GIS技術(shù)洪水風(fēng)險管理論文范文
一、洪水風(fēng)險及風(fēng)險管理的含義
洪水是指江河水量迅猛增加及水位急劇上漲的自然現象。洪水的形成往往受氣候、下墊面等自然因素和人為因素的影響，在其發(fā)生、發(fā)展和演變過(guò)程中包含著(zhù)必然性的一面，也包含著(zhù)隨機性的一面，人們很難精確地預知其發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和大小。所以，在水文學(xué)上通常采用洪水頻率描述洪水本身風(fēng)險的大小。除此之外，洪水風(fēng)險的大小還與人們抵御洪水的能力以及承受洪水的區域內的資產(chǎn)水平有關(guān)。我們知道，如果洪水發(fā)生在沒(méi)有人煙的地區，也就無(wú)所謂洪水災害。所以，只有當洪水威脅到人類(lèi)的安全和影響到人類(lèi)的社會(huì )經(jīng)濟活動(dòng)并造成損失時(shí)，才稱(chēng)之為洪水災害。
長(cháng)期以來(lái)，為了防御洪水，人們修建了大量的堤防、大壩等防洪工程，具有了防御洪水災害的一定能力。然而，在人類(lèi)修建大量防洪工程大規模改造自然的過(guò)程中，人們逐步意識到人與自然的矛盾在逐步加深。通過(guò)大規模的水利工程建設，人們普遍地增加了安全感，在河岸兩側開(kāi)始大規模地建設，城市不斷擴大，人口不斷集中。然而，當下一次洪水泛濫發(fā)生時(shí)，人們發(fā)現洪水所造成的損失比以前有增無(wú)減，于是人們又要求提高江河的防洪標準。如此下去，便形成了防洪工程投入不斷加大，而洪災損失也不斷增長(cháng)的局面。而且人類(lèi)發(fā)現了生存環(huán)境日益惡化，河流生態(tài)系統被破壞等諸多問(wèn)題。在反思這些問(wèn)題時(shí)，人類(lèi)意識到洪水是一種自然現象，以現有技術(shù)企圖控制和消除洪水災害是不可能的，認識到洪水的風(fēng)險是不可消除的而只能在一定程度上減輕或回避。因此，從發(fā)展的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，人們在與洪水斗爭的過(guò)程中，既要適當控制洪水改造自然，又要適應洪水與自然共存，將洪水災害損失降低到不影響人類(lèi)的可持續發(fā)展進(jìn)程，以最低的成本實(shí)現最大安全保障這樣一個(gè)防洪減災的總體目標。洪水災害風(fēng)險管理的概念便是在這樣的基礎上提出的。
洪水災害的嚴重性和頻發(fā)性決定了洪水災害風(fēng)險管理的復雜性。洪水災害風(fēng)險管理可以說(shuō)是一個(gè)系統工程，是指人們對可能遇到的洪水風(fēng)險進(jìn)行識別、估計和評價(jià)，并在此基礎上綜合利用法律、行政、經(jīng)濟、技術(shù)、教育與工程手段，合理調整人與自然之間的關(guān)系，實(shí)現人類(lèi)的最大安全保障和可持續發(fā)展的雙重目標。從發(fā)展的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，洪水災害風(fēng)險管理是指人們在與洪水斗爭的過(guò)程中，既要適當控制洪水改造自然，又要適應洪水與自然共存，利用各種工程措施和非工程措施，將洪水災害損失降低到不影響人類(lèi)的可持續發(fā)展進(jìn)程，以最低的成本實(shí)現最大安全保障這樣一個(gè)防洪減災的總體目標。
洪水災害的風(fēng)險管理應貫穿洪水災害發(fā)生發(fā)展的全過(guò)程，包括災害發(fā)生前的日常風(fēng)險管理，災害發(fā)生過(guò)程中的應急風(fēng)險管理和災害發(fā)生后的恢復和重建過(guò)程中的風(fēng)險管理。風(fēng)險管理過(guò)程是不斷循環(huán)和完善的過(guò)程，主要包括建立風(fēng)險管理目標、風(fēng)險分析、風(fēng)險決策、風(fēng)險處理等幾個(gè)基本步驟。
