基于WebGIS的洪澤湖地區(qū)動(dòng)態(tài)洪澇管理信息系統(tǒng)

，， ，，

(1. 中國電建西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098；3. 杭州西湖城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，杭州 310012；4.浙江省杭州市西湖區(qū)“五水共治”領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，杭州 310023)

1 研究背景

現(xiàn)代洪澇管理已由經(jīng)驗(yàn)型向精細(xì)化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變，建設(shè)動(dòng)態(tài)洪澇管理信息系統(tǒng)是及時(shí)避免、減少洪澇災(zāi)害導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的一項(xiàng)重要非工程措施。利用動(dòng)態(tài)洪澇管理信息系統(tǒng)制定防洪方案，統(tǒng)籌考慮雨水情、堤壩安全、蓄滯洪區(qū)運(yùn)用，以及災(zāi)情評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理等，借助網(wǎng)絡(luò)提供可視化界面與用戶進(jìn)行交互，為決策者提供全方位的輔助決策信息。其中，動(dòng)態(tài)顯示洪水演進(jìn)過程有助于決策者直觀地了解整個(gè)演進(jìn)過程中洪水的水深、分布及淹沒范圍等，而面對洪水模擬模型生成的1 h達(dá)幾萬條洪水風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)的情況下，如何做到動(dòng)態(tài)顯示不到1 s需刷新1次的地圖數(shù)據(jù)就成為了系統(tǒng)開發(fā)中的一道關(guān)鍵技術(shù)問題。

B/S(瀏覽器/服務(wù)器，Browser/Server)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通常采用頁面實(shí)時(shí)更新來顯示動(dòng)態(tài)變化，即瀏覽器按一定時(shí)間間隔自動(dòng)更新頁面，客戶端動(dòng)態(tài)請求，由服務(wù)器處理后將新的結(jié)果傳到客戶端。但這樣無疑增加了服務(wù)器的工作，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸量，同時(shí)客戶瀏覽器還會(huì)出現(xiàn)頁面閃爍，在大量用戶訪問時(shí)，很容易造成服務(wù)器超負(fù)荷[1]。一種常用的解決方法是圖片或柵格數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)疊加或刷新，如趙明明等[2]進(jìn)行了基于ArcGIS的圖片動(dòng)態(tài)刷新研究，王文濤[3]基于ArcGIS Engine設(shè)計(jì)了南海海洋動(dòng)力環(huán)境應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。這種添加元素的方式在數(shù)據(jù)量大的情況下同樣存在占用網(wǎng)絡(luò)帶寬與服務(wù)器空間或閃爍的問題，而且對于不斷變化的洪水淹沒范圍，每個(gè)時(shí)間步長上的范圍在空間上也非疊加關(guān)系，單純的疊加將造成顯示的淹沒范圍與實(shí)際不相符。采用動(dòng)態(tài)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示可避免以上問題，常用的顯示方式有Element、Feature和動(dòng)態(tài)圖層。Element方便顯示但刷新慢，當(dāng)需要顯示大量的圖片時(shí)，ArcGIS提供的地圖裝載組件會(huì)占據(jù)大量的CPU和內(nèi)存容量，當(dāng)圖片達(dá)到一定數(shù)據(jù)量后，程序甚至?xí)驗(yàn)閮?nèi)存溢出而崩潰。Feature在顯示速度上有很大優(yōu)勢，但是對于一直在變化的數(shù)據(jù)處理起來就顯得力不從心[4]。伴隨著動(dòng)態(tài)圖層技術(shù)的出現(xiàn)，大量數(shù)據(jù)以及高頻率刷新可以在瞬間完成。如李衛(wèi)東等[5]利用.NET平臺(tái)和ArcIMS ServletConnector添加了服務(wù)器端動(dòng)態(tài)矢量圖層；遲文學(xué)等[1]通過數(shù)據(jù)層地圖動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)綁定方法實(shí)現(xiàn)了10 min雷電數(shù)據(jù)圖層的更新；王文濤[3]使用ArcGIS Engine封裝的動(dòng)態(tài)圖層實(shí)現(xiàn)了矢量要素跟蹤；肖克等[6]基于ArcGIS Server與ArcGIS API for Flex構(gòu)建了支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的B/S系統(tǒng)。各種動(dòng)態(tài)顯示機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 地圖動(dòng)態(tài)顯示機(jī)制比較Table 1 Comparison of dynamic displaymechanism of map

