GIS技术在洪水风险管理系统开发中的应用

作者：刘树坤摘要：洞庭湖接纳湘、资、沅、澧四水和长江的松滋河、虎渡河、藕池河三口，每年大量泥沙进入洞庭湖，其中约四分之一左右的泥沙由城陵矶注入长江，四分之三淤积在洞庭湖。由于泥沙淤积，造成四口洪道多呈淤积萎缩态势，湖内洲滩滋长、芦柳丛生、滞流阻水严重，而且湖泊萎缩使得水系紊乱，相互顶托干扰。关键词：GIS技术洪水风险管理系统一、洪水风险及风险管理的含义洪水是指江河水量迅猛增加及水位急剧上涨的自然现象。洪水的形成往往受气候、下垫面等自然因素和人为因素的影响，在其发生、发展和演变过程中包含着必然性的一面，也包含着随机性的一面，人们很难精确地预知其发生的时间、地点和大小。所以，在水文学上通常采用洪水频率描述洪水本身风险的大小。除此之外，洪水风险的大小还与人们抵御洪水的能力以及承受洪水的区域内的资产水平有关。我们知道，如果洪水发生在没有人烟的地区，也就无所谓洪水灾害。所以，只有当洪水威胁到人类的安全和影响到人类的社会经济活动并造成损失时，才称之为洪水灾害。长期以来，为了防御洪水，人们修建了大量的堤防、大坝等防洪工程，具有了防御洪水灾害的一定能力。然而，在人类修建大量防洪工程大规模改造自然的过程中，人们逐步意识到人与自然的矛盾在逐步加深。通过大规模的水利工程建设，人们普遍地增加了安全感，在河岸两侧开始大规模地建设，城市不断扩大，人口不断集中。然而，当下一次洪水泛滥发生时，人们发现洪水所造成的损失比以前有增无减，于是人们又要求提高江河的防洪标准。如此下去，便形成了防洪工程投入不断加大，而洪灾损失也不断增长的局面。而且人类发现了生存环境日益恶化，河流生态系统被破坏等诸多问题。在反思这些问题时，人类意识到洪水是一种自然现象，以现有技术企图控制和消除洪水灾害是不可能的，认识到洪水的风险是不可消除的而只能在一定程度上减轻或回避。因此，从发展的观点来看，人们在与洪水斗争的过程中，既要适当控制洪水改造自然，又要适应洪水与自然共存，将洪水灾害损失降低到不影响人类的可持续发展进程，以最低的成本实现最大安全保障这样一个防洪减灾的总体目标。洪水灾害风险管理的概念便是在这样的基础上提出的。洪水灾害的严重性和频发性决定了洪水灾害风险管理的复杂性。洪水灾害风险管理可以说是一个系统工程，是指人们对可能遇到的洪水风险进行识别、估计和评价，并在此基础上综合利用法律、行政、经济、技术、教育与工程手段，合理调整人与自然之间的关系，实现人类的最大安全保障和可持续发展的双重目标。从发展的观点来看，洪水灾害风险管理是指人们在与洪水斗争的过程中，既要适当控制洪水改造自然，又要适应洪水与自然共存，利用各种工程措施和非工程措施，将洪水灾害损失降低到不影响人类的可持续发展进程，以最低的成本实现最大安全保障这样一个防洪减灾的总体目标。洪水灾害的风险管理应贯穿洪水灾害发生发展的全过程，包括灾害发生前的日常风险管理，灾害发生过程中的应急风险管理和灾害发生后的恢复和重建过程中的风险管理。风险管理过程是不断循环和完善的过程，主要包括建立风险管理目标、风险分析、风险决策、风险处理等几个基本步骤。（1）洪水灾害风险管理目标：根据洪水特征、工程质量、防洪保护区的人口、财产状况和承受能力，对防洪投入风险因素进行评估，确定对各项风险因素可以接受的标准，使风险管理成本最小，以此作为风险的管理目标。（2）洪水灾害风险识别：在确定的风险管理目标条件下，对仍然存在较大风险的因素进行判别，根据可能产生风险的大小进行排序，确定重点管理目标。（3）洪水灾害风险估计：计算或估算重点风险因素可能造成的洪水危险性的大小，如是否可能造成工程破坏，工程破坏后可能形成的淹没范围、淹没水深等。（4）洪水灾害风险评价：具体计算洪水造成的社会、环境、生态、经济等方面的损失。（5）洪水灾害风险管理方案：选择可行的对策，应对洪水灾害风险，使洪水灾害在总体上损失最小。包括：①自留风险，由本地区承担洪水灾害风险；②降低风险，采取应急措施，减少或消除一些风险因素，使总体风险降低；③回避风险，将人口和资产由高风险区域向低风险区和安全区疏散转移；④转移风险，如洪水灾害可能威胁到重点保护区域时，主动将灾害转移到其他非重点保护区域，使总体灾害损失减少；⑤分担风险，采取保险或补偿等方式，由更大范围分担局部受灾区域的风险。管理方案可以是上述方案中的一种或多种的组合。（6）洪水灾害风险管理决策：对各种洪水灾害风险管理方案可能产生的后果进行分析和比较，选择最优方案。（7）洪水灾害风险管理计划：风险管理方案确定后，要编制行动计划，如动员、发布警报、人口资产转移、紧急抢险和救护、破堤分洪等。务求在方案实施过程中生命和财产损失最小。（8）洪水灾害风险管理效果评价：对计划实施后的社会、经济、生态、环境效果进行评价或预评估。二、GIS与组件式GIS地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统，是以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统，也就是GIS工具软件包，如ARC/INFO等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等GIS基本功能。应用型GIS主要有三种开发方式：（1）独立开发：指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如VisualC++、Delphi等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业GIS工具软件，独立性强，但是，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化GIS工具软件相比，而且在购买GIS工具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。（2）单纯二次开发：指完全借助于GIS工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如ESRI的ArcView提供了Avenue语言，MapInfo公司研制的MapInfoProfessional提供了MapBasic语言等等。