基于開源GIS和數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)研究

鐘 華，馬 婷，王旭瀅，嵇海祥

（1．南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2．諸暨市水利局，浙江 諸暨 311800；3．上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335；4．水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210029）

0 引言

洪澇災(zāi)害一直是人類面臨的最主要的自然災(zāi)害之一。洪水風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)信息通過圖形形象化的表現(xiàn)，既可輔助防汛決策者、政府相關(guān)管理人員、社會(huì)公眾更能很好地了解洪水風(fēng)險(xiǎn)狀況，也是社會(huì)公眾和各利益相關(guān)者針對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)問題和管理措施進(jìn)行溝通交流、協(xié)調(diào)的最直接手段[1]。編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，可直觀了解流域或區(qū)域遭受洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)性，為防災(zāi)減災(zāi)等提供技術(shù)支撐[2]。依據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》，洪水風(fēng)險(xiǎn)分析方法主要有水文學(xué)法、水力學(xué)法和歷史水災(zāi)法。

自2013年起，國內(nèi)多個(gè)城市、蓄滯洪區(qū)、防洪保護(hù)區(qū)、水庫下游等典型區(qū)域積極推進(jìn)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制工作，取得了一定成效[3]。深圳市在河灣片區(qū)開展洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制試點(diǎn)工作，開展城市洪澇模型研究與風(fēng)險(xiǎn)圖繪制和預(yù)警調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)[4]。寧波市城區(qū)風(fēng)險(xiǎn)圖已實(shí)現(xiàn)與流域降雨、洪水預(yù)報(bào)成果對(duì)接，利用預(yù)測(cè)降雨信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析及風(fēng)險(xiǎn)圖的動(dòng)態(tài)生成，有效提高了區(qū)域防汛減災(zāi)信息化水平[5]。衢州市城市洪水風(fēng)險(xiǎn)信息管理系統(tǒng)利用 GIS 平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提供實(shí)時(shí)水雨工情查看、洪澇數(shù)值模擬與動(dòng)態(tài)展示、社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估、動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制與管理等功能[6]。從實(shí)際防汛需要出發(fā)，開展動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制與應(yīng)用，發(fā)展基于 GIS 和 Web 技術(shù)開發(fā)的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)，能夠分析洪水風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，提早研判風(fēng)險(xiǎn)河段、時(shí)間；智能分析漫頂或潰堤后的淹沒范圍，查詢受影響區(qū)域內(nèi)的人口、重要基礎(chǔ)設(shè)施等，可增強(qiáng)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的實(shí)用性[7–9]。

基于 GIS 平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和 B/S 架構(gòu)的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)已不斷發(fā)展，然而，由于我國區(qū)域發(fā)展不平衡，部分地區(qū)水利信息化軟硬件基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖開發(fā)中第三方商業(yè)化軟件采購占開發(fā)成本近一半。因此，本研究主要利用開源GIS 平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，結(jié)合自主開發(fā)的水文水動(dòng)力數(shù)值模型，搭建動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)，以大幅度降低系統(tǒng)開發(fā)成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于開源 GIS 和數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)）基于 J2EE 規(guī)范的軟件體系架構(gòu)，廣泛采用 J2EE 的中間件及組件庫作為系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)，支持跨平臺(tái)（Windows/Linux/Unix）部署。采用 Tomcat 作為主要的 WebContent中間件，具有較強(qiáng)的移植、擴(kuò)展和集成能力。采用 GeoServer 發(fā)布地圖服務(wù)，采用 uDig 對(duì)發(fā)布的地圖（矢量、DEM 等）進(jìn)行美化，采用 OpenLayers進(jìn)行客戶端應(yīng)用開發(fā)，采用 MySQL 作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

1.2 功能設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)基于高精度地形圖、數(shù)字地形高程、影像圖等，建立水文學(xué)模型（分析流域、區(qū)域降雨產(chǎn)匯流過程）、水動(dòng)力學(xué)模型（分析流域區(qū)域河網(wǎng)洪水演進(jìn)、河道漫堤及潰堤情況下的地表洪水淹沒過程）和雨洪管網(wǎng)模型（計(jì)算城市區(qū)域雨洪管網(wǎng)排水過程），具備模擬區(qū)域洪水傳播及暴雨致澇過程，能夠集成致災(zāi)因子動(dòng)態(tài)設(shè)定、洪水實(shí)時(shí)演進(jìn)分析、災(zāi)情實(shí)時(shí)分析、撤退轉(zhuǎn)移路線實(shí)時(shí)規(guī)劃等功能模塊。

