基于GIS與平臺(tái)模擬水庫(kù)大壩的災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)研究

(梅州市大埔縣移民工作局，廣東 梅州 514299)

隨著極端天氣發(fā)生次數(shù)的增加，如何控制大壩洪水以及如何在面臨潰壩風(fēng)險(xiǎn)的情況下作出正確及時(shí)的應(yīng)對(duì)措施，是大壩安全管理決策者考慮的重要內(nèi)容。潰壩將造成下游庫(kù)區(qū)人民群眾嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失，給社會(huì)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大災(zāi)害。面對(duì)自然災(zāi)害的處理處置，關(guān)鍵在于作出正確的應(yīng)變。然而，由于應(yīng)急處置措施所涉及的環(huán)境、地形及洪水演變過(guò)程復(fù)雜，很難作出科學(xué)及時(shí)的處理處置措施。

專家決策傳統(tǒng)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)方式的可靠性依賴于決策者的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)洪水災(zāi)害的認(rèn)識(shí)。因此，近年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)展了大量研究來(lái)幫助決策者作出合理決策。諸如大壩疏散與實(shí)踐研究，小型水庫(kù)潰壩預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，計(jì)算和驗(yàn)證瞬時(shí)潰壩最大流量，為潰壩決策提供理論和技術(shù)支持等。然而，在洪水等緊急情況下，仍需要一個(gè)完整而準(zhǔn)確的“環(huán)境—地形—人群”信息。

利用GIS、Terra Vista和MultiGen Creator平臺(tái)對(duì)大壩、庫(kù)區(qū)、洪水及相應(yīng)的環(huán)境因素進(jìn)行數(shù)字化處理。利用DEM和疏散模型對(duì)洪水演變，災(zāi)區(qū)和退避路徑進(jìn)行計(jì)算和仿真，并根據(jù)決策思路對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證，為大壩災(zāi)害的響應(yīng)提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 大壩數(shù)字化建模

Terra Vista軟件用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的地形建模。MultiGen Creator 3用于集線器主樓，模型采用Open Flight格式，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Sql服務(wù)器，3D虛擬平臺(tái)采用ArcGIS。

1.1 3D地形生成

地形存儲(chǔ)在數(shù)字高程模型DEM(數(shù)字高程模型)格式中。DEM是地面模型，用有序的數(shù)值陣列表示地面高程。DEM是數(shù)字地形模型(數(shù)字地形模型，DTM)的一個(gè)分支，所有其他地形特征都可以從中導(dǎo)出。DTM是各種地貌因素(包括坡度，坡度方向，坡度變化率等)的線性和非線性組合的空間分布，其中DEM是零級(jí)的簡(jiǎn)單單一數(shù)字地貌模型，其他地貌特征如斜率、斜率方向和斜率變化率可以從DEM導(dǎo)出。

為了模擬地形的綜合信息，只有地形信息是不夠的，需要植被和河流等圖像數(shù)據(jù)，圖像通過(guò)谷歌地圖下載，分辨率精度為90m。遙感圖像以TIFF格式保存。地形模型與模型精度和計(jì)算機(jī)渲染能力之間存在矛盾。地形需要分區(qū)，LOD決定了Terra Vista的生成精度。儲(chǔ)層區(qū)域可用作較小的LOD。

1.2 樞紐建筑數(shù)字化

MultiGen Creator軟件用于中心建筑的建模。由此生成的文件OpenFlight是主流場(chǎng)景數(shù)據(jù)文件，OpenFlight使用樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)保存三維圖像。樹(shù)結(jié)構(gòu)由許多不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)組成，可使后期建筑物的交互式編程相對(duì)容易。模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 OpenFlight結(jié)構(gòu)示意

