蓄滯洪區(qū)洪災(zāi)避險(xiǎn)遷移路徑規(guī)劃研究

朱大棟，朱 昊*，王 遠(yuǎn)，陳寅達(dá)，徐 毅

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2.江陰市水利工程有限公司，江蘇 無(wú)錫 214407；3.江蘇省水文水資源勘測(cè)局無(wú)錫分局，江蘇 無(wú)錫 214125）

隨著江河流域防洪體系不斷完善及整體防洪能力的提高，常遇洪水得到有效控制，但特大洪水的威脅依然存在［1］。蓄滯洪區(qū)是防洪減災(zāi)體系中的重要組成部分［2］，除加強(qiáng)防洪工程建設(shè)外，洪災(zāi)避險(xiǎn)是避免或減少災(zāi)害造成人員傷亡的直接有效的手段［3］。優(yōu)化逃生路線將有助于指導(dǎo)災(zāi)民安全迅速地撤離，增強(qiáng)其應(yīng)對(duì)洪災(zāi)能力，也將為蓄滯洪區(qū)開發(fā)區(qū)劃以及洪水風(fēng)險(xiǎn)決策管理等提供參考依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于蓄滯洪區(qū)避險(xiǎn)遷移路徑規(guī)劃方面的研究已有較多成果。通過建立二維水動(dòng)力學(xué)模型，李文杰等［4］利用該模型獲得的區(qū)域洪水淹沒范圍，通過分析模型，獲得了洪水淹沒過程中的水深分布以及不同時(shí)空分布下的洪水流動(dòng)情況等信息。周杰等［5］通過將一維和二維水動(dòng)力模型耦合，根據(jù)計(jì)算模擬的結(jié)果，對(duì)洪澤湖周邊蓄滯洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)要素動(dòng)態(tài)分布進(jìn)行研究，完成了洪水風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估。王曉磊等［6］模擬洪水的演進(jìn)過程，獲取洪水淹沒范圍，流場(chǎng)分布并繪制了蓄滯洪區(qū)50年一遇的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。

上述研究大多采用數(shù)學(xué)模型模擬了洪水演進(jìn)過程，獲得洪水淹沒深度、淹沒范圍及淹沒時(shí)間等要素，而針對(duì)蓄滯洪區(qū)洪災(zāi)發(fā)生時(shí)居民避險(xiǎn)遷移優(yōu)化路線的規(guī)劃研究還較少。本文以洪澤湖周邊蓄滯洪區(qū)成河鄉(xiāng)為例，在洪災(zāi)避險(xiǎn)及路徑規(guī)劃策略分析的基礎(chǔ)上，通過無(wú)人機(jī)測(cè)量獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)精細(xì)DEM并確定遷移單元，通過路權(quán)分析確定最佳撤離路線，針對(duì)降雨及洪水淹沒2種因素設(shè)計(jì)不同的選擇方案。

1 研究要素

為保證受災(zāi)區(qū)人員的安全撤離，需要制定科學(xué)合理的避險(xiǎn)遷移策略，洪災(zāi)遷移策略是保證居民生命安全的重要行動(dòng)方針。遷移策略的制定必須依據(jù)洪災(zāi)避險(xiǎn)的原則，結(jié)合洪水淹沒分析的結(jié)果，通過分析獲取區(qū)域淹沒水深及淹沒范圍，得出避險(xiǎn)遷移的范圍。根據(jù)洪水要素及人員信息確定遷移單元以及安排遷移的批次，根據(jù)安全位置的選取原則，確定洪水區(qū)域內(nèi)的安全避險(xiǎn)場(chǎng)所，為后期的路徑規(guī)劃提供依據(jù)。

1.1 避險(xiǎn)遷移要素

（1）遷移范圍。根據(jù)洪水淹沒分析的結(jié)果，確定各區(qū)域的淹沒情況，如淹沒水深或者流速等確定遷移的范圍。

（2）避險(xiǎn)分區(qū)。根據(jù)確定的避險(xiǎn)遷移范圍和居民區(qū)人口分布數(shù)據(jù)對(duì)受災(zāi)區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分。