動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)可考慮致災(zāi)因子的不確定性和區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)快速預(yù)判及分析的現(xiàn)實(shí)需要，將暴雨、洪水、風(fēng)暴潮、潰堤、潰壩等造成和影響洪澇過程的致災(zāi)因子賦予靈活的輸入功能，同時(shí)考慮泄洪（排澇）閘泵開啟、人工爆破口門啟用等防洪防澇應(yīng)對(duì)措施，可對(duì)這些致災(zāi)因子的組合、量級(jí)、空間位置等進(jìn)行設(shè)置，以便客觀反映致災(zāi)因子及其導(dǎo)致的洪澇過程及風(fēng)險(xiǎn)，適應(yīng)防汛指揮調(diào)度的實(shí)際需求。對(duì)城市區(qū)域、水庫及下游區(qū)、防洪保護(hù)區(qū)、蓄滯洪區(qū)等典型地區(qū)的實(shí)時(shí)洪水模擬，有助于防汛管理部門開展搶險(xiǎn)救災(zāi)、避災(zāi)轉(zhuǎn)移及損失評(píng)估等工作。動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 功能架構(gòu)

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫采用 MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，具有開放式架構(gòu)、功能穩(wěn)定、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在遵守GPL 協(xié)議的前提下，可免費(fèi)使用與修改。

動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括方案、計(jì)算結(jié)果、基礎(chǔ)配置和雨水情 4個(gè)管理專題類別。數(shù)據(jù)庫中的表和字段命名規(guī)則根據(jù)數(shù)據(jù)表和字段的中文名稱確定，大部分采用中文名稱的英文翻譯，其余采用英文翻譯的首字母縮寫。每種分類對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)表

1.4 開源 GIS 技術(shù)應(yīng)用

開源 GIS 是采用開放源代碼、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的平臺(tái)，具有便于數(shù)據(jù)共享和互操作、可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)。

常用的開源 GIS 技術(shù)主要有：

1）GeoServer。GeoServer 是 OpenGIS Web 服務(wù)器規(guī)范的 J2EE 實(shí)現(xiàn)，利用 GeoServer 可以方便地發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，允許用戶對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、刪除、插入操作，并能在用戶之間迅速共享空間地理信息。

2）uDig。uDig 是一款開源桌面 GIS 軟件，基于 Java 和 Eclipse 平臺(tái)，可以進(jìn)行 Shp 格式地圖文件的編輯和查看，對(duì) OpenGIS 標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)GIS、網(wǎng)絡(luò)地圖和功能服務(wù)器有特別的加強(qiáng)。

3）OpenLayers。OpenLayers 是一個(gè)用于開發(fā)WebGIS 客戶端的 JavaScript 包，支持包括 Google Maps，Yahoo，Map，微軟 Virtual Earth 等多種來源的地圖。除此之外，OpenLayers 可提供矢量畫圖功能，方便動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)點(diǎn)、線、面地理數(shù)據(jù)。同時(shí)，在 OpenLayers 提供的類庫當(dāng)中，還使用了類庫Prototype.js 和 Rico 中的部分組件，為地圖瀏覽操作客戶端增加 Ajax 效果。

開源 GIS 技術(shù)在動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)的應(yīng)用主要有以下 3個(gè)方面：

1）為洪水淹沒展示提供各類地理底圖，滿足在天地圖和影像圖上疊加展示淹沒水深、到達(dá)時(shí)間、淹沒歷時(shí)等數(shù)據(jù)。

2）提供地圖發(fā)布服務(wù)，滿足對(duì)實(shí)時(shí)洪水計(jì)算結(jié)果的前端二維展示。

3）提供空間分析和數(shù)據(jù)展示功能，用戶能在系統(tǒng)中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)圖中淹沒信息的各類圖、表進(jìn)行點(diǎn)選和查看。

1.5 洪水分析模擬

洪水分析模擬采用水力學(xué)方法，一維河道采用圣維南方程組模擬河道水流運(yùn)動(dòng)，二維地表洪水演進(jìn)采用水深平均的二維淺水方程模擬地表洪水演進(jìn)，以溢流/潰口單元對(duì)一/二維水動(dòng)力模型進(jìn)行耦合計(jì)算。采用歷史典型洪水對(duì)一/二維水動(dòng)力模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，以確定恰當(dāng)?shù)哪Ｐ蛥?shù)?；谝?二維水動(dòng)力模型，在已知上下游邊界水位/流量的條件下，能計(jì)算河道沿程水位過程及沿河地表淹沒范圍、水深、歷時(shí)等信息。

2 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析

將動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)，應(yīng)用于諸暨市浦陽江洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理與應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目中，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）信息查詢。綜合信息查詢和水雨工情信息等模塊為用戶提供各類信息查詢的服務(wù)，其中：綜合信息查詢模塊，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和臺(tái)風(fēng)信息的查詢；水雨工情信息模塊，包含雨情、水情和工情測(cè)站列表，用戶通過選擇測(cè)站和設(shè)置查詢時(shí)間段，可獲取實(shí)時(shí)水雨工情信息。

