动态洪水风险图在无锡市城区防洪中的应用研究*

张小稳1 刘国庆 范子武

(1.无锡市防汛防旱指挥部办公室，江苏 无锡 214032；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

洪水风险是指未来可能引起灾害性后果的洪水发生的概率或频率。洪水风险图融合洪水特征信息、地理信息、社会经济信息，是防洪非工程措施中一种重要的方法[1-2]。洪水风险图通过洪水计算和风险判别,以图表形式直观地反映洪水威胁区域发生某一频率洪水后可能淹没的范围、水深、流速等洪水要素, 并表现不同量级洪水可能造成的灾害风险和对社会经济的损害程度。城市是人口、资产高度集中的地区，一旦发生洪涝灾害，经济损失严重，政治影响大。因此，综合利用各种措施，减轻城市洪涝灾害损失对中国的经济发展和社会稳定具有十分重要的现实意义。

目前，我国很多城市已经进行洪水风险图的制作与应用[3-4]，然而所制作的洪水风险图基本属于静态的，反映的是特定频率洪水发生时的淹没范围、受淹区域内的最大水深和淹没历时等信息。这些洪水风险图在使用过程中存在信息量少、更新难度大、难以共享等缺点。静态风险图无法真实体现下垫面变化快、排水管网更新快、气候变化快造成的区间短历时降雨变化等现实状况。为此，我国部分地区开展了动态洪水风险图技术研究[5-7]。动态洪水风险图能够通过改变模型网络的边界条件等实时展示地区的洪水风险[8-10]，然而这些方法仍不完善，有待进一步研究。本文以无锡市城区为例，探讨能够实时改变模型库、事件库、逻辑库的动态城市洪水风险图制作方法，以期为更加方便、精确地指导抢险救灾提供决策依据。

1 研究区域概况

无锡市位于江苏省东南部，地处长江三角洲江湖走廊，东邻苏州市，西接常州市，南濒太湖，北依长江，全市总面积4628.00km2。无锡市区位于武澄锡虞区南部，市区面积1643.88km2。该地区多年平均降雨量为1112mm，年平均降水日数为125天。降水年际变化较大，1954年降水量达1521mm，1991年为1631mm，而1978年降水量仅553mm，降雨量时空分布不均，年内分布有个明显的集中阶段，5—9月的汛期雨量约占年平均降雨量的60%～70%，汛期最大降雨量为1991年的1216mm。区域总体地势呈现周边高、腹部低的态势，北部易受高片洪水侵压和长江洪水与潮汐制约，南部常遭太湖洪水侵袭与高水位顶托，西部又需承接上游湖西高水压境。特殊的地理位置和地形条件决定无锡市区洪涝外排方向主要有南排太湖、东排望虞河和北排长江。而由于无锡市区位于区域的最南端，外排长江因线路长，排江能力的增加对降低无锡市区最高洪水位影响较慢。再者内部现有的雨水排水系统各自为政，标准偏低，部分雨水管道经长期使用后，出现不均匀沉降，也降低了管道过流能力。因此当城区遭遇突发性暴雨时，极易形成洪涝灾害。随降雨类型和分布不同，所形成的洪涝特点也有明显差别，主要有梅雨型洪涝、台风暴雨型洪涝、对流雨型洪灾。

本次洪水风险图研究考虑无锡市中心城区及其周边部分地区，面积为543.30km2，考虑到计算边界的封闭性，计算范围为656.12km2(见图1)，其中城市防洪大包围面积136.00 km2，无锡市城区以京杭大运河、梁溪河等将整个区域划分为马山片、运东大包围、运东南片、运西北片、运西南片5个片区。根据无锡市城区地形、水系、防洪工程现状，结合历史洪涝灾害情况，洪水来源包括流域性洪水、外河洪水、内河洪水和暴雨内涝四类。