國內(nèi)對于動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的研究相對較少，代表性的如謝田[7]提出了一種基于柵格運(yùn)算與二維水動(dòng)力學(xué)洪水演進(jìn)相結(jié)合的洪災(zāi)損失動(dòng)態(tài)評(píng)估模型；余麗華等[8]將淹沒水深、淹沒范圍按時(shí)間順序，以等值面的形式在Web上繪制；劉東海等[9]運(yùn)用種子蔓延算法模擬洪水并基于WebGIS實(shí)現(xiàn)了風(fēng)暴潮洪水演進(jìn)的動(dòng)態(tài)可視化。區(qū)別于以上研究，本研究構(gòu)建了洪水演進(jìn)模型并內(nèi)置于動(dòng)態(tài)洪澇管理信息系統(tǒng)中，進(jìn)而基于ArcGIS API for JavaScript與動(dòng)態(tài)圖層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了洪水風(fēng)險(xiǎn)要素隨時(shí)間演進(jìn)過程的顯示，解決了矢量要素圖層動(dòng)態(tài)顯示不連續(xù)且服務(wù)器易超載的問題。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動(dòng)態(tài)圖層

傳統(tǒng)的地圖異步刷新顯示和大量數(shù)據(jù)的渲染對CPU的占用率大，導(dǎo)致了顯示延遲等問題，動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)將渲染大量的數(shù)據(jù)從CPU端移動(dòng)到了顯卡上，利用顯卡的性能，可大大提高顯示性能。ArcGIS 10.1后新增的動(dòng)態(tài)圖層利用了動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，其提供的同步顯示機(jī)制使得大量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及高頻率刷新的操作可以在瞬間完成。動(dòng)態(tài)圖層是可以在ArcGIS Server中動(dòng)態(tài)配置其渲染和內(nèi)容功能的圖層，它并不是一種新的服務(wù)類型，而是地圖服務(wù)的一種擴(kuò)展，其優(yōu)點(diǎn)是無需在服務(wù)器端添加海量圖層和發(fā)布服務(wù)，服務(wù)器可以直接讀取各類文件(SDE、柵格數(shù)據(jù)集、FileGDB、shp文件等)后進(jìn)行顯示，并支持動(dòng)態(tài)改變服務(wù)中的圖層渲染方式以及圖層順序，很好地解決了海量實(shí)時(shí)信息動(dòng)態(tài)展示的問題。當(dāng)數(shù)據(jù)庫更新后，無需重新啟動(dòng)GIS服務(wù)器以更新地圖服務(wù)，數(shù)據(jù)更新便能隨時(shí)展示于客戶端。

采用ArcGIS Server封裝的動(dòng)態(tài)圖層功能實(shí)現(xiàn)了矢量洪水風(fēng)險(xiǎn)要素的時(shí)態(tài)展示。用于時(shí)態(tài)展示的核心數(shù)據(jù)是矢量面要素類型的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖層，圖層屬性表按字段順次存儲(chǔ)洪水演進(jìn)過程中各時(shí)段各網(wǎng)格上的風(fēng)險(xiǎn)要素特征值(最大淹沒水深、洪水到達(dá)時(shí)間等)，使得風(fēng)險(xiǎn)要素兼具洪水演進(jìn)的地理位置信息和時(shí)間信息。然后將存儲(chǔ)有洪水風(fēng)險(xiǎn)要素和底圖的地理數(shù)據(jù)庫與GIS服務(wù)器進(jìn)行連接后發(fā)布服務(wù)，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖層“模板”便可上傳至GIS服務(wù)器。對相應(yīng)的地圖服務(wù)啟用動(dòng)態(tài)圖層功能，或?qū)⒈镜財(cái)?shù)據(jù)所在位置注冊為動(dòng)態(tài)工作空間即可動(dòng)態(tài)地加載圖層。當(dāng)用戶訪問地圖時(shí)，在Web端調(diào)用洪水演進(jìn)模型進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)算所得結(jié)果按時(shí)間順序順次寫入地理數(shù)據(jù)庫組織的屬性表中，更新后的洪水風(fēng)險(xiǎn)要素?zé)o需重新發(fā)布，即可按用戶自定義參數(shù)進(jìn)行圖層符號(hào)化和渲染，最終實(shí)現(xiàn)二維網(wǎng)格洪水淹沒水深變化過程的Web展示。