�。�1）洪水災害風(fēng)險管理目標：根據洪水特征、工程質(zhì)量、防洪保護區的人口、財產(chǎn)狀況和承受能力，對防洪投入風(fēng)險因素進(jìn)行評估，確定對各項風(fēng)險因素可以接受的標準，使風(fēng)險管理成本最小，以此作為風(fēng)險的管理目標。
�。�2）洪水災害風(fēng)險識別：在確定的風(fēng)險管理目標條件下，對仍然存在較大風(fēng)險的因素進(jìn)行判別，根據可能產(chǎn)生風(fēng)險的大小進(jìn)行排序，確定重點(diǎn)管理目標。
�。�3）洪水災害風(fēng)險估計：計算或估算重點(diǎn)風(fēng)險因素可能造成的洪水危險性的大小，如是否可能造成工程破壞，工程破壞后可能形成的淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深等。
�。�4）洪水災害風(fēng)險評價(jià)：具體計算洪水造成的社會(huì )、環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟等方面的損失。
�。�5）洪水災害風(fēng)險管理方案：選擇可行的對策，應對洪水災害風(fēng)險，使洪水災害在總體上損失最小。包括：①自留風(fēng)險，由本地區承擔洪水災害風(fēng)險；②降低風(fēng)險，采取應急措施，減少或消除一些風(fēng)險因素，使總體風(fēng)險降低；③回避風(fēng)險，將人口和資產(chǎn)由高風(fēng)險區域向低風(fēng)險區和安全區疏散轉移；④轉移風(fēng)險，如洪水災害可能威脅到重點(diǎn)保護區域時(shí)，主動(dòng)將災害轉移到其他非重點(diǎn)保護區域，使總體災害損失減少；⑤分擔風(fēng)險，采取保險或補償等方式，由更大范圍分擔局部受災區域的風(fēng)險。管理方案可以是上述方案中的一種或多種的組合。
�。�6）洪水災害風(fēng)險管理決策：對各種洪水災害風(fēng)險管理方案可能產(chǎn)生的后果進(jìn)行分析和比較，選擇最優(yōu)方案。
�。�7）洪水災害風(fēng)險管理計劃：風(fēng)險管理方案確定后，要編制行動(dòng)計劃，如動(dòng)員、發(fā)布警報、人口資產(chǎn)轉移、緊急搶險和救護、破堤分洪等。務(wù)求在方案實(shí)施過(guò)程中生命和財產(chǎn)損失最小。
�。�8）洪水災害風(fēng)險管理效果評價(jià)：對計劃實(shí)施后的社會(huì )、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境效果進(jìn)行評價(jià)或預評估。
二、GIS與組件式GIS
地理信息系統根據其內容可分為兩大基本類(lèi)型：一是應用型地理信息系統，是以某一專(zhuān)業(yè)、領(lǐng)域或工作為主要內容，包括專(zhuān)題地理信息系統和區域綜合地理信息系統；二是工具型地理信息系統，也就是GIS工具軟件包，如ARC/INFO等，具有空間數據輸入、存儲、處理、分析和輸出等GIS基本功能。應用型GIS主要有三種開(kāi)發(fā)方式：
�。�1）獨立開(kāi)發(fā)：指不依賴(lài)于任何GIS工具軟件，從空間數據的采集、編輯到數據的處理分析及結果輸出，所有的算法都由開(kāi)發(fā)者獨立設計，然后選用某種程序設計語(yǔ)言，如VisualC++、Delphi等，在一定的操作系統平臺上編程實(shí)現。這種方式的好處在于無(wú)須依賴(lài)任何商業(yè)GIS工具軟件，獨立性強，但是，能力、時(shí)間、財力方面的限制使其開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品很難在功能上與商業(yè)化GIS工具軟件相比，而且在購買(mǎi)GIS工具軟件上省下的錢(qián)可能還抵不上開(kāi)發(fā)者在開(kāi)發(fā)過(guò)程中絞盡腦汁所花的代價(jià)。
