流域水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)研究

袁瑩　孫甜

摘 要 結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)的基本理論，在傳統(tǒng)流域洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，研究了基于ASP.NET MVC框架的流域水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)的構(gòu)想和方法。根據(jù)流域水旱災(zāi)害防御決策指揮的特點(diǎn)，深入挖掘流域水、雨、歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)，結(jié)合水旱災(zāi)害防御指揮不同階段的場(chǎng)景，分析研判汛情風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步提高水旱災(zāi)害防御指揮決策水平。

關(guān)鍵詞 水旱災(zāi)害防御;決策支持系統(tǒng);指揮場(chǎng)景;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)： P426.616文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.068

0 引言

由于我國(guó)地域遼闊，河流眾多，造成水旱災(zāi)害頻發(fā)。近年來(lái)，水旱災(zāi)害是我國(guó)出現(xiàn)概率最高，影響范圍和造成損失最大的自然災(zāi)害。信息是水旱災(zāi)害防御決策的基礎(chǔ)。如何在水旱災(zāi)害產(chǎn)生的各個(gè)階段，利用信息系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)盡可能多地獲取相關(guān)信息，對(duì)防汛抗旱的形勢(shì)和問(wèn)題作出正確的判斷和決策，制訂科學(xué)的防洪方案是新時(shí)期流域水旱災(zāi)害防御需要面對(duì)的新問(wèn)題。本文介紹了基于ASP.NET MVC框架[1]的流域水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)，從需求分析、系統(tǒng)框架、功能設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出發(fā)，分別闡述了水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)的構(gòu)想和方法。

1 流域水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

決策支持系統(tǒng)（Decision Support System，簡(jiǎn)稱DSS），是一種重要的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。DSS是以數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)，輔助支持相關(guān)部門各級(jí)管理人員進(jìn)行決策，是推進(jìn)管理現(xiàn)代化與決策科學(xué)化的有力工具。建立流域水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)的目的是為決策指揮提供多層次的信息服務(wù)和多種支持手段，以充分提高流域水旱災(zāi)害防御決策科學(xué)化和現(xiàn)代化水平。

1.1 需求分析

根據(jù)流域水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，其需求主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）通過(guò)大數(shù)據(jù)共享，與氣象、海洋等各部門形成數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，挖掘水旱災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)利用價(jià)值，為水旱災(zāi)害防御綜合研判提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（2）建立精準(zhǔn)的流域洪水預(yù)報(bào)模型，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)或評(píng)估流域未來(lái)的雨情、水情，及時(shí)有效的發(fā)布流域汛期預(yù)警。

（3）繪制流域動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，對(duì)災(zāi)害造成的損失采用合理的統(tǒng)計(jì)和評(píng)估方法，在水旱災(zāi)害防御中提供基礎(chǔ)的決策支撐。

（4）以水旱災(zāi)害防御過(guò)程中各階段不同的決策指揮場(chǎng)景為出發(fā)點(diǎn)，為管理人員搭建水旱災(zāi)害防御實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，在不同場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)指揮信息的融合共享、有序流轉(zhuǎn)和自主顯控，使信息優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)態(tài)勢(shì)監(jiān)控、輔助決策和指揮控制能力的提高。

1.2 系統(tǒng)功能

針對(duì)流域水旱災(zāi)害特點(diǎn)和流域水旱災(zāi)害防御指揮決策需求[6]，在對(duì)相關(guān)流域防汛預(yù)報(bào)系統(tǒng)大量調(diào)研的基礎(chǔ)上[2-4]，融合實(shí)時(shí)水雨情、降雨氣象預(yù)報(bào)、流域洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)編制、流域防洪調(diào)度、洪水調(diào)查等內(nèi)容，提出將流域水旱災(zāi)害防御決策指揮系統(tǒng)劃分為汛情態(tài)勢(shì)感知、水旱災(zāi)害防御決策和災(zāi)后綜合評(píng)估三大功能模塊。