为满足城区内水雨情的监测要求及监测系统适用性的检验，无锡市城区已建成多个水位、雨量监测点，实时监测水情雨情，也为建模过程中模型的率定验证提供数据支撑。

2 水文-水动力模型

本文对无锡市城区洪水风险的分析，运用具有模拟城市地下管网、城市河网、降雨产汇流、堤防溃决等功能一体化数值模拟模型，软件平台采用InfoWorks ICM[11]。其中城市河网采用一维非恒定流方法，城区内可能淹没区域采用二维非恒定流方法进行模拟。对城市内涝模拟，将管网一维模型与地面漫流二维模型进行无缝耦合嵌套，设置模型网络节点的检查井顶部与地表二维网格连接，模拟管渠中的有压流和无压浅水自由表面流，内涝洪水在地表二维空间内的物理运动过程和地表径流与地下管流间的流量和动量交互，模拟洪涝的动态演进过程。

图1 无锡市城区洪水风险图编制范围

无锡市城区的水文模型采用InfoWorks ICM中的分布式水文模型进行构建，在模拟降雨-径流时，需要的数据为集水区的划分、集水区的土地分类以及针对不同土地分类的相关参数，具体包括集水区的面积、不透水表面的比例、初期损失、径流系数等。集水区面积根据区域排水特点、地形地貌、规划河流、水系路网分布及重要建筑物分布等情况确定；初期损失需依据表面的类型分别制定，不透水表面的初期损失定义为与坡度相关或者作为绝对深度，而透水表面的初期损失通常定义为一个绝对值，也可以定义与坡度相关；径流系数则根据各排水分区内的水面、水田、城市绿地、道路、居民地等下垫面数据，利用加权平均的计算方法，参照《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)中不同下垫面的径流系数选取。

无锡市城区河网-管网模型在构建时采用InfoWorks ICM洪水模拟软件。通过断面导入、以线创建断面、创建河道连接、添加水工建筑物、管网模型构建、创建河岸构建河道-管网一维河道模型，然后通过对线状地面构筑物(道路、墙体等)处理、导入地面模型、添加区间降雨、创建糙率分区、添加水利工程调度规则的逻辑控制、划分网格、添加边界条件建立河道二维模型。一维河网模型与二维洪泛区模型再通过“溢流单元”上的连接条件实现模型耦合。无锡市城区模型构建过程和耦合模型见图2。

3 特征方案模型网络库

洪涝分析方案网络库是构建动态洪水风险图系统的基础。目前无锡市城区构建了京杭大运河、太湖、望虞河遭遇不同量级洪水的溃堤计算模型网络；遭遇太湖流域91、99年实况，91北部，99南部不同频率设计洪水的流域性洪水计算模型网络；遭遇区域水利标准最大24h不同频率设计暴雨、城建标准最大1h不同频率设计暴雨的暴雨内涝计算网络模型，模型网络库见表1。实况年暴雨洪水涉及1991年“梅雨”、2009年“莫拉克”台风暴雨、2011年实况暴雨计算网络模型。

图2 无锡市城区模型构建过程与耦合模型

外洪模型网络库流域性洪水模型网络库暴雨内涝网络模型库实况洪水网络模型库太湖大堤溃堤91、99年实况不同频率设计暴雨(水利标准)1991年“梅雨”京杭大运河溃堤91北部不同频率设计暴雨(城建标准) 2009年“莫拉克”台风望虞河溃堤99南部2011年实况暴雨

4 风险图管理系统开发

4.1 构建思路

本文依托无锡市城区洪水风险图编制成果，通过对洪水风险图编制过程中构建的基础数据库、洪水风险与洪水影响分析形成的风险图成果图件、洪水分析模型及计算结果，基于B/S架构方式，开发包括信息总览、动态计算、成果查询、灾情评估4个功能模块的动态洪水风险图管理系统，集成在江苏省动态洪涝风险图管理与实时预报预警系统中。系统开发总体思路见图3。

在风险查询与动态展示功能模块方面，汇总无锡市城区风险图成果图件数据(.pdf格式)、模型计算方案网格数据(.shp格式)、动态支撑数据(.txt格式)以及相应的实时计算方案的成果，按照编制对象、编制单元、方案类型、专题类型、成果类型之间的关联关系构建基于Oracle的成果管理数据库，采用ArcGIS server、webGIS、Java、tomcat、spring mvc、mybatis等开发技术，实现对风险图成果进行发布，通过webGIS访问服务，实现风险图编制方案及实时计算方案成果查询、浏览、展示等功能。