�。�2）單純二次開(kāi)發(fā)：指完全借助于GIS工具軟件提供的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行應用系統開(kāi)發(fā)。GIS工具軟件大多提供了可供用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的宏語(yǔ)言，如ESRI的ArcView提供了Avenue語(yǔ)言，MapInfo公司研制的MapInfoProfessional提供了MapBasic語(yǔ)言等等。用戶(hù)可以利用這些宏語(yǔ)言，以原GIS工具軟件為開(kāi)發(fā)平臺，開(kāi)發(fā)出自己的針對不同應用對象的應用程序。這種方式省時(shí)省心，但進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的宏語(yǔ)言，作為編程語(yǔ)言只能算是二流的，功能極弱，用它們來(lái)開(kāi)發(fā)應用程序往往不盡如人意。
�。�3）集成二次開(kāi)發(fā)：集成二次開(kāi)發(fā)是指利用專(zhuān)業(yè)的GIS工具軟件，如ArcView、MapInfo等，實(shí)現GIS的基本功能，以通用軟件開(kāi)發(fā)工具尤其是可視化開(kāi)發(fā)工具，如Delphi、VisualC++、VisualBasic、PowerBuilder等為開(kāi)發(fā)平臺，進(jìn)行二者的集成開(kāi)發(fā)。
集成二次開(kāi)發(fā)目前主要有兩種方式：①OLE/DDE:采用OLEAutomation技術(shù)或利用DDE技術(shù)，用軟件開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)前臺可執行應用程序，以OLE自動(dòng)化方式或DDE方式啟動(dòng)GIS工具軟件在后臺執行，利用回調技術(shù)動(dòng)態(tài)獲取其返回信息，實(shí)現應用程序中的地理信息處理功能；②GIS控件：利用GIS工具軟件生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的建立在OCX技術(shù)基礎上的GIS功能控件，如ESRI的MapObjects、MapInfo公司的MapX等，在Delphi等編程工具編制的應用程序中，直接將GIS功能嵌入其中，實(shí)現地理信息系統的各種功能。這種建立在OCX技術(shù)基礎上的GIS功能控件又被稱(chēng)做組件式GIS。
由于獨立開(kāi)發(fā)難度太大，單純二次開(kāi)發(fā)受GIS工具提供的編程語(yǔ)言的限制差強人意，因此結合GIS工具軟件與當今可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的集成二次開(kāi)發(fā)方式就成為GIS應用開(kāi)發(fā)的主流。它的優(yōu)點(diǎn)是既可以充分利用GIS工具軟件對空間數據庫的管理、分析功能，又可以利用其他可視化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言具有的高效、方便等編程優(yōu)點(diǎn)，集二者之所長(cháng)，不僅能大大提高應用系統的開(kāi)發(fā)效率，而且使用可視化軟件開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)出來(lái)的應用程序具有更好的外觀(guān)效果，更強大的數據庫功能，而且可靠性好、易于移植、便于維護。尤其是使用OCX技術(shù)利用GIS功能組件進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)，更能表現出這些優(yōu)勢。