1.2.1 汛情態(tài)勢(shì)感知

在流域可能或即將出現(xiàn)汛情時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)取流域水雨情信息、降雨預(yù)報(bào)信息以及流域各類工情信息，利用大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)手段，設(shè)置一套水旱災(zāi)害研判概念指標(biāo)，綜合分析當(dāng)前汛情狀態(tài)并提供實(shí)時(shí)水情簡(jiǎn)報(bào);實(shí)時(shí)監(jiān)控降雨過(guò)程，與流域歷史降雨過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)匹配，分析預(yù)估場(chǎng)次降雨過(guò)程走向;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程運(yùn)行及安全狀態(tài)，綜合評(píng)估流域當(dāng)前防洪形勢(shì)，為后期流域水旱災(zāi)害防御決策提供前期保障。

1.2.2 水旱災(zāi)害防御決策

當(dāng)實(shí)時(shí)或預(yù)報(bào)水雨情已造成流域出現(xiàn)水位超警等狀況，依托水雨情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，迅速描述流域當(dāng)前水旱災(zāi)害畫像，并形成相應(yīng)水旱災(zāi)害簡(jiǎn)報(bào);結(jié)合流域洪水預(yù)報(bào)模型，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)或評(píng)估流域未來(lái)的雨情、水情，及時(shí)有效的發(fā)布流域汛期預(yù)警;模擬洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)過(guò)程，繪制流域動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，對(duì)災(zāi)害造成的損失采用合理的統(tǒng)計(jì)和評(píng)估方法，在水旱災(zāi)害防御中提供基礎(chǔ)的決策支撐;結(jié)合流域防洪調(diào)度模型，動(dòng)態(tài)模擬防洪調(diào)度，為決策人員調(diào)整調(diào)度方案提供直觀依據(jù)。提供信息自主交互功能，災(zāi)害過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前水旱災(zāi)害防御形勢(shì)實(shí)時(shí)更新融合信息，促進(jìn)災(zāi)害態(tài)勢(shì)監(jiān)控能力和應(yīng)急指揮水平。

1.2.3 災(zāi)后綜合評(píng)估

在水旱災(zāi)害結(jié)束后，及時(shí)做好水旱災(zāi)害后評(píng)估工作。系統(tǒng)根據(jù)過(guò)程中記錄的災(zāi)害過(guò)程數(shù)據(jù)，分析計(jì)算本次洪水特征值，建立流域典型洪水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)，為今后的防汛調(diào)度決策提供參考資料;將洪水預(yù)報(bào)和動(dòng)態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)繪制成果與實(shí)際災(zāi)害情況進(jìn)行比對(duì)，為優(yōu)化流域預(yù)報(bào)模型參數(shù)積累數(shù)據(jù)，提升流域預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性和及時(shí)性;綜合記錄本次調(diào)度過(guò)程、受災(zāi)影響情況，合理分析工程調(diào)度決策以及實(shí)施效果，輔助生成評(píng)估報(bào)告，并與歷史情況分析對(duì)比，不斷優(yōu)化流域未來(lái)的水旱災(zāi)害防御決策支撐水平。

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為方便用戶訪問(wèn)使用，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)綜合使用了ASP.NET MVC 框架[5]、C#程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、SQL server、JavaScript、CSS3、HTML5和jQuery等技術(shù)和工具。系統(tǒng)整體基于WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）技術(shù)結(jié)合B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)[6]實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)層次，分別為視圖、控制器、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫(kù)。其中視圖為用戶提供訪問(wèn)界面，通過(guò)視圖用戶可以訪問(wèn)相應(yīng)的功能模塊;控制器根據(jù)訪問(wèn)要求，返回相應(yīng)的運(yùn)行結(jié)果;業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)了對(duì)業(yè)務(wù)的抽象與封裝，實(shí)現(xiàn)完成特定的水利計(jì)算或成果的查詢統(tǒng)計(jì);數(shù)據(jù)庫(kù)是根據(jù)水旱災(zāi)害防御決策支撐的業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)，用于存儲(chǔ)與業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)中采用的預(yù)報(bào)、調(diào)度和仿真模型

