洪泽湖防洪决策支持系统研究

沈晓娟

（江苏省水文水资源勘测局淮安分局，江苏淮安 223005）

0 引言

洪泽湖位于江苏省西北部，在北纬 33°06′～33°40′、东经 118°10′～118°52′之间，是淮河流域最大的湖泊，湖面分属淮安市盱眙、洪泽、淮阴和宿迁市泗阳、宿城、泗洪六县区。洪泽湖承泄淮河上中游15.8万km2流域面积的来水，是淮河中下游河道的联结点，是治淮关注的焦点之一。流域防洪规划中明确将洪泽湖作为调蓄水库，承担挡洪、蓄洪和行洪任务，在流域防洪中具有无可替代的作用。采用计算机技术建立洪泽湖防洪决策支持系统，可高效科学地进行防洪减灾工作。

1 洪泽湖防洪决策支持系统的总体构想

2011年11月10日，由江苏省水利科学研究院承担的“洪泽湖GIS导航及监控系统”、“洪泽湖管理信息系统研究”通过江苏省水利厅验收，标志着洪泽湖信息化工作已经起步。我们可以进一步运用 3S（RS、GIS、GPS）技术，完善洪泽湖基础信息数据库，实现洪泽湖各种基本资料和信息的整合，详尽地描述整个洪泽湖流域各方面的数据信息，如：地理地质环境、河流水系和历史水文资料、水利工程设施、自然资源、社会资源、经济资源等，能以数字的形式进行采集和获取，并通过计算机统一存储、管理和再现。在建设洪泽湖基础信息数据库的基础上，搭建若干防洪减灾综合计算仿真模型，通过分析、计算和仿真研究，向管理人员提出防洪减灾的辅助决策建议，形成“洪泽湖防洪决策支持系统”。这样，当洪泽湖流域发生洪涝灾害时，可以在计算机环境中，模拟洪水的形成和演变过程以及它们与周边地区相互作用的场景，有利于科学有效地开展洪水预报并确定洪水影响程度，便于各级水行政主管部门调度和处置，实现从“人力防洪”向“科技防洪”的转变。

图1 洪泽湖防洪决策系统基本结构

2 洪泽湖防洪决策支持系统的基本结构

洪泽湖防洪决策支持系统主要由三个层次构成，如图1所示。（1）基础层——洪泽湖基础信息数据库；（2）应用层——洪泽湖防洪计算仿真；（3）决策层——洪泽湖防洪辅助决策。

2.1 洪泽湖基础信息数据库

综合运用 RS、GIS、GPS、多媒体和网络等技术，将洪泽湖流域的雨情、水情、工情、机情、电情、灾情等实时监测数据，以及地理环境、人文景观、人口分布、社会和经济状态等各种信息进行数字化采集和存储，建立洪泽湖流域基础信息数据库。该信息数据库的主要功能是：实现信息的管理、查询、显示及多媒体输出；研制相应的信息管理和分析系统，实现各类信息的共享；利用RS、GIS、GPS及VEML技术，实现数据、报表与图形、图像的综合分析与查询。

2.2 洪泽湖防洪计算仿真

洪泽湖防洪计算仿真，是建立在基础信息数据库的基础上，针对不同的洪水特性和管理要求，建立相应的计算仿真模型，例如：洪水预报模型、洪水演进模型、防洪调度模型、蓄滞洪区运用模型、灾情评估模型、洪水风险管理模型、堤坝安全评估等等。输入洪泽湖基础信息数据库的各类数据，进行空间计算分析和过程模拟仿真，重点研究洪水的时空变化规律，以及受流域下垫面特性的影响。根据已知信息，预测既定断面的水位、流量，准确揭示洪水的形成机理及其演变规律。

2.3 洪泽湖防洪辅助决策

洪泽湖防洪辅助决策，是针对用户提出的防洪减灾、工程调度等具体任务，依据防洪法规、设计规范、行业标准以及专家知识经验，在已有观测数据和计算仿真研究的基础上，概括归纳整理出具体规则与标准，通过人工智能和专家系统的推理机制，自动进行综合规则生成，针对不同的洪灾情况，提出相应的防洪减灾应急措施和方案，为领导指挥防汛抢险提供辅助决策建议。

3 洪泽湖防洪决策支持系统的主要功能

洪泽湖防洪决策支持系统的主要功能是：根据洪水的形成和演变过程，为指挥防洪减灾提供决策支持。其系统功能结构如图2所示。

图2 系统功能结构图

3.1 信息查询与统计

通过智能和联想查询方式，为防洪决策直接提供各种相关信息，包括：空间位置、地理背景、工程图、属性特征、仿真计算成果等，并提供Internet综合查询，防汛相关单位可以在IE浏览器上对本系统中的信息进行双向查询。

3.2 洪水预报

传统的流域水文预报模型一般只能给出产汇流过程空间上的均化结果，这与洪泽湖流域产汇流空间分布不均匀的实际情况不符。降雨和下垫面特征空间分布不均匀性是导致流域产汇流空间分布不均匀的根源。因此，建立与之相适应的空间分布式洪水预报模型是提高洪泽湖洪水预报精度的关键所在。

3.3 洪水演进

利用GIS技术提取洪泽湖流域的水文、水力学特性，并将水力学特征参数作为边界或控制条件，可对洪水过程进行仿真计算及动态演示。以三维地形和不同的水位综合演示洪水淹没行为的时空变化及水体形态，能够正演和反演洪水的推进轨迹，立体演示洪水水位涨落过程和淹没区域；能实时显示洪水的流速、流量、水位、淹没面积等参数；利用虚拟现实技术，在流域三维地形和景观的基础上，逼真地演示洪水动态行进的情景，让管理人员能从各个角度观察洪水行为。

