐步尋求最優(yōu)解。方程如下：

式中：Z1，Z為上下游斷面水位，m；V1，V2為為上下游斷面平均流速，m/s；Q為斷面間流量，m3/s；S為斷面間距離，m；ζ 為局部阻力系數(shù)；a為流速系數(shù)；K 為平均流量模數(shù)。

試算方法采用二分法試算求解，將伯諾里方程變?yōu)椋?/p>

式中：Q為試算流量，m3/s；則當(dāng)Z≈Z1時，Q即為其解。試算時，Q的初始值應(yīng)依據(jù)水位流量關(guān)系大致估算得出。

本次研究區(qū)域為甌江流域的部分河段，研究范圍涉及主干河道大溪及支流好溪。主要考慮水位測站的分布，選取已有的水位遙測站為節(jié)點，形成河道概化節(jié)點見圖3。將主河道大溪分為11個計算部分：北埠大橋、上南山、石牛、白巖、麗水、開潭、五里亭、禎埠、外雄、船寮、三溪口。主干河流大溪段上邊界為北埠大橋，下邊界為三溪口，共布置164個實測斷面，支流好溪布置27個實測斷面。為得到較詳細(xì)的沿程河道水位，對河道斷面加密。

圖3 河道概化示意圖

各段模型計算時，根據(jù)一維恒定流模型，先從水雨情數(shù)據(jù)庫讀取上、下游水位測站的水位。假定各分段模型的上邊界流量Q，并與下邊界水位Z組成一對邊界條件。依次計算下游到上游水位測站之間的斷面水位，并試算到上游水位測站的水位，試算直至上游水位與實測上游水位的誤差在一定范圍之內(nèi)為止。試算過程中的各斷面水位，為河道沿程水位。其中好溪段下邊界水位由麗水—開潭壩上段的水面線提取，區(qū)間匯入的好溪流量由黃渡水文站水位流量關(guān)系推求。

3.2 動態(tài)洪水風(fēng)險分析算法

系統(tǒng)中實現(xiàn)動態(tài)洪水風(fēng)險分析的流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)洪水風(fēng)險分析的流程框架圖

圖5 實時洪水風(fēng)險圖局部繪制成果圖

根據(jù)實時讀入的水雨情信息，獲取各個計算河段的下邊界河道斷面水位，同時將實測河道斷面參數(shù)、假定的上邊界河道斷面流量代入一維恒定流模型，迭代獲得各計算河段內(nèi)的各河道斷面水位、流量以及上邊界河道斷面水位Z，將計算所得的上邊界河道斷面水位Z與通過實時水雨情數(shù)據(jù)庫獲得的上游河道斷面水位Z1比較，若Z與Z1誤差較大，則采用二分法重新試算，重新假定上邊界河道斷面的流量，并再次代入一維恒定流模型計算，直至Z ≈ Z1，則試算出的河道斷面水位為河道沿程水位。

沿程水位將與防洪保護(hù)區(qū)的分段堤頂高程進(jìn)行對比計算，分段堤頂高程低于沿程水位的防洪保護(hù)區(qū)將會漫堤。同時對堤頂與水位之間的距離差，分類設(shè)定為不同級別的預(yù)警閾值。

對于漫堤的防洪保護(hù)區(qū)，通過防洪保護(hù)區(qū)的水位與該區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行疊加分析、計算，得到研究漫堤圍區(qū)的洪水淹沒水深情況。最終，洪水風(fēng)險情況通過淹沒水深、淹沒范圍、堤防預(yù)警分析、河道沿程水位線來展示。淹沒水深和堤防預(yù)警分析分不同等級及顏色直接展示在系統(tǒng)頁面上，淹沒水深分為7個等級，＜0.2 m，0.2 ～ 0.5 m，0.5 ～ 1.0 m，1.0 ～ 1.5 m，1.5 ～ 2.0 m，2.0 ～ 3.0 m，＞3.0 m，堤防預(yù)警分析是將堤頂與水位的距離分為4個等級來表示，分為＜0.0 m，0.0 ～ 0.8 m，0.8 ～ 1.2 m，＞1.2 m。

3.3 動態(tài)洪水風(fēng)險分析功能實現(xiàn)

系統(tǒng)在水雨情數(shù)據(jù)傳輸層面和浙江省防汛平臺對接，實現(xiàn)對研究區(qū)域相關(guān)控制斷面的水雨情信息進(jìn)行實時接收并存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)。在時間選擇框內(nèi)對洪水發(fā)生的時段進(jìn)行確定，系統(tǒng)便自動導(dǎo)入指定時間內(nèi)并且已經(jīng)入庫的控制斷面水位數(shù)據(jù)，在點擊風(fēng)險圖繪制按鈕，系統(tǒng)便開始進(jìn)行繪制運算。實時洪水風(fēng)險圖局部繪制功能見圖5。