本系統(tǒng)中洪水演進(jìn)時(shí)態(tài)展示的實(shí)現(xiàn)依托Web 2.0環(huán)境，基于輕量級(jí)的REST(Representational State Transfer)架構(gòu)，通過JavaScript API訪問發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)。關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)圖層服務(wù)的優(yōu)勢體現(xiàn)于以下2個(gè)方面：

(1)無需提前發(fā)布。動(dòng)態(tài)圖層服務(wù)區(qū)別于動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)，當(dāng)數(shù)據(jù)更新時(shí)動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)需要重新發(fā)布服務(wù)并重新進(jìn)行渲染；動(dòng)態(tài)圖層服務(wù)只需由GIS服務(wù)器自動(dòng)地動(dòng)態(tài)發(fā)布。

(2)功能簡便易用。ArcGIS for Server已對開發(fā)者封裝好了動(dòng)態(tài)圖層服務(wù)，只需在發(fā)布時(shí)勾選“允許更改圖層和符號(hào)”選項(xiàng)或同時(shí)注冊工作空間，便可訪問REST中的動(dòng)態(tài)圖層功能。

2.2 防洪調(diào)度

蓄滯洪區(qū)防洪調(diào)度的方式分為分洪調(diào)度、圩內(nèi)調(diào)度和退洪調(diào)度3部分。洪澇管理信息系統(tǒng)所涉及的分洪調(diào)度，包括分洪操作方案及流域蓄滯洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度等，其目的是尋找最佳時(shí)間、最佳分洪流程來分蓄洪水，以最大程度削減洪峰，保證下游地區(qū)的安全[10]。分洪調(diào)度的關(guān)鍵，一是調(diào)度模型的構(gòu)建，二是調(diào)度方案的制定。

對于大型蓄滯洪區(qū)，傳統(tǒng)的水文學(xué)模型或概化水動(dòng)力學(xué)模型難以準(zhǔn)確模擬防洪調(diào)度下的洪水演進(jìn)過程。因此，可采用水文學(xué)-水動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法，構(gòu)建河道、湖泊、蓄滯洪區(qū)一體化的一、二維水動(dòng)力耦合模型，并借助水文學(xué)方法計(jì)算下邊界控制點(diǎn)的水位、流量，作為模型的下邊界條件。并且，大型蓄滯洪區(qū)內(nèi)圩區(qū)眾多，閘站密布，合理地概化圩區(qū)并生成控泄規(guī)則，以充分反映水工建筑物的作用是建模的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

蓄滯洪區(qū)的調(diào)度方案可分為不滯洪方案、一次性滯洪方案和分級(jí)滯洪方案。不滯洪方案，即無論洪峰多大、水位多高，滯洪區(qū)均絕對不滯洪；一次性滯洪方案，即當(dāng)防洪控制點(diǎn)的洪水位達(dá)控制水位時(shí)滯洪區(qū)一次性全部破圩(開閘)滯洪；分級(jí)滯洪方案，即在遵循原調(diào)度運(yùn)用方案的原則下分級(jí)運(yùn)用調(diào)度工程，充分考慮滯洪區(qū)地形地貌和人口經(jīng)濟(jì)分布情況，針對不同頻率的來水將滯洪區(qū)域分組，當(dāng)洪水位達(dá)不同特征水位時(shí)分次序破圩(開閘)滯洪。結(jié)合區(qū)域地理與社會(huì)現(xiàn)況、防洪工程規(guī)劃與已有調(diào)度方案制定一種或多種調(diào)度方案，并選用防洪控制點(diǎn)最高水位、最大下泄流量、滯洪水量、淹沒面積、洪災(zāi)損失、影響人口等指標(biāo)對調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)選。

