基于GIS与平台模拟水库大坝的灾害应急响应研究

(梅州市大埔县移民工作局，广东 梅州 514299)

随着极端天气发生次数的增加，如何控制大坝洪水以及如何在面临溃坝风险的情况下作出正确及时的应对措施，是大坝安全管理决策者考虑的重要内容。溃坝将造成下游库区人民群众严重的生命财产损失，给社会和生态环境带来巨大灾害。面对自然灾害的处理处置，关键在于作出正确的应变。然而，由于应急处置措施所涉及的环境、地形及洪水演变过程复杂，很难作出科学及时的处理处置措施。

专家决策传统灾害应急响应方式的可靠性依赖于决策者的经验和对洪水灾害的认识。因此，近年来，已经开展了大量研究来帮助决策者作出合理决策。诸如大坝疏散与实践研究，小型水库溃坝预测专家系统的设计与实施，计算和验证瞬时溃坝最大流量，为溃坝决策提供理论和技术支持等。然而，在洪水等紧急情况下，仍需要一个完整而准确的“环境—地形—人群”信息。

利用GIS、Terra Vista和MultiGen Creator平台对大坝、库区、洪水及相应的环境因素进行数字化处理。利用DEM和疏散模型对洪水演变，灾区和退避路径进行计算和仿真，并根据决策思路对该方案进行验证，为大坝灾害的响应提供科学决策依据。

1 大坝数字化建模

Terra Vista软件用于系统开发中的地形建模。MultiGen Creator 3用于集线器主楼，模型采用Open Flight格式，数据库采用Sql服务器，3D虚拟平台采用ArcGIS。

1.1 3D地形生成

地形存储在数字高程模型DEM(数字高程模型)格式中。DEM是地面模型，用有序的数值阵列表示地面高程。DEM是数字地形模型(数字地形模型，DTM)的一个分支，所有其他地形特征都可以从中导出。DTM是各种地貌因素(包括坡度，坡度方向，坡度变化率等)的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零级的简单单一数字地貌模型，其他地貌特征如斜率、斜率方向和斜率变化率可以从DEM导出。

为了模拟地形的综合信息，只有地形信息是不够的，需要植被和河流等图像数据，图像通过谷歌地图下载，分辨率精度为90m。遥感图像以TIFF格式保存。地形模型与模型精度和计算机渲染能力之间存在矛盾。地形需要分区，LOD决定了Terra Vista的生成精度。储层区域可用作较小的LOD。

1.2 枢纽建筑数字化

MultiGen Creator软件用于中心建筑的建模。由此生成的文件OpenFlight是主流场景数据文件，OpenFlight使用树结构来保存三维图像。树结构由许多不同类型的节点组成，可使后期建筑物的交互式编程相对容易。模型结构见图1。

图1 OpenFlight结构示意

建模过程是提取绘图信息并建立三维模型。建立模型有三个步骤：提取绘图信息；建立三维模型；使用纹理进行贴图，可提高模型的保真度。建立模型时，在满足显示效果的前提下尽量减少面数。大坝枢纽模型见图2。

图2 石坝模型示意

1.3 建立计算模型

为了实现平面或三维计算，需要首先数字化相应的结构，包括结构分区、区域参数分配和边界信息。使用时，调用相应的计算方法和数字结构进行计算。岩心坝的应力和应变计算的数字结构模型见图3。

1.4 存储数字数据

SQL sever 2008负责保存所有数字信息，实现的方法是从其他平台导入并直接建立。直接导入是针对不需要转换的数据，如集线器构建的属性、监视仪器信息、监视数据以及物理和机械参数。工程特征的数字保存格式见表1，测量值的数字保存格式见表2。

图3 岩心坝应力应变数字结构模型

表1 工程特性的数字存储格式

表2 测量值的数字存储格式

1.5 GIS的数字集成

地理信息系统(GIS)是一种在20世纪60年代整合了计算机、地理和信息学的技术系统。与传统的可视化引擎相比，GIS在空间查询、空间分析和空间计算方面具有更多优势。GIS主要负责地形和建筑图像的整合，并结合C#语言，利用DEM实现空间信息与数据库信息的相互通信。

