基于开源GIS和数据库的动态洪水风险图系统研究

钟 华，马 婷，王旭滢，嵇海祥

（1．南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2．诸暨市水利局，浙江 诸暨 311800；3．上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335；4．水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210029）

0 引言

洪涝灾害一直是人类面临的最主要的自然灾害之一。洪水风险相关信息通过图形形象化的表现，既可辅助防汛决策者、政府相关管理人员、社会公众更能很好地了解洪水风险状况，也是社会公众和各利益相关者针对洪水风险问题和管理措施进行沟通交流、协调的最直接手段[1]。编制洪水风险图，可直观了解流域或区域遭受洪水灾害的危险性，为防灾减灾等提供技术支撑[2]。依据《洪水风险图编制技术细则》，洪水风险分析方法主要有水文学法、水力学法和历史水灾法。

自2013年起，国内多个城市、蓄滞洪区、防洪保护区、水库下游等典型区域积极推进洪水风险图编制工作，取得了一定成效[3]。深圳市在河湾片区开展洪水风险图编制试点工作，开展城市洪涝模型研究与风险图绘制和预警调度系统建设[4]。宁波市城区风险图已实现与流域降雨、洪水预报成果对接，利用预测降雨信息进行实时、动态的洪水风险分析及风险图的动态生成，有效提高了区域防汛减灾信息化水平[5]。衢州市城市洪水风险信息管理系统利用 GIS 平台和数据库技术，提供实时水雨工情查看、洪涝数值模拟与动态展示、社会经济损失评估、动态洪水风险图绘制与管理等功能[6]。从实际防汛需要出发，开展动态洪水风险图编制与应用，发展基于 GIS 和 Web 技术开发的动态洪水风险图系统，能够分析洪水风险点，提早研判风险河段、时间；智能分析漫顶或溃堤后的淹没范围，查询受影响区域内的人口、重要基础设施等，可增强洪水风险图的实用性[7–9]。

基于 GIS 平台、数据库技术和 B/S 架构的动态洪水风险图系统已不断发展，然而，由于我国区域发展不平衡，部分地区水利信息化软硬件基础相对薄弱，动态洪水风险图开发中第三方商业化软件采购占开发成本近一半。因此，本研究主要利用开源GIS 平台和数据库技术，结合自主开发的水文水动力数值模型，搭建动态洪水风险图系统，以大幅度降低系统开发成本。

1 系统总体设计

1.1 架构设计

基于开源 GIS 和数据库的动态洪水风险图系统（以下简称动态洪水风险图系统）基于 J2EE 规范的软件体系架构，广泛采用 J2EE 的中间件及组件库作为系统搭建的基础，支持跨平台（Windows/Linux/Unix）部署。采用 Tomcat 作为主要的 WebContent中间件，具有较强的移植、扩展和集成能力。采用 GeoServer 发布地图服务，采用 uDig 对发布的地图（矢量、DEM 等）进行美化，采用 OpenLayers进行客户端应用开发，采用 MySQL 作为系统数据库。动态洪水风险图系统总体架构如图1所示。

图1 总体架构示意图

1.2 功能设计

动态洪水风险图系统基于高精度地形图、数字地形高程、影像图等，建立水文学模型（分析流域、区域降雨产汇流过程）、水动力学模型（分析流域区域河网洪水演进、河道漫堤及溃堤情况下的地表洪水淹没过程）和雨洪管网模型（计算城市区域雨洪管网排水过程），具备模拟区域洪水传播及暴雨致涝过程，能够集成致灾因子动态设定、洪水实时演进分析、灾情实时分析、撤退转移路线实时规划等功能模块。

动态洪水风险图系统可考虑致灾因子的不确定性和区域洪水风险快速预判及分析的现实需要，将暴雨、洪水、风暴潮、溃堤、溃坝等造成和影响洪涝过程的致灾因子赋予灵活的输入功能，同时考虑泄洪（排涝）闸泵开启、人工爆破口门启用等防洪防涝应对措施，可对这些致灾因子的组合、量级、空间位置等进行设置，以便客观反映致灾因子及其导致的洪涝过程及风险，适应防汛指挥调度的实际需求。对城市区域、水库及下游区、防洪保护区、蓄滞洪区等典型地区的实时洪水模拟，有助于防汛管理部门开展抢险救灾、避灾转移及损失评估等工作。动态洪水风险图系统功能架构如图2所示。

图2 功能架构

1.3 数据库设计

数据库采用 MySQL 关系型数据库产品，具有开放式架构、功能稳定、性能优良等特点，在遵守GPL 协议的前提下，可免费使用与修改。

动态洪水风险图系统数据库主要包括方案、计算结果、基础配置和雨水情 4个管理专题类别。数据库中的表和字段命名规则根据数据表和字段的中文名称确定，大部分采用中文名称的英文翻译，其余采用英文翻译的首字母缩写。每种分类对应的数据表如表1所示。

表1 系统数据库设计表

1.4 开源 GIS 技术应用

开源 GIS 是采用开放源代码、标准和协议的平台，具有便于数据共享和互操作、可扩展性强、成本低廉等特点。

常用的开源 GIS 技术主要有：

1）GeoServer。GeoServer 是 OpenGIS Web 服务器规范的 J2EE 实现，利用 GeoServer 可以方便地发布地图数据，允许用户对特征数据进行更新、删除、插入操作，并能在用户之间迅速共享空间地理信息。