防洪調(diào)度在系統(tǒng)中體現(xiàn)在核心計(jì)算模型的構(gòu)建中。利用水雨情報(bào)模型對控制點(diǎn)的水位、流量進(jìn)行預(yù)報(bào)，或由決策者輸入模型的下邊界條件等參數(shù)后生成方案，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一、二維水動(dòng)力耦合模型，對洪水演進(jìn)過程進(jìn)行模擬。在一維水動(dòng)力模型中，對于對洪水水流影響較大的主要控制性水工建筑物，建立水利工程水力模擬與調(diào)度控制模型，模擬閘站控泄規(guī)則和調(diào)度方案的作用下模型邊界及控制點(diǎn)的水位-流量關(guān)系。在瀏覽器端對多種方案進(jìn)行統(tǒng)一管理和綜合比較，并且基于GIS 進(jìn)行結(jié)果的顯示、查詢與分析[11]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)建設(shè)涉及Web端的地圖操作，既需要地圖服務(wù)以實(shí)現(xiàn)對模型計(jì)算結(jié)果的展示，又需要水雨情報(bào)模型、洪水演進(jìn)模型等核心計(jì)算模型及數(shù)據(jù)庫的支持。因此，采用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)方法對B/S系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，分層的基本原則是系統(tǒng)各個(gè)層之間相對獨(dú)立，任何一層都只依賴于低于自己的層[12]。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)自下而上劃分為基礎(chǔ)支撐層、核心業(yè)務(wù)層和應(yīng)用表現(xiàn)層，并采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全保障體系，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Design of the system structure

在良好的計(jì)算機(jī)軟硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支撐下，基礎(chǔ)支撐層利用數(shù)據(jù)庫平臺(tái)對水文數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)雨情、水情和工情數(shù)據(jù)、洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、防洪調(diào)度數(shù)據(jù)與時(shí)間序列數(shù)據(jù)及空間屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理與維護(hù)。作基礎(chǔ)支撐層的核心，模型主要包含水雨情報(bào)模型、外洪滯洪、內(nèi)洪潰堤以及暴雨內(nèi)澇3類洪水模擬模型，以及淹沒分析模型和損失計(jì)算模型等。淹沒分析模型基于GIS空間分析實(shí)現(xiàn)，其他模型主要采用Java語言編程實(shí)現(xiàn)，模型之間的交互通過數(shù)據(jù)庫讀取實(shí)現(xiàn)。

核心業(yè)務(wù)層包含模型計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成接口，開發(fā)以Java語言為主，輔以C#語言，實(shí)現(xiàn)洪水模擬模型與數(shù)據(jù)庫的連接。系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取雨水情數(shù)據(jù)、洪水淹沒數(shù)據(jù)及洪災(zāi)損失數(shù)據(jù)等，基于數(shù)據(jù)交換的松散耦合方式實(shí)現(xiàn)GIS服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)連接，經(jīng)過插值和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，生成洪水風(fēng)險(xiǎn)要素并發(fā)布至GIS服務(wù)器。

應(yīng)用表現(xiàn)層系統(tǒng)是與用戶交互的界面層，在功能上分為方案生成、靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)圖展示、動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)圖展示幾大核心模塊以及基礎(chǔ)信息查詢、系統(tǒng)管理等基礎(chǔ)模塊。主要選用HTML、JavaScript以及CSS語言進(jìn)行開發(fā)。用戶訪問瀏覽器端發(fā)出請求信號(hào)，信號(hào)經(jīng)由核心業(yè)務(wù)層遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)支撐層的一系列模塊與組件進(jìn)行計(jì)算，然后以演進(jìn)時(shí)間為索引讀取洪水風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)并對淹沒水深進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。

3.2 系統(tǒng)功能及模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能目標(biāo)是：在給定或者實(shí)時(shí)監(jiān)測雨水情信息的基礎(chǔ)上，對任意組合洪水方案進(jìn)行快速模擬計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果，生成指定預(yù)報(bào)期內(nèi)動(dòng)態(tài)演變的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。對淹沒范圍、淹沒水深、洪水抵達(dá)時(shí)間、淹沒歷時(shí)等各類洪水致災(zāi)要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)分布與人口狀況，對洪澤湖地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

3.2.1 基礎(chǔ)信息

基礎(chǔ)信息模塊包括研究區(qū)人文地理及洪澇概況的文字描述和GIS圖。以“天地圖”作為底圖，疊加研究區(qū)的水系、路網(wǎng)、水文站點(diǎn)等矢量要素，直觀展示研究區(qū)的地形地貌、河流水系、行政區(qū)劃、交通路網(wǎng)、水文站、水位站、流量站和水利工程設(shè)施等基礎(chǔ)地理信息。

3.2.2 風(fēng)險(xiǎn)圖管理

模塊從多個(gè)維度實(shí)現(xiàn)對規(guī)劃工況洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的管理，包括以下子功能模塊：①方案查詢；②洪水查詢；③洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；④洪水動(dòng)態(tài)；⑤經(jīng)濟(jì)損失；⑥避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移。