在动态洪涝风险图管理功能模块方面，利用InfoWorks ICM中Exchange的API进行二次开发。实现系统平台前端与ICM模型网络数据库、边界条件数据库、水利工程及调度数据库(RTC)的连接，突破模型库、结果库与平台数据实时交互技术，集成了洪水风险要素自动解析—叠加分析—动态渲染—实时发布的风险图绘制成套技术，实现任意洪水组合方案洪涝风险图一键生成，动态生成洪涝风险图。

利用模型计算的洪水淹没成果网格矢量数据和行政区划数据、社会经济数据，并结合损失率-水深关系，利用GIS叠加分析技术，实现各行政区划内的淹没面积、淹没耕地面积、受影响GDP总数、受影响人口总数、总经济损失等的灾情统计分析功能，构建思路见图2。

图3 系统开发总体思路

4.2 总体架构设计

无锡市城区动态洪涝风险图管理系统集成在江苏省动态洪涝风险图管理平台中，系统的层次架构见图4。遵循信息安全保障体系和标准规范体系，主要包括数据资源层、支撑服务层、业务应用层和应用门户层[12-13]。

图4 系统层次架构图

系统层次架构设计以基础数据作为数据资源层，包括河流水系、水利工程、实时雨水工情、社会经济、模型库、GIS空间地图以及系统业务数据；支撑服务层以Orcal数据库、ArcGIS sever作为数据支持，以InfoWorks ICM、ICM Live、ICM exchange为模型计算支持，以Geotools、Arcobject为开发工具支持，以WebGIS、Spring MVC为系统展示支持；业务应用层集成了信息总览、预报预警、动态计算、成果查询等主要业务功能模块，以无锡市城区作为风险图编制单元集成到江苏省系统平台中；应用门户层支持对内门户和对外门户，以不同的用户管理和权限设置提供相关的服务。

系统总体功能架构设计见图5，主要包括洪水风险图成果管理与展示、动态方案模拟计算及管理、灾情损失评估以及信息总览等功能模块，另外对于性能和安全等非功能性需求进行统一考虑设计。动态洪水风险图管理系统各功能模块的页面展示见图6。根据系统整体功能及非功能要求进行系统功能总体设计，将资源、服务、业务、UI进行分层架构，兼顾之后的系统扩展。

图5 系统功能架构图

图6 动态洪水风险图管理系统功能模块

本系统的核心功能主要包括风险图成果管理展示和动态计算。按照离散化建模建库、OpenMI标准化规范化要求，完成对各方案的计算网络、事件和逻辑控制建库管理，并统一到InfoWorks ICM模拟软件平台。实现基于实时水文预测、实测洪水或设计洪水等任意组合洪水方案进行快速模拟计算，动态生成洪涝风险图并入库管理。基于Oracle数据库存储不同编制对象既定计算方案的成果，该系统具有成果图件查询与展示功能，另外，可以加载实时计算成果并入库，且与已有成果管理保持一致。系统开发采用工作组模式的管理解决方案，满足开发系统版本应用、升级与管理，模型计算方案的生成、比较与校验，多工程用户级别的分类管理，数据信息的融合、整合与管理等实际需求。

4.3 动态洪涝风险图绘制

动态洪涝风险图绘制是利用InfoWorks ICM中Exchange的API进行二次开发，研发了基于ICM Exchange模型库、结果库与平台数据实时交互技术，开发了中间服务引擎，实现基于洪涝分析模型与成果的风险管理的业务应用。实现系统平台前端与ICM模型网络数据库、边界条件数据库、水利工程及调度数据库(RTC)的连接，在系统界面中完成在线修改的同时能够实时更新模型网络数据(河道断面、堤防、道路等)、边界条件数据(降雨、水位、流量等)、水利工程及调度数据(水闸、泵站、涵洞等工程参数及调度规则)，利用系统平台前端调用接口驱动ICM计算引擎实现后台自动计算，实时计算的结果从ICM软件导出至结果csv文件并完成数据的自动解析，通过geotools将计算结果生成时态数据，调用arcpy将文件发布到ArcGIS server端，通过ArcGIS server发布成动态服务，调用ArcGIS JavaScript API访问服务，对各时段数据分别渲染时态数据以实现动态演进过程展示，动态生成洪水风险图。