組件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個(gè)控件，每個(gè)控件完成不同的功能。各個(gè)GIS控件之間，以及GIS控件與其他非GIS控件之間，可以方便地通過(guò)可視化的軟件開(kāi)發(fā)工具集成起來(lái)，形成最終的GIS應用�？丶缤欢迅魇礁鳂拥姆e木，他們分別實(shí)現不同的功能（包括GIS和非GIS功能），根據需要把實(shí)現各種功能的"積木"搭建起來(lái)，就構成應用系統。把GIS的功能適當抽象，以組件形式供開(kāi)發(fā)者使用，將會(huì )帶來(lái)許多傳統GIS工具無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
三、GIS技術(shù)在黃河下游山東段堤防潰決洪災風(fēng)險管理系統開(kāi)發(fā)中的應用
近年來(lái)，黃河斷流和水資源短缺成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，我們在關(guān)注水資源的同時(shí)，不能忘掉黃河防洪仍是一項長(cháng)期的艱巨任務(wù)。歷史上，黃河山東段曾多次泛濫，近年來(lái)河道淤積日益嚴重，1995年下游河床淤高16cm，而黃河大堤多年未曾加高，兩岸的安全標準日益降低。加之下游河道容易發(fā)生冰塞，新中國成立以來(lái)已有兩次形成冰凌災害，是屬于洪水災害風(fēng)險較大的區間。另外，黃河下游兩岸為我國經(jīng)濟發(fā)達地區，人口財產(chǎn)密集，鐵路、公路縱橫，堤防一旦潰決，后果將十分嚴重。因此就需要模擬黃河下游堤防潰決后的洪水風(fēng)險，根據淹沒(méi)范圍內人口及財產(chǎn)分布，估算洪水災害損失，再根據對防洪投入及社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展狀況的預測，為今后的防洪減災提供決策支持。
黃河下游山東段堤防潰決洪災風(fēng)險管理系統是一個(gè)以GIS為核心技術(shù)，以數據庫為基礎，包含基礎信息管理、堤防潰決洪水風(fēng)險計算、堤防潰決洪水風(fēng)險圖、堤防潰決洪水風(fēng)險查詢(xún)、堤防潰決洪水災害損失評估、區域防洪減災對策等模塊的，為防洪減災輔助決策和洪災風(fēng)險管理服務(wù)的計算機系統。系統的邏輯結構。
GIS技術(shù)在以上各個(gè)模塊中的應用主要體現在：
3.1基礎信息管理
將系統中涉及到的各種水文信息、工程信息、自然地理信息以及歷史信息以電子地圖的形式分層管理起來(lái)，并實(shí)現圖形導航、放大、縮小、漫游、標注、圖層控制等功能。
將各種基礎信息數據庫中的記錄與地圖對象的空間數據庫中的屬性信息相互匹配，可以準確定位地圖對象；基礎信息數據庫中的記錄更新后，能夠快速反映到地圖對象上。實(shí)現了地圖對象空間位置信息與數據庫中的屬性信息的對應。
3.2洪水風(fēng)險計算
洪水風(fēng)險計算模型采用無(wú)結構不規則網(wǎng)格的二維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型，在設計網(wǎng)格時(shí)，利用地圖工作空間添加、編輯網(wǎng)格，既可以考慮地形地物以及阻水建筑物的影響，又可以充分利用GIS的制圖與圖形檢查糾錯功能，提高工作效率。網(wǎng)格圖略。
3.3洪水風(fēng)險圖制作
洪水風(fēng)險圖是了解區域內遭受洪水災害的危險性大小的一種直觀(guān)科學(xué)的地圖。它是依據流速、淹沒(méi)水深和淹沒(méi)歷時(shí)等參數，將灘地、分蓄洪區或受洪水影響范圍劃分為危險區、重災區、輕災區、安全區等區域。依據不同的用途，洪水風(fēng)險圖可以劃分為基本風(fēng)險圖、專(zhuān)題風(fēng)險圖和綜合風(fēng)險圖�；撅L(fēng)險圖是將洪水基本要素（如淹沒(méi)范圍、水深、歷時(shí)、流速等）在行政區劃圖上表示。專(zhuān)題風(fēng)險圖是依據不同的風(fēng)險決策者制作的不同用途的風(fēng)險圖，如保險公司用的保險專(zhuān)用風(fēng)險圖；防洪決策者使用的專(zhuān)門(mén)風(fēng)險圖；軍事部門(mén)針對重點(diǎn)保護對象的洪水風(fēng)險圖；防洪避難使用的風(fēng)險圖等。綜合風(fēng)險圖是服務(wù)于防洪決策各項工作的一套風(fēng)險圖。一般是利用GIS技術(shù)制作，包含洪水基本要素、災害損失信息、防洪工程信息等的'一套風(fēng)險圖。