在方案查詢界面選擇洪水類型及方案名，依據(jù)所選洪水來源及工況，系統(tǒng)內(nèi)核模型進(jìn)行洪水演進(jìn)數(shù)值模擬。然后利用GIS空間分析模型對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以洪水風(fēng)險(xiǎn)信息(淹沒范圍、淹沒水深、洪水到達(dá)時(shí)間、淹沒歷時(shí)等)為基礎(chǔ)，綜合研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、歷史災(zāi)情、道路及安置條件等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失與影響分析，并生成避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移方案。洪水查詢子模塊展示所選方案下洪水來源特性，主要包括：暴雨洪水特性——降雨歷時(shí)、降雨總量等，洪水量級(jí)，洪峰流量、控制站點(diǎn)和潰口處水位，潰口特性等。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖子模塊以風(fēng)險(xiǎn)圖的形式展示淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時(shí)、洪水到達(dá)時(shí)間和洪峰流速等洪水風(fēng)險(xiǎn)信息。經(jīng)濟(jì)損失子模塊以列表形式對比洪水所涉及地區(qū)受影響各項(xiàng)指標(biāo)，包括：淹沒耕地面積，淹沒居民地面積，受災(zāi)人口數(shù)量，受影響交通線路及里程，受淹行政機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位及水利等重要設(shè)施，受影響行政區(qū)域，受影響國民生產(chǎn)總值(GDP，含第一、第二、第三產(chǎn)業(yè))等。洪水動(dòng)態(tài)子模塊用于展示淹沒水深的二維演進(jìn)動(dòng)畫視頻。

3.2.3 動(dòng)態(tài)計(jì)算

動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊提供在已有方案的基礎(chǔ)上人工設(shè)置模型輸入條件及參數(shù)進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬與動(dòng)態(tài)展示的功能，包括方案生成、結(jié)果查詢、動(dòng)態(tài)演進(jìn)3個(gè)子模塊。

在方案生成子模塊中對方案參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后調(diào)用模型計(jì)算，列表顯示已添加方案信息和模型運(yùn)行進(jìn)度，支持添加、刪除或查詢方案。結(jié)果查詢子模塊以GIS圖的形式展示所選方案的模型計(jì)算結(jié)果，具備淹沒范圍內(nèi)任一點(diǎn)處最大水深、淹沒歷時(shí)和模型邊界點(diǎn)、防洪關(guān)注點(diǎn)水位、流量的點(diǎn)選查詢功能。動(dòng)態(tài)演進(jìn)子模塊動(dòng)態(tài)展示洪水淹沒水深的計(jì)算結(jié)果。GIS服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫讀取所選方案計(jì)算結(jié)果后，在GIS圖上實(shí)時(shí)繪制洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)過程，可暫停、快進(jìn)或快退。

3.2.4 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊對用戶訪問權(quán)限、登錄權(quán)限、系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行管理。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 研究區(qū)概況

洪澤湖是全國五大淡水湖之一，地處淮河中游，承泄上游15.8萬km2的洪水，上、中游的入湖河流主要有淮河干流、懷洪新河、徐洪河、新汴河、新濉河、老濉河，下游出湖河道主要有淮河入江水道、入海水道、分淮入沂、蘇北灌溉總渠、廢黃河。入湖控制建筑物主要有團(tuán)結(jié)閘、高松河閘、古山河閘、西民便河閘、安東河閘、濉河閘、老汴河閘等，出湖控制建筑物主要是三河閘、二河閘、高良澗閘。區(qū)域外防洪工程主要為迎湖擋洪堤和河道堤防，區(qū)域內(nèi)防洪工程主要為河道堤防和排澇涵閘、泵站。國務(wù)院批復(fù)的《淮河洪水調(diào)度方案》中規(guī)定，洪澤湖蔣壩水位達(dá)14.33 m時(shí)，濱湖圩區(qū)破圩滯洪。當(dāng)洪澤湖水位上漲至16.0～17.0 m時(shí)，滯洪區(qū)最大水深可達(dá)4～5 m，滯洪庫容可達(dá)30～40億m3。