DEM是使用规则或不规则多边形来拟合表面空间对象的表面，主要用于描述数字高程表面。根据多边形的形状，DEM可以分为网络模型和不规则三角网络模型两种类型。与栅格模型类似，空间对象直接由表面或空间枚举表示。通常，网格模型的每个像素或像素的中心点表示特定区域内的空间对象或实体的几何特征，并且网格模型通常表示在与行和列的交点附近对象或实体的空间几何属性。GIS可视化集成图见图4。

图4 GIS可视化集成图

2 视觉分析模块

可视化分析模块主要基于GIS平台，具有空间数据采集、存储、显示、编辑、处理、分析、输出、显示和应用的功能。目前，该系统可实现洪水演进模拟、视觉查询和应急预案验证等功能。

2.1 洪水演变的可视化

有两种方法来模拟导致溃坝的洪水，即瞬间溃坝和逐渐溃坝。利用Mike21软件计算了溃坝洪水的数值模拟，利用DTM提供的技术可以实现结果数据的可视化。DTM技术可以将区域水深、洪水到达时间、洪水淹没持续时间等信息添加到GIS中，仿真图见图5。

图5 模拟洪水演变过程

2.2 查询信息可视化

在GIS模型中，可以通过点和区域的集中来实现信息和视觉查询。设置与信息对应的点空间与空间的触发事件。当事件发生时，信息与数据库相关联，从而实现信息的视觉查询。三维查询见图6。

图6 三维信息查询

2.3 验证应急计划

应急计划有效性的一个重要因素是，拟议的方案是否能够保护下游人员在洪水到来之前撤离到安全地点。在选择方案时，安全点和疏散路线的选择以及应急设施的分配较复杂。传统方法由专家和工程师的经验来判断，一旦判断出错，或忽略一些细节将导致不可估量的损失。在这方面，利用GIS空间分析功能可以实现最佳的应急路径选择。

根据洪水演变模拟，标记下游区域的淹没时间，然后计算下游人员从接到紧急指令到转移到安全区域的疏散时间，如式(1)～(4)所示。

t(i,j)=L(i,j)/V(i,j)

(1)

(2)

式中L(i，j)——i到j截面的长度,m；

V(i，j)——实际行驶速度,m/s；

v0——没有交通堵塞时车辆和行走的可能速度,m/s；

B(i，j)——该部分的交通系数；

Jm——道路拥堵和拥堵密度；当道路没有拥挤时，在根式之前取正号；当道路处于拥挤状态时，在根式之前取负号。

考虑到混合交通和道路交通容量，可以根据vs的实际速度来校正交通容量v0：

v0=γρvs

(3)

式中γ——混合交通状况的减少因子；

ρ——车道宽度的影响系数。

道路拥堵密度Jm的计算公式如下：

Jm=γα×1000n/(L+L0)

(4)

式中α——影响交叉影响的校正因子；

n——单向车道的数量；

L——车身的平均长度,m；

L0——交通拥堵的平均清晰距离,m。

在GIS系统中输入每个区域的人员信息，并根据物质资源信息输入每个部分的速度。GIS可以计算到达安全区域的时间。如果疏散时间小于洪水到达时间，则该计划是可行的，否则应再次搜索有效路径。GIS中的ARC /INFO模块可以提供最佳路径选择，可根据起始标点符号和路径条件搜索到达目的地的最短路径。

3 结 语

在GIS、Terra Vista和MultiGen Creator平台的帮助下，将高精度大坝、库区和洪水数字化信息，通过SQL服务器数据库的空间集成提供大坝变形，库区和材料的洪水响应所需的信息。GIS可以实现高精度洪水演进仿真，可以更准确地计算洪水损失和随时间推移的淹没状态分析。

在数字水库大坝模型系统的基础上，结合环境，物料和人员三要素信息的相互作用，综合分析洪水流量系统和生命损失统计，寻找最佳撤离路径。同时，该方案可以根据决策的改进进行验证，为大坝灾害应对的决策提供科学的分析方法。