（3）遷移單元。根據(jù)洪水演進(jìn)時(shí)間的不同和人員分布來確定人員遷移的不同批次，通常情況下以一個(gè)范圍內(nèi)的全部人員為單元。

1.2 安全位置確定

確定洪泛區(qū)安全位置是洪災(zāi)避險(xiǎn)的重要內(nèi)容之一，也是洪水災(zāi)害管理費(fèi)工程措施重要組成部分。在洪災(zāi)發(fā)生時(shí)，快速確定受災(zāi)區(qū)域的安全位置是高效規(guī)劃避險(xiǎn)路線的關(guān)鍵，也是安全疏散受災(zāi)區(qū)居民的重要環(huán)節(jié)。安全場(chǎng)所需顧及洪泛區(qū)的人口及其分布。一般情況下，選擇容納一定數(shù)量人口的廣場(chǎng)、公園、體育場(chǎng)、操場(chǎng)或者空地等。在洪災(zāi)發(fā)生時(shí)，可在該類區(qū)域搭建臨時(shí)避難建筑以供災(zāi)民暫時(shí)安頓。具體來說一般包括以下幾個(gè)方面。

（1）選址地點(diǎn)不能選擇地勢(shì)低洼區(qū)域，且要避開劣質(zhì)土層，防止出現(xiàn)滑坡等。要避開洪水尚未淹沒但后續(xù)可能淹沒的區(qū)域，保證該地點(diǎn)的絕對(duì)安全。

（2）避免選在地震帶上，避開高層建筑，以避免出現(xiàn)坍塌、墜物等造成的傷害。遠(yuǎn)離易燃易爆的工業(yè)場(chǎng)所等區(qū)域，避免出現(xiàn)二次傷害，同時(shí)應(yīng)選擇地質(zhì)情況穩(wěn)定、地勢(shì)較高并遠(yuǎn)離河流及其他水域的地方。實(shí)驗(yàn)區(qū)所選擇的洪澤湖西岸的成河鄉(xiāng)地區(qū)，有一定數(shù)量的人工圈圍的養(yǎng)蟹池，在該地區(qū)選址時(shí)也需要顧及此類因素。

（3）根據(jù)人員數(shù)量的多寡設(shè)置不同數(shù)量的安全區(qū)，在人口密集、活動(dòng)頻繁的地區(qū)應(yīng)多設(shè)置安全區(qū)或者設(shè)置大安全區(qū)。同時(shí)，應(yīng)兼顧地區(qū)的容納能力，靈活調(diào)整人員安置，避免浪費(fèi)時(shí)間。

（4）顧及避難場(chǎng)所選址的規(guī)模，選用的臨時(shí)避險(xiǎn)安置區(qū)理論上不需要較大的面積，而且要盡量保證較小的人均占用面積，通常維持在1~2m2，總體面積一般在10 000m2左右。固定避險(xiǎn)安置區(qū)域居民停留的時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)一些基礎(chǔ)設(shè)施的要求較高，所以需要更大的避難空間，一般情況下為2~3m2的人均面積，總面積一般情況下應(yīng)不小于15 000m2，服務(wù)半徑一般為500~2 000m為宜。

1.3 路權(quán)函數(shù)分析

最短路徑分析主要是通過數(shù)學(xué)模型解算洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域與安全避難場(chǎng)所之間的最短路徑，分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間和多個(gè)點(diǎn)間2種最短路徑類別。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的最短路徑是指在網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)點(diǎn)之間的花費(fèi)路徑最少的路徑，多點(diǎn)間的最短路徑則為先計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中全部點(diǎn)之間的最短路徑，然后再選擇其中花費(fèi)路徑最少的路徑。在洪災(zāi)發(fā)生時(shí)，需要確定受災(zāi)區(qū)域到安全避難場(chǎng)所的最佳路徑，因此最短路徑分析在洪水遷移策略中有著至關(guān)重要的作用。

1.4 路徑規(guī)劃策略

避險(xiǎn)路徑規(guī)劃受到多種因素的影響，客觀因素包括降水量、洪水進(jìn)水量等，在暴雨天氣條件下，降水量和洪水進(jìn)水量是影響路徑規(guī)劃的重要因素。結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，按照單一考慮降水量以及綜合考慮雨量和洪水進(jìn)水量2種情況，確定人員的避險(xiǎn)遷移路徑。

（1）在當(dāng)?shù)胤篮榛A(chǔ)設(shè)施較好的情況下，若洪水水位尚未超過防浪堤壩，此時(shí)并不需要考慮洪水進(jìn)水量，只需顧及一定時(shí)間內(nèi)的降水量即可。根據(jù)降水量的大小，判斷受災(zāi)區(qū)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，以此確定該條件下的避險(xiǎn)遷移路線。