洪澤湖周邊地區(qū)地形以平原洼地為主，圩區(qū)多達(dá)300多個(gè)，常受洪澇災(zāi)害影響，該區(qū)域的洪水風(fēng)險(xiǎn)主要來源于：①洪澤湖洪水、以淮河為主的流域性河道洪水；②區(qū)域性骨干河道徐洪河和西民便河的潰堤洪水；③暴雨導(dǎo)致的內(nèi)澇以及外排河道高水頂托所致洪水。針對洪澤湖周邊滯洪區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)管理的需求，開發(fā)了洪澤湖地區(qū)動(dòng)態(tài)洪澇管理信息系統(tǒng)。

4.2 洪澤湖地區(qū)動(dòng)態(tài)洪澇管理信息系統(tǒng)

4.2.1 信息管理模塊

系統(tǒng)建設(shè)所需數(shù)據(jù)按屬性分類進(jìn)行管理，基于Oracle 10g數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，建立了洪澤湖地區(qū)信息管理模塊，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)內(nèi)容見表2。

表2 系統(tǒng)建設(shè)所需數(shù)據(jù)Table 2 Data required for system construction

4.2.2 風(fēng)險(xiǎn)圖管理模塊

針對規(guī)劃工況下的洪水風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)了風(fēng)險(xiǎn)圖管理模塊。對于3類洪水風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)區(qū)域洪澇特點(diǎn)、歷史洪水以及相關(guān)防洪調(diào)度預(yù)案，分別設(shè)計(jì)了10個(gè)外河洪水方案、5個(gè)區(qū)域洪水方案和6個(gè)暴雨內(nèi)澇方案。對各方案繪制了靜態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖(淹沒水深圖、淹沒歷時(shí)圖和到達(dá) 時(shí)間圖)及避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移圖；各方案降雨過程、水位-流量過程、不同淹沒水深對應(yīng)的淹沒面積、不同淹沒歷時(shí)對應(yīng)的淹沒面積、所涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的受影響人口數(shù)、房屋數(shù)、耕地面積、GDP、三產(chǎn)產(chǎn)值及道路長度等以統(tǒng)計(jì)圖、表的形式展示。

4.2.3 洪水動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊

在集成洪水預(yù)報(bào)、二維洪水模擬、災(zāi)情評(píng)估以及GIS空間分析等各類模型與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口的基礎(chǔ)上，開發(fā)了洪水動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊。

(1)建立了洪澤湖地區(qū)洪水演進(jìn)模型，針對不同的洪水來源分別建立模型如下：①對于外河洪水、區(qū)域洪水，建立了潰堤模型、一維水動(dòng)力學(xué)模型與二維水動(dòng)力學(xué)模型，及其耦合計(jì)算模型；②對于暴雨洪水，建立了一維水動(dòng)力學(xué)模型、二維水動(dòng)力學(xué)模型，及其耦合計(jì)算模型；③建立了水利工程水力模擬與調(diào)度控制模型。模型概化如下：除了部分較大的圩區(qū)概化2～3條圩內(nèi)河外，其余圩區(qū)均概化1條圩內(nèi)河與骨干河道或者洪澤湖相連，在圩內(nèi)河上設(shè)置1個(gè)概化閘門和1個(gè)概化泵站，其參數(shù)均根據(jù)實(shí)際閘門及泵站合并概化后的參數(shù)取值。閘門的調(diào)度規(guī)則為當(dāng)洪澤湖水位>14.33 m時(shí)，開閘進(jìn)洪，當(dāng)洪澤湖水位<14.33 m且圩內(nèi)水位高于外界時(shí)，開閘自排；泵站的調(diào)度規(guī)則概化為當(dāng)洪澤湖水位<14.33 m且圩內(nèi)水位低于外界水位且滿足泵站開啟水位時(shí)，開泵抽排。調(diào)度方案按現(xiàn)行規(guī)劃方案(實(shí)施入海水道二期后)當(dāng)洪澤湖水位超過14.33 m時(shí)一次性開閘滯洪。