2）uDig。uDig 是一款开源桌面 GIS 软件，基于 Java 和 Eclipse 平台，可以进行 Shp 格式地图文件的编辑和查看，对 OpenGIS 标准，关于互联网GIS、网络地图和功能服务器有特别的加强。

3）OpenLayers。OpenLayers 是一个用于开发WebGIS 客户端的 JavaScript 包，支持包括 Google Maps，Yahoo，Map，微软 Virtual Earth 等多种来源的地图。除此之外，OpenLayers 可提供矢量画图功能，方便动态地展现点、线、面地理数据。同时，在 OpenLayers 提供的类库当中，还使用了类库Prototype.js 和 Rico 中的部分组件，为地图浏览操作客户端增加 Ajax 效果。

开源 GIS 技术在动态洪水风险图系统的应用主要有以下 3个方面：

1）为洪水淹没展示提供各类地理底图，满足在天地图和影像图上叠加展示淹没水深、到达时间、淹没历时等数据。

2）提供地图发布服务，满足对实时洪水计算结果的前端二维展示。

3）提供空间分析和数据展示功能，用户能在系统中对风险图中淹没信息的各类图、表进行点选和查看。

1.5 洪水分析模拟

洪水分析模拟采用水力学方法，一维河道采用圣维南方程组模拟河道水流运动，二维地表洪水演进采用水深平均的二维浅水方程模拟地表洪水演进，以溢流/溃口单元对一/二维水动力模型进行耦合计算。采用历史典型洪水对一/二维水动力模型进行率定验证，以确定恰当的模型参数。基于一/二维水动力模型，在已知上下游边界水位/流量的条件下，能计算河道沿程水位过程及沿河地表淹没范围、水深、历时等信息。

2 系统应用实例分析

将动态洪水风险图系统，应用于诸暨市浦阳江洪水风险图管理与应用系统建设项目中，可实现以下功能：

1）信息查询。综合信息查询和水雨工情信息等模块为用户提供各类信息查询的服务，其中：综合信息查询模块，提供基础数据和台风信息的查询；水雨工情信息模块，包含雨情、水情和工情测站列表，用户通过选择测站和设置查询时间段，可获取实时水雨工情信息。

2）洪水风险查询。洪水风险查询模块支持查询淹没水深、历时和到达时间，能实现任意 2 场洪水间的结果对比，洪水风险查询示意图如图3所示。

图3 洪水风险查询示意图

根据模拟场次洪水每个网格淹没的深度，动态洪水风险图系统提取出整个洪水过程中的最大淹没深度值绘制淹没水深图。根据每个网格开始淹没到结束淹没的时间，系统计算出淹没历时，并提取开始淹没的时间点作为网格的到达时间值，绘制淹没历时和到达时间图。

3）洪水分析计算。动态洪水风险图系统集成建立的诸暨浦阳江流域一/二维水动力、河道溃堤、蓄滞洪区分洪调度等模型，模拟洪水传播过程，反映致灾因子及其导致的洪涝过程及风险，适应防汛指挥调度的实际需求。

模型计算参数设置包括方案参数、边界条件和溃口设置，相关页面示例如图4所示。动态洪水风险图系统基于计算参数，生成溃口流量参数和计算控制文件，调用模型进行计算，计算成果文件自动存入系统库中。

图4 动态溃口设置页面

4）洪水动态展示。基于开源 GIS 及数据库技术，动态洪水风险图系统可动态模拟风险图某个方案的洪水演进过程。以 2021年“烟花”台风浦阳江流域大洪水为例：浦阳江流域发生超历史洪水，诸暨市平均降雨量为 359.2 mm，诸暨站水位为 11.94 m，超警戒水位 1.30 m；湄池站水位为 10.58 m，超警戒水位 2.38 m，超历史最高水位 0.10 m；高湖蓄滞洪区新闸首次开闸分洪。动态洪水风险图系统能有效模拟 2021年“烟花”台风期间诸暨市开启高湖蓄滞洪区分洪的情况，展示分洪洪水演进方向、流速、淹没水深等动态过程，系统模拟如图5所示。

图5 高湖蓄滞洪区分洪的系统模拟

5）洪水配置管理。洪水配置管理模块提供管理洪水方案、基础数据和边界条件的功能，包括对风险图方案的查询、禁用和启用，基础数据类型的添加、修改、删除和具体数据的导入编辑，以及实时计算中所用断面的添加、编辑、查看和删除。

3 结语

洪涝灾害的发生是一个持续的过程，具有不确定性，静态的洪水风险图及防洪预案在一定程度上难以满足实际洪水管理的需求。本研究基于开源GIS 平台、数据库技术、洪水分析模型研发动态洪水风险图系统，可根据实际水、雨、工情及气象信息进行分析，对洪水信息变化进行实时监测和预测，进行洪水演进计算，并实时绘制洪水风险图，从而为防汛管理提供决策支持。动态洪水风险图系统应用于诸暨市浦阳江洪水风险图管理与应用系统建设项目中，实际应用和研究结果表明：基于开源平台和软件程序的系统，能根据实时监测信息进行动态洪水模拟，并根据计算结果实时绘制洪水风险图，动态模拟受淹与退水过程等，在一定程度上提高了政府应急管理、防汛减灾、避灾转移的决策能力。

研发的动态洪水风险图系统平台有利于大幅度降低相关项目成本，为其他流域和城市的洪水风险图编制工作提供技术参考，有利于类似系统向水利信息化基础较弱、相关资金较少的区域进一步推广，从而支撑新时期水利网信提升建设。