3.4 防洪调度

洪泽湖是淮河流域最大的调蓄湖泊，淮河及淮北各支流的来水经其调蓄后入江、入海。洪泽湖防洪工程体系主要由三河闸、二河闸、高良涧闸和新二河闸组成。洪水的形成和发展具有随机性，各节制闸的地理位置、运用条件、防洪能力等有很大差异，防洪调度是一个复杂系统的优化组合运用。在数字洪泽湖的环境下，将突出对信息资源的共享和有效利用，紧密结合洪水的实际情况，对不同类型的洪水采用不同的防洪调度策略，构建高效、可靠的洪泽湖流域防洪调度体系，实现智能调度决策，最大限度地减轻洪涝灾害损失。

3.5 堤坝安全综合评价

系统对堤坝的安全状况进行综合评价，对不安全因素经过成因分析后，提出辅助决策的建议，使堤坝在保证安全运行的前提下，充分发挥工程效应。由于堤坝的工作条件十分复杂，观测资料多，分析计算工作量大，传统的方法很难进行及时处理。GPS作为一种新型的定位信息采集技术，与常规测量技术相比，具有全天候、实时高效和自动化监测的优点，其表面定位精度可到厘米级甚至毫米级。因此，以RS和GPS作为快速获取洪泽湖流域堤防基础数据的技术手段，以GIS作为管理和分析堤坝空间信息的基础平台，以ES对堤防安全状态做出综合评价和辅助决策。

3.6 灾情评估与风险管理

洪水灾害评估是一个多层面的工作，包括灾前预评估、灾中实时评估及灾后调查评估。评估的主要内容为：洪水灾害的自然特征，如洪水灾害发生的时间、位置、影响范围、严重程度和发展趋势；社会经济特征，如洪灾对人口、房屋、农作物、基础设施的损害等。综合运用RS、GIS、GPS技术对洪灾进行大范围的实时监测和评估，可以准确及时地评估洪涝灾害损失，为抗洪救灾提供可靠的依据。采用风险分析、系统论等方法，建立适合洪泽湖的洪水风险管理理论和方法，对特定水情条件下的洪水险情，制作洪泽湖流域防汛综合风险图。并通过洪灾风险分析，建立防洪减灾安全保障体系，使防洪减灾的决策更为科学合理，使赈灾及灾后重建更为科学有序。

4 洪泽湖防洪决策支持系统的关键技术

4.1 水文预报模型

现有的水文预报模型多是集总式的概念性模型和具有经验函数的关系模型，模型在结构上主要借助于概念性元素和经验函数对水文过程进行模拟，这种模拟只涉及现象的表面而不能反映本质，难以揭示水文过程的内在机制。与概念性模型相比，分布式模型采用数学物理方程来描述水文过程的各个子过程，考虑降雨和水文过程的分散性和空间变异性，因而能更全面地描述水文过程。随着地理信息系统、数字化高程模型和遥感技术的迅速发展，高精度洪泽湖分布式水文预报模型的建立已成为可能。分布式洪水预报模型不仅能推求一个或多个站的流量过程线，而且能十分方便地给出地表径流和地下径流的空间水文信息。GIS支持下的分布式水文模型的参数具有明确的物理意义，可以根据其本身的特性由气象及自然地理等方面的资料获得，不完全依赖于实测资料，因此能解决无资料地区的产汇流问题。

4.2 洪水优化调度技术

洪泽湖防洪调度是通过统筹考虑上下游的安全，在权衡安全性与经济性的基础上，决策洪泽湖的蓄泄过程。随着人们对洪水特性认识的不断深入、相关领域新理论与方法的不断出现，以及计算机技术和信息技术的发展，防洪调度技术获得了长足的发展，并随着防洪工程建设规模加大而不断丰富和扩大，经历了由简单到复杂的演化过程。近年来，系统科学中的排队论、存贮论和对策论、模糊数学、灰色系统理论、人工神经网络理论、遗传算法等多种理论和方法被引入防洪调度，洪泽湖防洪调度可采取大系统多目标理论，即：把一个大型的最优化问题分解成几个相对较小的问题，给问题的求解和方法的选用带来了极大的便利，根据不同层次问题的基本特征，构造不同的模型。多目标分析方法与单目标分析相比，可考虑不同目标的组合以及更多的实际影响因素，具有更加广泛的应用范围和更优的求解能力。

4.3 洪灾损失评估方法

洪泽湖洪水灾害损失评估研究，首先，通过遥感和遥测技术建立土地利用、人口财产密度等基础社会经济数据库。遥感可以快速实时得到当前洪水淹没范围和深度等信息，在数据覆盖面上远远优于以往人工现场调查的途径。GIS技术则在数据的存贮、快速展示、查询、操作、计算等各方面极大提升效率，帮助洪灾损失评估计算达到更高的精度。其次，确定洪灾损失分析的流量等级，开展资产调查，估算各个流量等级的财产损失。

5 结束语

洪泽湖防洪决策支持系统与自动遥测系统、雷达或卫星捕获的实时雨量信息连接，取得实时数据，利用计算机技术模拟洪水演进，进行防洪调度、灾情评估、风险管理等辅助决策，从宏观上可以加强对洪泽湖水资源的统一管理和调配，有效地控制和管理洪水，最大限度地减轻洪涝灾害损失，有利于提高洪泽湖防洪数字化和智能化的科学管理水平。