（2）若洪水水位已經(jīng)高過防浪堤壩，即出現(xiàn)漫堤，則需要綜合考慮實(shí)時(shí)降水量和洪水的進(jìn)水量2種因素。此時(shí)，該地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的概率及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的形成速度將大大提高。根據(jù)實(shí)際降水量和洪水進(jìn)水量的大小，結(jié)合確定的安全避險(xiǎn)位置，快速規(guī)劃人員安全避遷的路線。

根據(jù)路網(wǎng)情況，在最短路徑的基礎(chǔ)上，擬定多條備選遷移路線。根據(jù)不同時(shí)刻各地區(qū)淹沒情況的變化，適當(dāng)調(diào)整遷移路線，以安全為主，不局限于最短原則，此方案適用于洪泛區(qū)內(nèi)交通路網(wǎng)較完備的情況。

2 實(shí)例分析

2.1 區(qū)域概況

本文選擇緊鄰洪澤湖西岸的成河鄉(xiāng)進(jìn)行了航飛實(shí)驗(yàn)，該區(qū)域位于江蘇省西北部、淮河下游的泗洪縣東部。洪澤湖降水量豐沛，泄洪道為淮河入江水道。測(cè)區(qū)三面環(huán)水，內(nèi)部有水道貫通洪澤湖，東西方向長(zhǎng)度約3.0 km，南北方向長(zhǎng)度約1.3 km，總面積約4.0 km2。測(cè)區(qū)內(nèi)主要地物為水塘、農(nóng)田，有少量低層建筑及若干高度大于100m的風(fēng)力發(fā)電塔。

2.2 測(cè)量方案

傾斜攝影是近年來航測(cè)領(lǐng)域逐漸發(fā)展起來的新技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)航測(cè)采集的垂直攝影數(shù)據(jù)，通過新增多個(gè)不同角度鏡頭，獲取具有一定傾斜角度的傾斜影像。應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)，可同時(shí)獲得同一位置多個(gè)不同角度、高分辨率的影像，采集豐富的地物側(cè)面紋理及位置信息。通過相關(guān)軟件自動(dòng)生成地面點(diǎn)云，然后通過影像密集匹配獲得地表點(diǎn)云，云自動(dòng)濾波后，可能會(huì)存在未能過濾的少量粗差點(diǎn)和自動(dòng)分類錯(cuò)誤的點(diǎn)，需進(jìn)行人工編輯以控制DEM的精度。人工編輯后，利用關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)，內(nèi)插之后將格網(wǎng)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，即可生成DEM。所生成的三維模型和DEM如圖1所示。

圖1 成河鄉(xiāng)的數(shù)字模型與DEM圖

2.3 路徑規(guī)劃

洪災(zāi)避險(xiǎn)遷移屬于疏散規(guī)劃研究的范疇，本文基于洪水淹沒分析的結(jié)果，結(jié)合避險(xiǎn)遷移的原則，制定科學(xué)的洪災(zāi)避險(xiǎn)遷移策略。在最短路徑的基礎(chǔ)之上，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況兼顧安置區(qū)容量、轉(zhuǎn)移方式、轉(zhuǎn)移批次以及轉(zhuǎn)移進(jìn)程中的擁堵等問題，確定區(qū)域內(nèi)的安全位置。綜合降水量和洪水進(jìn)水量2種因素，分別確定2種工況下的避險(xiǎn)遷移路線，利用ArcGIS軟件將規(guī)劃路線顯示在地圖上。

研究區(qū)成河鄉(xiāng)約有居民0.9萬(wàn)人，學(xué)校1個(gè)，開放式小區(qū)2個(gè)，有大面積平房居住區(qū)。該地區(qū)三面環(huán)水，內(nèi)部有水道貫通洪澤湖，且分布有若干人工圍筑的養(yǎng)蟹池。實(shí)驗(yàn)?zāi)M2003年洪水情況制定遷移路線。

根據(jù)區(qū)域淹沒情況，結(jié)合避險(xiǎn)遷移策略，將該區(qū)域進(jìn)行避險(xiǎn)遷移單元?jiǎng)澐帧Ｔ贏rcMap中，新建SHP文件，設(shè)置需要進(jìn)行劃分的區(qū)域名稱以及要素類型，通過Editor工具條完成對(duì)各要素類的編輯，設(shè)置單元屬性，輸入劃分區(qū)域的面積等。