(2)開發(fā)了洪水模擬方案生成界面，用戶輸入模型邊界條件及模擬時(shí)長等參數(shù)后生成新方案，進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬。為了兼顧靈活性和便捷性，外河洪水、區(qū)域洪水以及暴雨內(nèi)澇3類模型的輸入項(xiàng)有所區(qū)別：①外河洪水模型的上邊界輸入淮河流量過程、下邊界輸入洪澤湖出口的三河閘、二河閘及高良澗閘的水位-流量關(guān)系，模擬時(shí)長為1～60 d；②區(qū)域洪水潰堤模型的上邊界輸入潰堤河道的流量過程，下邊界輸入臨湖水位，模擬時(shí)長為1～15 d，潰口參數(shù)輸入潰口時(shí)機(jī)、潰口寬度與潰口位置；③暴雨內(nèi)澇模型的上邊界輸入由暴雨推得的面凈雨過程，下邊界輸入臨湖水位，模擬時(shí)長固定為7 d(前3 d降雨)。以區(qū)域洪水為例。

(3)開發(fā)了動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果可視化界面?；赪ebGIS與動(dòng)態(tài)圖層技術(shù)，對洪水風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行實(shí)時(shí)靜態(tài)展示、交互式查詢與動(dòng)態(tài)繪制，供用戶全面分析洪水時(shí)空變化與分布。以區(qū)域洪水某模擬方案為例，洪水風(fēng)險(xiǎn)要素的靜態(tài)結(jié)果查詢界面和動(dòng)態(tài)結(jié)果演進(jìn)界面如圖3所示，以4倍速度動(dòng)態(tài)繪制演進(jìn)過程最大淹沒水深的部分時(shí)刻截圖(局部)如圖4所示。

圖3 靜態(tài)結(jié)果查詢界面和動(dòng)態(tài)結(jié)果演進(jìn)界面Fig.3 Interfaces of static result query and dynamic evolution

圖4 模型運(yùn)行至不同時(shí)刻時(shí)(不同已運(yùn)行時(shí)長比下)演進(jìn)過程 Fig.4 Screenshots of evolution process at different instances(running time ratio)

在虛擬環(huán)境下(CPU：Core i7-6700 HQ 2.6 GHz；內(nèi)存：8 G；操作系統(tǒng)：Windows 7 64位旗艦版；瀏覽器：Google Chrome)對系統(tǒng)進(jìn)行測試。共執(zhí)行測試用例100個(gè)，執(zhí)行率100%，功能覆蓋率100%，通過率97%。對比各方案不同量級(jí)洪水淹沒面積、范圍和淹沒區(qū)的分布均合理。3類模型生成新方案的最長時(shí)間如下：暴雨內(nèi)澇7 d方案約1 h；區(qū)域洪水15 d方案約2 h；外河洪水60 d方案約7 h。已生成方案的加載時(shí)間為1～5 s。 測試結(jié)果符合運(yùn)行要求，系統(tǒng)現(xiàn)已成功部署于江蘇省防汛抗旱指揮部辦公室系統(tǒng)中。

5 結(jié) 語

構(gòu)建的洪澤湖地區(qū)洪澇動(dòng)態(tài)管理信息系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，集成了數(shù)據(jù)庫、洪水演進(jìn)模型、空間分析及地圖服務(wù)，能夠?qū)σ?guī)劃與模擬工況下的雨水情信息、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖與受災(zāi)損失信息等進(jìn)行綜合管理。

創(chuàng)新點(diǎn)和難點(diǎn)在于支持定制方案調(diào)用模型進(jìn)行洪澇模擬計(jì)算；基于WebGIS與動(dòng)態(tài)圖層將模型實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果繪制為動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，實(shí)現(xiàn)了洪水演進(jìn)過程的連續(xù)快速動(dòng)態(tài)刷新。

模型直接嵌入系統(tǒng)，提高了工作準(zhǔn)確性和效率；動(dòng)態(tài)圖層技術(shù)的應(yīng)用，為不斷更新與增加的海量圖層數(shù)據(jù)的顯示與共享提供了一個(gè)可靠的解決方案；豐富的洪澇信息管理功能與圖、表、文字、靜態(tài)GIS圖、動(dòng)態(tài)GIS圖等多樣的展示形式，有助于決策者對災(zāi)情進(jìn)行合理的預(yù)估與全方位的分析，從而制定更為可靠的避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移與防災(zāi)減災(zāi)策略。測試及運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)已滿足江蘇省防汛抗旱指揮部工作要求，設(shè)計(jì)完善，功能全面，響應(yīng)速度快，應(yīng)用于研究區(qū)洪澇預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確，洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果合理。

未來可以在模型概化與參數(shù)率定的精確度、數(shù)據(jù)庫對模型計(jì)算結(jié)果讀寫的效率、三維可視化等方面進(jìn)行更深入的研究。