基于GIS技术的山区性洪水风险图绘制与管理系统的设计与实现

蒋 力，金 晶，孟 洁

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

基于GIS技术的山区性洪水风险图绘制与管理系统的设计与实现

蒋 力，金 晶，孟 洁

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

为了更好地提高洪水风险图在防汛决策中的时效性，用动态绘制洪水风险图的方法来满足实际防汛指挥调度的需求。以丽水地区作为研究区域，选择轻量级的Web GIS开发框架，根据防汛业务的需求，构建并实现了基于开源GIS的洪水风险图绘制及管理系统。该系统具备防汛工程的查询、动态洪水风险分析计算、堤防风险分析及预警、溃口方案分析、历史典型洪水查看等功能，成为可辅助防汛决策的应用系统。结果表明，动态洪水风险系统可以提供较准确的洪水淹没分析等结果，同时也是对洪水风险图研究内容的有效补充。

山区；洪水风险图；动态洪水风险分析；GIS；开源GIS

区域洪水风险图的绘制是国家为了提高洪泛区洪水防御能力而提出的防洪排涝非工程措施的举措。作为浙江省“五水共治”建设的重要技术支撑之一，洪水风险图绘制也是制定区域性防洪规划、部署防洪设施、指导洪泛区生产建设、制定洪水保险费率等工作的重要依据。目前，国家防洪抗涝总指挥部仅在技术层面上制定了静态洪水风险图的绘制规范，但因其时效性不强，在防汛指挥调度实际工作中作用有限[1]。为了更好地辅助防汛决策，制作动态洪水风险图的需求日趋迫切[2]。

从防汛需求和系统开发角度出发，构建了基于GIS技术的动态洪水风险图绘制和管理系统。提出的设计方案，突破了传统风险图需要预先加工制作的繁复模式，通过实时获取水情雨情信息和当地防汛工程信息，利用一维恒定流模型，动态生成洪水风险图，提高结果数据的实时性与实用性。

1 系统开发技术路线

系统整体设计的技术路线主要包含4部分：一是对系统所需求的数据收资、整理；二是针对收集的数据和功能需求设计数据库；三是构建系统主要的洪水风险分析的模型；四是实现系统的功能。系统设计的技术路线见图1。

图1 系统设计技术路线图

1.1 调查数据、测量数据、水文数据同步处理、入库

调查数据整理入库是将内业调查获取到的静态资料如：历史洪水调查资料、防洪工程信息、基础地理信息数据、社会经济统计信息、人口信息、河流水系、主要道路、防洪工程信息、历史洪水淹没资料及洪水调查资料等按照相应的数据要求进行标准化和规范化整理后入库。测量数据主要包含对地面高程、防洪保护区的堤顶高程、区域内主干河道及支流断面的测量，数据的精度、存储方式根据其采集方式、获取手段、收集渠道的不同而不同，需要对这些基础数据进行统一处理，并对其中的地理空间数据采用统一的地理坐标系统、高程系统将其存储入库。实时水文数据通过遥测系统获得，按照水利行业标准的实时水情雨情数据库表结构对数据进行整编入库。

在对所有调查及测量的数据进行整理、转换的过程中，分析检查数据的合理性及准确性，以满足洪水分析及系统的需要。

1.2 需求的细化及数据库的设计

洪水风险图系统主要作为防汛决策辅助的手段，需满足研究区域的水文雨量站以及防洪工程的快速定位及信息查询、洪水风险分析、风险图的灾情统计及管理等功能。根据系统需求，对收集整理的空间及非空间数据进行设计并构建数据库[3]。系统数据库设计采用Microsoft SQL Server 2008作为数据库存储空间数据和非空间数据。SQL Server 2008提供了全面性的空间支持，提供了Geography和Geometry两种空间数据类型用以存储空间数据[4]。

1.3 设计洪水风险动态分析计算模型

在详细剖析研究区域洪涝灾害的总体情况和空间时间分布特点的基础上，设计动态洪水风险分析算法。选取一维恒定流模型作为洪水风险分析方法，设计并实现河道沿程水位计算模型、漫堤区域的水位计算算法、漫堤区域的淹没水深分析算法以及结合研究区域的社会经济信息，实现淹没损失算法。

1.4 系统功能设计及实现

首先针对用户体验，结合业务需求，进行UI设计。设计的重点在于界面易于操作，使用较少的结构嵌套，易于理解的功能逻辑，使用户可以快速上手。主要模块有以下几个：

（1）与防汛业务相关的信息查询功能。结合在线天地图，实现区域内和其上下游水雨情实时查询的功能，并且能对区域内防洪工程、防洪保护区等信息进行展示、查询。

（2）动态洪水风险图绘制和预报洪水风险图绘制。前者是将区域内和上下游的水文站已有的控制断面水位信息自动导入系统，进行洪水淹没图绘制，并根据工程调度情况展开一系列分析。后者是将其他洪水预报软件产生的控制断面水位数据导入，进行洪水淹没图的绘制和分析。