用户可以利用这些宏语言，以原GIS工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的宏语言，作为编程语言只能算是二流的，功能极弱，用它们来开发应用程序往往不尽如人意。（3）集成二次开发：集成二次开发是指利用专业的GIS工具软件，如ArcView、MapInfo等，实现GIS的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如Delphi、VisualC++、VisualBasic、PowerBuilder等为开发平台，进行二者的集成开发。集成二次开发目前主要有两种方式：①OLE/DDE:采用OLEAutomation技术或利用DDE技术，用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以OLE自动化方式或DDE方式启动GIS工具软件在后台执行，利用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能；②GIS控件：利用GIS工具软件生产厂家提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能控件，如ESRI的MapObjects、MapInfo公司的MapX等，在Delphi等编程工具编制的应用程序中，直接将GIS功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能。这种建立在OCX技术基础上的GIS功能控件又被称做组件式GIS。由于独立开发难度太大，单纯二次开发受GIS工具提供的编程语言的限制差强人意，因此结合GIS工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式就成为GIS应用开发的主流。它的优点是既可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其他可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移植、便于维护。尤其是使用OCX技术利用GIS功能组件进行集成开发，更能表现出这些优势。组件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其他非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。控件如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能（包括GIS和非GIS功能），根据需要把实现各种功能的积木搭建起来，就构成应用系统。把GIS的功能适当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来许多传统GIS工具无法比拟的优点。三、GIS技术在黄河下游山东段堤防溃决洪灾风险管理系统开发中的应用近年来，黄河断流和水资源短缺成了人们关注的焦点，我们在关注水资源的同时，不能忘掉黄河防洪仍是一项长期的艰巨任务。历史上，黄河山东段曾多次泛滥，近年来河道淤积日益严重，1995年下游河床淤高16cm，而黄河大堤多年未曾加高，两岸的安全标准日益降低。加之下游河道容易发生冰塞，新中国成立以来已有两次形成冰凌灾害，是属于洪水灾害风险较大的区间。另外，黄河下游两岸为我国经济发达地区，人口财产密集，铁路、公路纵横，堤防一旦溃决，后果将十分严重。因此就需要模拟黄河下游堤防溃决后的洪水风险，根据淹没范围内人口及财产分布，估算洪水灾害损失，再根据对防洪投入及社会经济发展状况的预测，为今后的防洪减灾提供决策支持。黄河下游山东段堤防溃决洪灾风险管理系统是一个以GIS为核心技术，以数据库为基础，包含基础信息管理、堤防溃决洪水风险计算、堤防溃决洪水风险图、堤防溃决洪水风险查询、堤防溃决洪水灾害损失评估、区域防洪减灾对策等模块的，为防洪减灾辅助决策和洪灾风险管理服务的计算机系统。系统的逻辑结构。GIS技术在以上各个模块中的应用主要体现在：3.1基础信息管理将系统中涉及到的各种水文信息、工程信息、自然地理信息以及历史信息以电子地图的形式分层管理起来，并实现图形导航、放大、缩小、漫游、标注、图层控制等功能。将各种基础信息数据库中的记录与地图对象的空间数据库中的属性信息相互匹配，可以准确定位地图对象；基础信息数据库中的记录更新后，能够快速反映到地图对象上。实现了地图对象空间位置信息与数据库中的属性信息的对应。3.2洪水风险计算洪水风险计算模型采用无结构不规则网格的二维非恒定流水动力学模型，在设计网格时，利用地图工作空间添加、编辑网格，既可以考虑地形地物以及阻水建筑物的影响，又可以充分利用GIS的制图与图形检查纠错功能，提高工作效率。网格图略。3.3洪水风险图制作洪水风险图是了解区域内遭受洪水灾害的危险性大小的一种直观科学的地图。它是依据流速、淹没水深和淹没历时等参数，将滩地、分蓄洪区或受洪水影响范围划分为危险区、重灾区、轻灾区、安全区等区域。依据不同的用途，洪水风险图可以划分为基本风险图、专题风险图和综合风险图。基本风险图是将洪水基本要素（如淹没范围、水深、历时、流速等）在行政区划图上表示。专题风险图是依据不同的风险决策者制作的不同用途的风险图，如保险公司用的保险专用风险图；防洪决策者使用的专门风险图；军事部门针对重点保护对象的洪水风险图；防洪避难使用的风险图等。综合风险图是服务于防洪决策各项工作的一套风险图。一般是利用GIS技术制作，包含洪水基本要素、灾害损失信息、防洪工程信息等的一套风险图。该子系统是为了将堤防溃决洪水风险计算中选取的10个方案的结果制作成一套风险图，主要包括基本行政区划图、溃堤位置、最大淹没范围图、最大淹没水深图、淹没历时图等。风险图的制作首先是利用自己开发的专用转换模型将数学模型中的网格文件转换成MapInfoProfessional可以接受的交换格式MIF和MID，然后再利用MapInfoProfessional软件，根据数学模型的计算结果（受淹范围、淹没水深、淹没历时、淹没流速等），采用制作专题图层的方法制作的。3.4洪水风险信息查询该系统包含三种方式查询堤防溃决洪水风险计算的结果。①通过输入经纬度查询关心点的基本信息和洪水风险信息；②通过选择县区，查询所选县区的基本信息和洪水淹没信息；③通过选择洪水计算模型中的网格号，查询所选网格的基本信息和洪水风