2）洪水風(fēng)險(xiǎn)查詢。洪水風(fēng)險(xiǎn)查詢模塊支持查詢淹沒水深、歷時(shí)和到達(dá)時(shí)間，能實(shí)現(xiàn)任意 2 場(chǎng)洪水間的結(jié)果對(duì)比，洪水風(fēng)險(xiǎn)查詢示意圖如圖3所示。

圖3 洪水風(fēng)險(xiǎn)查詢示意圖

根據(jù)模擬場(chǎng)次洪水每個(gè)網(wǎng)格淹沒的深度，動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)提取出整個(gè)洪水過程中的最大淹沒深度值繪制淹沒水深圖。根據(jù)每個(gè)網(wǎng)格開始淹沒到結(jié)束淹沒的時(shí)間，系統(tǒng)計(jì)算出淹沒歷時(shí)，并提取開始淹沒的時(shí)間點(diǎn)作為網(wǎng)格的到達(dá)時(shí)間值，繪制淹沒歷時(shí)和到達(dá)時(shí)間圖。

3）洪水分析計(jì)算。動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)集成建立的諸暨浦陽江流域一/二維水動(dòng)力、河道潰堤、蓄滯洪區(qū)分洪調(diào)度等模型，模擬洪水傳播過程，反映致災(zāi)因子及其導(dǎo)致的洪澇過程及風(fēng)險(xiǎn)，適應(yīng)防汛指揮調(diào)度的實(shí)際需求。

模型計(jì)算參數(shù)設(shè)置包括方案參數(shù)、邊界條件和潰口設(shè)置，相關(guān)頁面示例如圖4所示。動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)基于計(jì)算參數(shù)，生成潰口流量參數(shù)和計(jì)算控制文件，調(diào)用模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果文件自動(dòng)存入系統(tǒng)庫中。

圖4 動(dòng)態(tài)潰口設(shè)置頁面

4）洪水動(dòng)態(tài)展示。基于開源 GIS 及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)模擬風(fēng)險(xiǎn)圖某個(gè)方案的洪水演進(jìn)過程。以 2021年“煙花”臺(tái)風(fēng)浦陽江流域大洪水為例：浦陽江流域發(fā)生超歷史洪水，諸暨市平均降雨量為 359.2 mm，諸暨站水位為 11.94 m，超警戒水位 1.30 m；湄池站水位為 10.58 m，超警戒水位 2.38 m，超歷史最高水位 0.10 m；高湖蓄滯洪區(qū)新閘首次開閘分洪。動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)能有效模擬 2021年“煙花”臺(tái)風(fēng)期間諸暨市開啟高湖蓄滯洪區(qū)分洪的情況，展示分洪洪水演進(jìn)方向、流速、淹沒水深等動(dòng)態(tài)過程，系統(tǒng)模擬如圖5所示。

圖5 高湖蓄滯洪區(qū)分洪的系統(tǒng)模擬

5）洪水配置管理。洪水配置管理模塊提供管理洪水方案、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和邊界條件的功能，包括對(duì)風(fēng)險(xiǎn)圖方案的查詢、禁用和啟用，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型的添加、修改、刪除和具體數(shù)據(jù)的導(dǎo)入編輯，以及實(shí)時(shí)計(jì)算中所用斷面的添加、編輯、查看和刪除。

3 結(jié)語

洪澇災(zāi)害的發(fā)生是一個(gè)持續(xù)的過程，具有不確定性，靜態(tài)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖及防洪預(yù)案在一定程度上難以滿足實(shí)際洪水管理的需求。本研究基于開源GIS 平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、洪水分析模型研發(fā)動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際水、雨、工情及氣象信息進(jìn)行分析，對(duì)洪水信息變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算，并實(shí)時(shí)繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，從而為防汛管理提供決策支持。動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)應(yīng)用于諸暨市浦陽江洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理與應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目中，實(shí)際應(yīng)用和研究結(jié)果表明：基于開源平臺(tái)和軟件程序的系統(tǒng)，能根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)洪水模擬，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，動(dòng)態(tài)模擬受淹與退水過程等，在一定程度上提高了政府應(yīng)急管理、防汛減災(zāi)、避災(zāi)轉(zhuǎn)移的決策能力。

研發(fā)的動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)平臺(tái)有利于大幅度降低相關(guān)項(xiàng)目成本，為其他流域和城市的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制工作提供技術(shù)參考，有利于類似系統(tǒng)向水利信息化基礎(chǔ)較弱、相關(guān)資金較少的區(qū)域進(jìn)一步推廣，從而支撐新時(shí)期水利網(wǎng)信提升建設(shè)。