為驗證洪水風(fēng)險圖管理系統(tǒng)的風(fēng)險圖動態(tài)繪制的模塊功能，特采用研究區(qū)域各水文站點2014年8月20號14時的洪水水位，繪制了風(fēng)險圖。對研究區(qū)域內(nèi)的35個洪痕調(diào)查水位與系統(tǒng)內(nèi)的實時計算水位相比較，最高水位誤差小于0.27 m，平均水位差為0.11 m。對研究區(qū)域內(nèi)的28處調(diào)查水深與實時計算的水深比較，最大水深誤差小于0.30 m，平均水深差為0.20 m。總體看，動態(tài)洪水風(fēng)險繪制功能在提高結(jié)果數(shù)據(jù)實時性的基礎(chǔ)上，亦可有效地配合決策調(diào)度工作。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)建成后，GIS地圖的響應(yīng)時間＜5 s，風(fēng)險圖繪制響應(yīng)時間≤10 s，災(zāi)情統(tǒng)計等復(fù)雜報表響應(yīng)時間≤5 s，信息查詢響應(yīng)時間＜3 s，可連續(xù)24 h不間斷工作。

提出一套基于GIS技術(shù)的動態(tài)洪水風(fēng)險圖繪制及管理的設(shè)計方案。結(jié)合實際項目驗證了該方案符合防汛業(yè)務(wù)需求，且從技術(shù)手段上具有可行性。本次設(shè)計的風(fēng)險圖的繪制模式，突破了傳統(tǒng)風(fēng)險圖模式，改變以往風(fēng)險圖需要預(yù)先加工制作的復(fù)雜繁瑣的模式，通過實時獲取的水雨情信息和當(dāng)?shù)氐墓こ绦畔?，動態(tài)生成洪水風(fēng)險圖，提高了結(jié)果數(shù)據(jù)的實時性，亦可有效配合決策調(diào)度工作。

[1] 譚徐明，張偉兵，馬建明，等.全國區(qū)域洪水風(fēng)險評價與區(qū)劃圖繪制研究[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2004(1)：54 - 64.

[2] 杜文印，肖羽.動態(tài)洪水風(fēng)險圖在佛山城區(qū)防洪中的應(yīng)用[J].水利信息化，2014(2)：9 - 14.

[3] 李娜.GIS技術(shù)在洪水風(fēng)險圖編制中的應(yīng)用[J].中國水利，2005(17)：17 - 19.

[4] 趙會兵.基于SQLServer 2008的空間分析研究[D].長沙：湖南科技大學(xué)，2010.

[5] 李正學(xué)，許捍衛(wèi).基于開源的輕量級WebGIS開發(fā)框架的研究與實現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2015(5)：53 - 55.

[6] 徐相林.基于ASP.NET技術(shù)的B/S三層結(jié)構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2008(S1)：34 - 35.

[7] 黃佳音.黃河干流典型河段概化模型研究與應(yīng)用[D].天津：天津大學(xué)，2007.

（責(zé)任編輯 黃 超）（責(zé)任編輯 黃 超）

Design and Implementation of Mountainous Flood Risk Mapping
and Management System Based on GIS

JIANG Li，JIN Jing，MENG Jie
(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Hangzhou 310002，Zhejiang，China)

The method of dynamic drawing fl ood risk map is used to meet the demand of fl ood control commanding and dispatching，in order to improve the effectiveness of fl ood risk map in fl ood control decision - making.Taking Lishui area as the research area，we chose a lightweight Web GIS development framework to build a fl ood risk mapping and management system.With such functions as query of fl ood control project，dynamic fl ood risk analysis and calculation，levee risk analysis and early warning，breach scheme，and typical fl ood history view，the application system is able to support fl ood control decision making.Result shows that dynamic fl ood risk system can provide not only a more accurate fl ood submerging analysis，but also a new idea for the research on fl ood risk map.

mountain area；fl ood risk map；dynamic fl ood risk analysis；GIS；open source GIS

TV122

A

1008 - 701X(2017)02 - 0020 - 05

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.006

2016-05-24

水利部“948”項目(201517)；浙江省水利廳科技項目(RA1401)。

蔣 力(1963 - )，男，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事水利規(guī)劃與水利信息化方面工作。

E - mail：292039471@qq.com

金 晶(1980 - )，男，工程師，碩士，主要從事水利信息化及計算機(jī)自動化控制工作。

E - mail：birdy_kj@hotmail.com