（3）堤防风险分析预警。堤防风险分析预警是将河道的堤防分成多个堤段，根据动态计算的水位与堤防高程比较，分析哪些堤段已经漫堤、哪些堤段已接近漫堤、哪些堤段相对安全等，并对已经漫堤和即将漫堤的堤段分级别进行预警。

（4）溃口方案分析。动态洪水风险图绘制时提供设置溃口的功能，用户可以根据洪水发生时的真实溃堤、管涌情况，在相应位置设置溃口，用以更准确地模拟溃口方案。理论上，溃口可能发生在堤防的任意一处，有限的“溃口”方案难以应对实际防汛过程中所可能遇到的情况，因此风险图绘制的溃口设置可以很好的解决这个问题。

（5）洪水风险图管理。针对动态绘制的洪水风险图方案和历史典型洪水方案，提供用户保存、查询的功能。针对历史典型的洪水风险图提供历史过程不同时刻的查看。

2 系统框架设计

2.1 系统设计

系统设计采用轻量级的Web GIS开发框架，在开源插件Leafl et的架构基础之上，根据业务需求构建一个基于开源GIS的洪水风险图绘制和管理系统。系统架构设计遵循B/S结构，由表现层、业务层、数据层3层结构组成[5]。系统客户端主要由JavaScript网页技术实现，并通过Ajax技术实现与后台的交互逻辑；后台的业务逻辑主要由C#语言实现，并通过ADO.NET技术实现与底层数据库的交互查询；数据层采用SQL Server存储非空间数据和空间数据。

Leafl etAPI可以调用各种类型的在线地图服务来满足开发需要，如天地图、高德、MapABC等地图服务，在开源软件Leafl et的架构基础之下，仅需要考虑业务数据。系统的流程框架见图2。浏览器客户端向Web服务器发出请求，将参数传递给服务器，Web服务器解析请求，并根据需求请求数据库，提取对应的非空间数据和空间数据，并将其调度到Web服务器，Web服务器进行空间数据的可视化，客户端通过Ajax引擎的回调函数接收返回的结果，并解析数据中的空间信息和非空间信息，空间信息则通过Leafl et的类库进行可视化的显示。

图2 系统流程框架图

2.2 系统架构设计

系统架构设计遵循B/S结构，由表现层、业务层、数据层3层结构组成[6]。

（1）表现层是通过浏览器实现地理空间信息及其他相关信息的展示，为用户提供一个人机交互的界面。表现层通过获取用户输入和操作信息，并交由业务层去处理，然后对结果展示。在此系统框架下，表现层采用Leafl et地图库实现。Leafl et是一个开源的JavaScript库，它是为建设交互性好适用于移动设备地图而开发。系统界面采用Html语言在Aspx页面中实现，交互功能则利用JavaScript和C#共同实现。

（2）业务层是软件体系的功能体现，在此系统框架下，业务层使用JS和C#作为开发语言。业务层主要体现业务逻辑处理和业务流程实现以及与业务需求相关的功能，同时业务层在表现层和数据层之间起着数据传递的作用。

（3）数据层是系统数据管理和处理的基础，本次采用SQL Server作为数据库，来存储系统的空间数据和纯属性表数据。存储在SQL Server中的空间数据和纯属性表数据，均通过ADO.NET访问。对于空间数据获取，需通过Leafl et相关的类解析并可视化展示成相应的图层数据。

3 系统功能实现

3.1 一维恒定流模型

通常，天然河道的水流是非恒定非均匀流。但经验表明，天然河道的水力要素随时间的变化是非常缓慢的。因此，可以近似地认为，天然河道里的水流运动在一定时间内是恒定非均匀流[7]。本研究沿河道两岸划分防洪保护区，防洪保护区内的地势平缓，且除城区以外其他防洪保护区面积均小于10 km2。综合考虑，研究采用恒定非均匀流计算。根据已知的下边界水位、断面间距离、桩号、与断面形状有关的局部阻力系数以及上断面水位等，计算方法为假定一个流量Q，代入计算求解上边界水位Z，与实测上边界水位Z1相比较，若相差过大则重新选取流量Q，利用试算法逐步寻求最优解。方程如下：

式中：Z1，Z为上下游断面水位，m；V1，V2为为上下游断面平均流速，m/s；Q为断面间流量，m3/s；S为断面间距离，m；ζ 为局部阻力系数；a为流速系数；K 为平均流量模数。

试算方法采用二分法试算求解，将伯诺里方程变为：

式中：Q为试算流量，m3/s；则当Z≈Z1时，Q即为其解。试算时，Q的初始值应依据水位流量关系大致估算得出。

本次研究区域为瓯江流域的部分河段，研究范围涉及主干河道大溪及支流好溪。主要考虑水位测站的分布，选取已有的水位遥测站为节点，形成河道概化节点见图3。将主河道大溪分为11个计算部分：北埠大桥、上南山、石牛、白岩、丽水、开潭、五里亭、祯埠、外雄、船寮、三溪口。主干河流大溪段上边界为北埠大桥，下边界为三溪口，共布置164个实测断面，支流好溪布置27个实测断面。为得到较详细的沿程河道水位，对河道断面加密。