建模過(guò)程是提取繪圖信息并建立三維模型。建立模型有三個(gè)步驟：提取繪圖信息；建立三維模型；使用紋理進(jìn)行貼圖，可提高模型的保真度。建立模型時(shí)，在滿足顯示效果的前提下盡量減少面數(shù)。大壩樞紐模型見(jiàn)圖2。

圖2 石壩模型示意

1.3 建立計(jì)算模型

為了實(shí)現(xiàn)平面或三維計(jì)算，需要首先數(shù)字化相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)分區(qū)、區(qū)域參數(shù)分配和邊界信息。使用時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的計(jì)算方法和數(shù)字結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。巖心壩的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算的數(shù)字結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3。

1.4 存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

SQL sever 2008負(fù)責(zé)保存所有數(shù)字信息，實(shí)現(xiàn)的方法是從其他平臺(tái)導(dǎo)入并直接建立。直接導(dǎo)入是針對(duì)不需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，如集線器構(gòu)建的屬性、監(jiān)視儀器信息、監(jiān)視數(shù)據(jù)以及物理和機(jī)械參數(shù)。工程特征的數(shù)字保存格式見(jiàn)表1，測(cè)量值的數(shù)字保存格式見(jiàn)表2。

圖3 巖心壩應(yīng)力應(yīng)變數(shù)字結(jié)構(gòu)模型

表1 工程特性的數(shù)字存儲(chǔ)格式

表2 測(cè)量值的數(shù)字存儲(chǔ)格式

1.5 GIS的數(shù)字集成

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一種在20世紀(jì)60年代整合了計(jì)算機(jī)、地理和信息學(xué)的技術(shù)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的可視化引擎相比，GIS在空間查詢、空間分析和空間計(jì)算方面具有更多優(yōu)勢(shì)。GIS主要負(fù)責(zé)地形和建筑圖像的整合，并結(jié)合C#語(yǔ)言，利用DEM實(shí)現(xiàn)空間信息與數(shù)據(jù)庫(kù)信息的相互通信。

DEM是使用規(guī)則或不規(guī)則多邊形來(lái)擬合表面空間對(duì)象的表面，主要用于描述數(shù)字高程表面。根據(jù)多邊形的形狀，DEM可以分為網(wǎng)絡(luò)模型和不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)模型兩種類(lèi)型。與柵格模型類(lèi)似，空間對(duì)象直接由表面或空間枚舉表示。通常，網(wǎng)格模型的每個(gè)像素或像素的中心點(diǎn)表示特定區(qū)域內(nèi)的空間對(duì)象或?qū)嶓w的幾何特征，并且網(wǎng)格模型通常表示在與行和列的交點(diǎn)附近對(duì)象或?qū)嶓w的空間幾何屬性。GIS可視化集成圖見(jiàn)圖4。

圖4 GIS可視化集成圖

2 視覺(jué)分析模塊

可視化分析模塊主要基于GIS平臺(tái)，具有空間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、編輯、處理、分析、輸出、顯示和應(yīng)用的功能。目前，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)洪水演進(jìn)模擬、視覺(jué)查詢和應(yīng)急預(yù)案驗(yàn)證等功能。

2.1 洪水演變的可視化

有兩種方法來(lái)模擬導(dǎo)致潰壩的洪水，即瞬間潰壩和逐漸潰壩。利用Mike21軟件計(jì)算了潰壩洪水的數(shù)值模擬，利用DTM提供的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的可視化。DTM技術(shù)可以將區(qū)域水深、洪水到達(dá)時(shí)間、洪水淹沒(méi)持續(xù)時(shí)間等信息添加到GIS中，仿真圖見(jiàn)圖5。

圖5 模擬洪水演變過(guò)程

2.2 查詢信息可視化

在GIS模型中，可以通過(guò)點(diǎn)和區(qū)域的集中來(lái)實(shí)現(xiàn)信息和視覺(jué)查詢。設(shè)置與信息對(duì)應(yīng)的點(diǎn)空間與空間的觸發(fā)事件。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，信息與數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)信息的視覺(jué)查詢。三維查詢見(jiàn)圖6。