根據(jù)避險(xiǎn)遷移的分區(qū)結(jié)果，結(jié)合區(qū)域地面高程以及淹沒情況確定安全位置。根據(jù)安全位置的確定原則，選擇未被淹沒、交通便利且具有一定容納能力的地區(qū)，滿足上述要求的地點(diǎn)2個(gè)，分別是龍集鎮(zhèn)居委會(huì)和上咀小學(xué)。將包含安全位置及主要居住區(qū)的靜態(tài)道路圖在ArcGIS中顯示，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)道路分布

該地區(qū)大部分區(qū)域?yàn)榈咎镆约八?，居住區(qū)面積小且分布密集，有利于避險(xiǎn)統(tǒng)一管理。整個(gè)地區(qū)有1條主線干道（527鄉(xiāng)道）。

2.3.1 僅考慮降水因素

如圖所示，在不考慮進(jìn)水量的前提下，該地區(qū)除工廠1區(qū)、工廠2區(qū)兩區(qū)域有部分被淹沒的情況，其余各地區(qū)域均未出現(xiàn)淹沒情況，527鄉(xiāng)道未被淹沒。利用ArcGIS中的網(wǎng)絡(luò)分析工具，生成道路網(wǎng)格，在路徑圖中添加各個(gè)區(qū)域的“?？奎c(diǎn)”，由于單一考慮降水量因素的情況下，該地區(qū)內(nèi)部的人口分布區(qū)的道路均未出現(xiàn)淹沒，可采用無(wú)權(quán)重最佳路徑，此情形下是以網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)短來確定最短路徑分析。添加劃分的區(qū)域圖層，生成的直觀路徑圖如圖3所示。

圖3 降水量因素洪水淹沒范圍

由生成的最短路徑可知，僅受降水量的影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)區(qū)大部分面積并未出現(xiàn)淹沒，尚咀人員可選擇L3路線撤離至龍集居委會(huì)，東咀三組人員可選擇L1，東咀四組人員可選擇L2，工廠1區(qū)和2區(qū)人員可選擇L4撤離至上咀小學(xué)區(qū)域。

2.3.2 考慮降水量及洪水進(jìn)水量雙重因素

綜合考慮降水量和進(jìn)水量，該地區(qū)東咀三組、東咀四組、工廠1區(qū)和工廠2區(qū)均出現(xiàn)淹沒，稻田被淹沒，527鄉(xiāng)道部分被淹沒，確定安全區(qū)域?yàn)樯暇仔W(xué)和龍集鎮(zhèn)居委會(huì)。在此情形下，由于該地區(qū)內(nèi)部的人口分布區(qū)域道路出現(xiàn)了淹沒情況，所以單一考慮兩者安全點(diǎn)和遷移點(diǎn)之間的最短距離不再適用。因此需要在路徑中添加“障礙”來表示路障，然后找到前往目標(biāo)點(diǎn)的備選路線。單一情況下的東咀三組的撤離路線L1被水淹沒，在該路段上添加1個(gè)“障礙點(diǎn)”，重新生成路線S1。生成的路徑如圖4所示。

圖4 雙重因素洪水淹沒范圍

當(dāng)受到降水量和進(jìn)水量雙重影響時(shí)，東咀三組人員由于線路被淹沒，可更改成Sl撤離至上咀小學(xué)區(qū)域，東咀四組選擇S2、工廠2區(qū)人員可選擇S4撤離至上咀小學(xué)區(qū)域，顧及安全區(qū)容納量，尚咀和工廠1區(qū)人員分別選擇S3和S5撤離至龍集居委會(huì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

研究闡述了洪災(zāi)遷移理論，通過路權(quán)函數(shù)分析得到受災(zāi)區(qū)與安全位置的最短路徑，結(jié)合洪水遷移原則制定了洪水遷移策略，并結(jié)合實(shí)例根據(jù)無(wú)人機(jī)測(cè)量結(jié)果，確定遷移單元并設(shè)定了避險(xiǎn)遷移規(guī)劃路徑。結(jié)合降水量及洪水淹沒2種因素提出不同避險(xiǎn)策略：當(dāng)考慮單一降水量因素時(shí)，可以選擇安全點(diǎn)和遷移點(diǎn)之間的最短距離確定無(wú)權(quán)重最佳遷移路徑；若受到降水量和進(jìn)水量雙重影響時(shí)，則洪水淹沒道路形成障礙，需重新規(guī)劃安全路線并顧及安全區(qū)容納量。