图3 河道概化示意图

各段模型计算时，根据一维恒定流模型，先从水雨情数据库读取上、下游水位测站的水位。假定各分段模型的上边界流量Q，并与下边界水位Z组成一对边界条件。依次计算下游到上游水位测站之间的断面水位，并试算到上游水位测站的水位，试算直至上游水位与实测上游水位的误差在一定范围之内为止。试算过程中的各断面水位，为河道沿程水位。其中好溪段下边界水位由丽水—开潭坝上段的水面线提取，区间汇入的好溪流量由黄渡水文站水位流量关系推求。

3.2 动态洪水风险分析算法

系统中实现动态洪水风险分析的流程见图4。

图4 系统实现动态洪水风险分析的流程框架图

图5 实时洪水风险图局部绘制成果图

根据实时读入的水雨情信息，获取各个计算河段的下边界河道断面水位，同时将实测河道断面参数、假定的上边界河道断面流量代入一维恒定流模型，迭代获得各计算河段内的各河道断面水位、流量以及上边界河道断面水位Z，将计算所得的上边界河道断面水位Z与通过实时水雨情数据库获得的上游河道断面水位Z1比较，若Z与Z1误差较大，则采用二分法重新试算，重新假定上边界河道断面的流量，并再次代入一维恒定流模型计算，直至Z ≈ Z1，则试算出的河道断面水位为河道沿程水位。

沿程水位将与防洪保护区的分段堤顶高程进行对比计算，分段堤顶高程低于沿程水位的防洪保护区将会漫堤。同时对堤顶与水位之间的距离差，分类设定为不同级别的预警阈值。

对于漫堤的防洪保护区，通过防洪保护区的水位与该区域的数字高程模型（DEM）进行叠加分析、计算，得到研究漫堤围区的洪水淹没水深情况。最终，洪水风险情况通过淹没水深、淹没范围、堤防预警分析、河道沿程水位线来展示。淹没水深和堤防预警分析分不同等级及颜色直接展示在系统页面上，淹没水深分为7个等级，＜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，堤防预警分析是将堤顶与水位的距离分为4个等级来表示，分为＜0.0 m，0.0 ～ 0.8 m，0.8 ～ 1.2 m，＞1.2 m。

3.3 动态洪水风险分析功能实现

系统在水雨情数据传输层面和浙江省防汛平台对接，实现对研究区域相关控制断面的水雨情信息进行实时接收并存储在系统数据库内。在时间选择框内对洪水发生的时段进行确定，系统便自动导入指定时间内并且已经入库的控制断面水位数据，在点击风险图绘制按钮，系统便开始进行绘制运算。实时洪水风险图局部绘制功能见图5。

为验证洪水风险图管理系统的风险图动态绘制的模块功能，特采用研究区域各水文站点2014年8月20号14时的洪水水位，绘制了风险图。对研究区域内的35个洪痕调查水位与系统内的实时计算水位相比较，最高水位误差小于0.27 m，平均水位差为0.11 m。对研究区域内的28处调查水深与实时计算的水深比较，最大水深误差小于0.30 m，平均水深差为0.20 m。总体看，动态洪水风险绘制功能在提高结果数据实时性的基础上，亦可有效地配合决策调度工作。

4 结 语

系统建成后，GIS地图的响应时间＜5 s，风险图绘制响应时间≤10 s，灾情统计等复杂报表响应时间≤5 s，信息查询响应时间＜3 s，可连续24 h不间断工作。

提出一套基于GIS技术的动态洪水风险图绘制及管理的设计方案。结合实际项目验证了该方案符合防汛业务需求，且从技术手段上具有可行性。本次设计的风险图的绘制模式，突破了传统风险图模式，改变以往风险图需要预先加工制作的复杂繁琐的模式，通过实时获取的水雨情信息和当地的工程信息，动态生成洪水风险图，提高了结果数据的实时性，亦可有效配合决策调度工作。

[1] 谭徐明，张伟兵，马建明，等.全国区域洪水风险评价与区划图绘制研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2004(1)：54 - 64.

[2] 杜文印，肖羽.动态洪水风险图在佛山城区防洪中的应用[J].水利信息化，2014(2)：9 - 14.

[3] 李娜.GIS技术在洪水风险图编制中的应用[J].中国水利，2005(17)：17 - 19.

[4] 赵会兵.基于SQLServer 2008的空间分析研究[D].长沙：湖南科技大学，2010.

[5] 李正学，许捍卫.基于开源的轻量级WebGIS开发框架的研究与实现[J].测绘与空间地理信息，2015(5)：53 - 55.

[6] 徐相林.基于ASP.NET技术的B/S三层结构设计和实现[J].电脑知识与技术，2008(S1)：34 - 35.

[7] 黄佳音.黄河干流典型河段概化模型研究与应用[D].天津：天津大学，2007.

（责任编辑 黄 超）（责任编辑 黄 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”项目(201517)；浙江省水利厅科技项目(RA1401)。

蒋 力(1963 - )，男，高级工程师，大学本科，主要从事水利规划与水利信息化方面工作。

E - mail：292039471@qq.com

金 晶(1980 - )，男，工程师，硕士，主要从事水利信息化及计算机自动化控制工作。

E - mail：birdy_kj@hotmail.com