圖6 三維信息查詢

2.3 驗(yàn)證應(yīng)急計(jì)劃

應(yīng)急計(jì)劃有效性的一個(gè)重要因素是，擬議的方案是否能夠保護(hù)下游人員在洪水到來(lái)之前撤離到安全地點(diǎn)。在選擇方案時(shí)，安全點(diǎn)和疏散路線的選擇以及應(yīng)急設(shè)施的分配較復(fù)雜。傳統(tǒng)方法由專家和工程師的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，一旦判斷出錯(cuò)，或忽略一些細(xì)節(jié)將導(dǎo)致不可估量的損失。在這方面，利用GIS空間分析功能可以實(shí)現(xiàn)最佳的應(yīng)急路徑選擇。

根據(jù)洪水演變模擬，標(biāo)記下游區(qū)域的淹沒(méi)時(shí)間，然后計(jì)算下游人員從接到緊急指令到轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域的疏散時(shí)間，如式(1)～(4)所示。

t(i,j)=L(i,j)/V(i,j)

(1)

(2)

式中L(i，j)——i到j(luò)截面的長(zhǎng)度,m；

V(i，j)——實(shí)際行駛速度,m/s；

v0——沒(méi)有交通堵塞時(shí)車(chē)輛和行走的可能速度,m/s；

B(i，j)——該部分的交通系數(shù)；

Jm——道路擁堵和擁堵密度；當(dāng)?shù)缆窙](méi)有擁擠時(shí)，在根式之前取正號(hào)；當(dāng)?shù)缆诽幱趽頂D狀態(tài)時(shí)，在根式之前取負(fù)號(hào)。

考慮到混合交通和道路交通容量，可以根據(jù)vs的實(shí)際速度來(lái)校正交通容量v0：

v0=γρvs

(3)

式中γ——混合交通狀況的減少因子；

ρ——車(chē)道寬度的影響系數(shù)。

道路擁堵密度Jm的計(jì)算公式如下：

Jm=γα×1000n/(L+L0)

(4)

式中α——影響交叉影響的校正因子；

n——單向車(chē)道的數(shù)量；

L——車(chē)身的平均長(zhǎng)度,m；

L0——交通擁堵的平均清晰距離,m。

在GIS系統(tǒng)中輸入每個(gè)區(qū)域的人員信息，并根據(jù)物質(zhì)資源信息輸入每個(gè)部分的速度。GIS可以計(jì)算到達(dá)安全區(qū)域的時(shí)間。如果疏散時(shí)間小于洪水到達(dá)時(shí)間，則該計(jì)劃是可行的，否則應(yīng)再次搜索有效路徑。GIS中的ARC /INFO模塊可以提供最佳路徑選擇，可根據(jù)起始標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和路徑條件搜索到達(dá)目的地的最短路徑。

3 結(jié) 語(yǔ)

在GIS、Terra Vista和MultiGen Creator平臺(tái)的幫助下，將高精度大壩、庫(kù)區(qū)和洪水?dāng)?shù)字化信息，通過(guò)SQL服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的空間集成提供大壩變形，庫(kù)區(qū)和材料的洪水響應(yīng)所需的信息。GIS可以實(shí)現(xiàn)高精度洪水演進(jìn)仿真，可以更準(zhǔn)確地計(jì)算洪水損失和隨時(shí)間推移的淹沒(méi)狀態(tài)分析。

在數(shù)字水庫(kù)大壩模型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境，物料和人員三要素信息的相互作用，綜合分析洪水流量系統(tǒng)和生命損失統(tǒng)計(jì)，尋找最佳撤離路徑。同時(shí)，該方案可以根據(jù)決策的改進(jìn)進(jìn)行驗(yàn)證，為大壩災(zāi)害應(yīng)對(duì)的決策提供科學(xué)的分析方法。