一個(gè)有效的流域水旱災(zāi)害防御決策方案應(yīng)體現(xiàn)出水雨情預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、汛情和災(zāi)情分析的可靠性、水利工程調(diào)度的合理性、防災(zāi)減災(zāi)決策的正確性，而其關(guān)鍵是根據(jù)流域水旱災(zāi)害防御的具體特點(diǎn)，選擇適宜的預(yù)報(bào)、分析、調(diào)度和決策仿真模型，并通過(guò)模型耦合技術(shù)進(jìn)行無(wú)縫融合，將分散的水旱災(zāi)害防御業(yè)務(wù)信息全部匯聚、關(guān)聯(lián)、流動(dòng)起來(lái)，為流域水旱災(zāi)害防御提供動(dòng)態(tài)的階段性的決策技術(shù)支撐。根據(jù)流域水旱災(zāi)害防御工作的具體要求，在對(duì)國(guó)內(nèi)外流域水旱災(zāi)害防御決策模型充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，研究和選用了一些適用的數(shù)學(xué)模型。作為系統(tǒng)模型庫(kù)的組成，本節(jié)列出了在流域水旱災(zāi)害防御決策過(guò)程中常用到的部分模型，應(yīng)用時(shí)，針對(duì)不同地區(qū)具體的防汛任務(wù)、水情工情特點(diǎn)及資料條件，選用其中一種或幾種數(shù)學(xué)模型。

2.1 洪水預(yù)報(bào)模型

洪水預(yù)報(bào)模型是通過(guò)分析研究洪水特點(diǎn)及河床變形規(guī)律，利用過(guò)去和實(shí)時(shí)的水文氣象資料，對(duì)未來(lái)一定時(shí)段的洪水發(fā)展過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型。模型通常采用水文學(xué)、水動(dòng)力學(xué)等相結(jié)合的方法進(jìn)行構(gòu)建。

2.2 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析模型

洪水風(fēng)險(xiǎn)分析模型是依據(jù)洪水預(yù)報(bào)模型計(jì)算得到的預(yù)報(bào)洪水過(guò)程結(jié)果，結(jié)合GIS、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化等信息技術(shù)手段，標(biāo)示洪泛區(qū)內(nèi)各處受洪水災(zāi)害危險(xiǎn)程度的模型。模型將預(yù)報(bào)計(jì)算斷面水位過(guò)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矩形柵格文件，結(jié)合防洪區(qū)域內(nèi)的工程分布地理信息及基礎(chǔ)特性，計(jì)算區(qū)域及對(duì)象的淹沒(méi)范圍和水深，分析預(yù)報(bào)流域洪水危機(jī)程度。根據(jù)洪水類型的不同，可以分為河道洪水分析、水庫(kù)洪水分析、風(fēng)暴潮泛濫洪水分析和內(nèi)澇洪水分析等。

2.3 洪水影響評(píng)估模型

洪水影響評(píng)估模型是對(duì)不同量級(jí)洪水各級(jí)水深淹沒(méi)區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)模型，可在一定程度上反映出洪水影響程度。洪水影響統(tǒng)計(jì)分析的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要包括GDP、耕地面積、交通干線（省級(jí)以上公路、鐵路）里程等;社會(huì)指標(biāo)為人口。統(tǒng)計(jì)單元為不同級(jí)別（縣區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等）的行政區(qū)域。

3 結(jié)語(yǔ)

本文著眼于現(xiàn)代化流域水旱災(zāi)害防御領(lǐng)域的突出矛盾，研究設(shè)計(jì)了場(chǎng)景化的流域水旱災(zāi)害防御決策支持系統(tǒng)，綜合考慮水旱災(zāi)害防御過(guò)程中不同階段的需求和聚焦重點(diǎn)，研究了基于ASP.NET MVC框架的流域防汛決策支持系統(tǒng);并根據(jù)我國(guó)洪澇災(zāi)情特點(diǎn)研建和選用了目前國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)和成熟的水情和災(zāi)情仿真、預(yù)報(bào)、評(píng)估等數(shù)學(xué)模型，利用這些模型可以迅速、可靠和正確地模擬流域雨情、水情、災(zāi)情的發(fā)展過(guò)程和可能后果，為場(chǎng)景提供合理有效的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)信息，為防汛減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)。目前，已初步開發(fā)并投入使用的鰲江流域、東苕溪流域、防汛減災(zāi)決策支持系統(tǒng)，取得了較好的防洪效益和社會(huì)效益，后續(xù)將繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深化，進(jìn)一步積累流域水旱災(zāi)害防御決策支撐系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

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