系统可以实现基于实况洪水、预报洪水、设计洪水等任意组合洪水方案进行快速模拟计算，并对计算结果动态生成洪涝风险图并入库管理，主要包括以下功能。

4.3.1 模型网络库编辑

无锡市城区动态洪水风险图管理系统能实时修改洪水分析模型网络库相关参数，可以修改京杭大运河、望虞河、梁溪河、古运河、伯渎港等内外部河道堤防、河道断面以及阻水道路高程和水动力特征参数等，通过修改这些参数达到与计算工况模型网络一致的目的。

a.河道堤防工程参数修编。结合GIS地图，系统提供无锡市城区范围内河道堤防图层的查询展示，针对每一段河道堤防，提供溢流单元、河道、堰流系数、溃口模型等基础数据的查看，以及堤防起点、溃决时间、溃口历时、堵口时间、堵口用时、溃口宽度、溃口底高程等数据的修改编辑功能，为模型计算提供模型网络条件。

b.河道断面工程参数修编。系统提供每条河道断面图层的GIS可视化查询展示，针对每一条河道断面，提供不同起点距对应河底高程、不同河段曼宁系数等特征数据查看和修改功能，并以示意图形式对河道断面进行展示。

c.道路高程参数修编。基于电子地图，系统提供无锡市城区范围内主干阻水道路的查询展示，针对每一条道路，系统提供道路高程的查询展示和修改编辑功能。

d.对象列表修编。系统通过针对每一段堤防、断面、道路定义相应的节点名称，以列表形式进行统一展示，系统提供图表互查，通过在节点列表中选择任意节点名称，系统能够自动在地图上定位至相应节点。

e.清除修改功能。对于加载到地图上的各类显示，系统提供一键清除修改功能，使得模型网络回到初时状态。

4.3.2 模型事件库编辑

系统提供模型计算所需的流量、水位、降雨等边界条件的修改编辑功能，可以修改外洪溃堤、流域性洪水、暴雨内涝以及实况暴雨方案的边界条件，也可实现模型的初始化。

通过选取需要编辑的边界条件，系统提供在线修改功能；对于需要重新定义的边界条件，系统提供边界条件模板下载功能，用户可以基于模板进行快速编辑，并将修改后的文件上传至系统作为模型计算的边界条件，完成边界的快速更新。

4.3.3 模型逻辑库修改

在特定模型网络、事件库的基础上，提供水闸、泵站、涵洞等水利工程调度规则修改功能，覆盖现有工程主要的逻辑调度规则，满足水利精准调度的预报调度业务需求。

a.闸门调度。系统提供闸上水位、闸下水位、水位差、控制断面、时间控制等调度规则在线修改功能。

b.泵站调度。系统提供泵站机组开机数量、开机状态、开启时间等调度规则在线修改功能。

4.3.4 实时模拟运算

根据选定的模型网络，设定的模型初始条件、边界条件、调度规则，系统自动驱动模型计算引擎，实时模拟运算，计算结果自动导出、解析并进行风险图成果渲染，用户可在动态展示模块中对计算完成的方案进行查询展示，为区域防汛指挥调度提供科学决策依据。

5 结 语

本文以无锡市城区洪水风险为研究对象，通过InfoWorks ICM洪水模拟软件进行建模并进行二次开发，构建了无锡市城市动态洪水风险图管理系统。动态洪涝风险图与实时预报预警系统能够支持洪涝分析模型网络库、事件库和逻辑库的编辑修改，可实现动态实时运算和预报预警，一定程度上提高了区域防汛决策支持水平。系统在水利工程调度方面对调度规则实时修改的功能还有待完善，模型业务化水平有待进一步开发研究，不断完善系统功能，有助于提高区域防汛调度精细化管理水平，推动区域防洪向预测、预报、预警、预案智能决策方向发展。