該子系統是為了將堤防潰決洪水風(fēng)險計算中選取的10個(gè)方案的結果制作成一套風(fēng)險圖，主要包括基本行政區劃圖、潰堤位置、最大淹沒(méi)范圍圖、最大淹沒(méi)水深圖、淹沒(méi)歷時(shí)圖等。風(fēng)險圖的制作首先是利用自己開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用轉換模型將數學(xué)模型中的網(wǎng)格文件轉換成MapInfoProfessional可以接受的交換格式MIF和MID，然后再利用MapInfoProfessional軟件，根據數學(xué)模型的計算結果（受淹范圍、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)、淹沒(méi)流速等），采用制作專(zhuān)題圖層的方法制作的。
3.4洪水風(fēng)險信息查詢(xún)
該系統包含三種方式查詢(xún)堤防潰決洪水風(fēng)險計算的結果。①通過(guò)輸入經(jīng)緯度查詢(xún)關(guān)心點(diǎn)的基本信息和洪水風(fēng)險信息；②通過(guò)選擇縣區，查詢(xún)所選縣區的基本信息和洪水淹沒(méi)信息；③通過(guò)選擇洪水計算模型中的網(wǎng)格號，查詢(xún)所選網(wǎng)格的基本信息和洪水風(fēng)險信息。
按經(jīng)緯度查詢(xún)時(shí)，系統首先從用戶(hù)輸入界面中獲取經(jīng)度值和緯度值，然后根據這兩個(gè)數值在"網(wǎng)格"圖層中判斷該點(diǎn)屬于哪個(gè)網(wǎng)格，判別方法是只要該點(diǎn)包含于網(wǎng)格的邊界內就認為該點(diǎn)屬于該網(wǎng)格，并建立動(dòng)態(tài)圖層閃爍顯示該點(diǎn)的位置；最后，再根據"網(wǎng)格號"這一關(guān)聯(lián)字段在"網(wǎng)格洪水風(fēng)險計算結果信息"數據庫中匹配，找到相關(guān)的基本信息和洪水風(fēng)險信息。
按縣區查詢(xún)時(shí)，系統首先從用戶(hù)輸入界面中獲取所要查詢(xún)的縣區名稱(chēng)，然后根據縣區名稱(chēng)在"縣區"圖層中查詢(xún)該縣區的位置，并建立動(dòng)態(tài)圖層閃爍顯示該縣區。最后，再根據"縣區名稱(chēng)"這一關(guān)聯(lián)字段在"縣區洪水風(fēng)險計算結果信息"數據庫中匹配，找到相關(guān)的基本信息和洪水風(fēng)險信息。
按網(wǎng)格查詢(xún)時(shí)，系統首先從用戶(hù)輸入界面中獲取所要查詢(xún)的網(wǎng)格編號，然后在"網(wǎng)格"圖層中查詢(xún)該網(wǎng)格位置，并建立動(dòng)態(tài)圖層閃爍顯示該網(wǎng)格的位置；最后，再根據"網(wǎng)格號"這一關(guān)聯(lián)字段在"網(wǎng)格洪水風(fēng)險計算結果信息"數據庫中匹配，找到相關(guān)的基本信息和洪水風(fēng)險信息。
查詢(xún)結果都有三種表現方式：①以表格形式直接顯示查詢(xún)區域或地點(diǎn)的基本信息和洪水風(fēng)險信息；②在地圖中央閃爍顯示查詢(xún)區域或地點(diǎn)；③以Excel表格形式直接輸出查詢(xún)結果。
3.5洪災經(jīng)濟損失計算與查詢(xún)
洪災經(jīng)濟損失計算是根據沿黃區域的社會(huì )經(jīng)濟特征及社會(huì )經(jīng)濟調查資料的完備性對其財產(chǎn)進(jìn)行分類(lèi)，利用GIS工具，將二維非恒定流水動(dòng)力學(xué)模型的不規則網(wǎng)格與電子地圖配準，使不規則網(wǎng)格具有空間地理位置。根據行政區域與網(wǎng)格空間地理位置的關(guān)系，找到每一個(gè)網(wǎng)格所屬的行政區域，并根據不同洪水潰堤計算方案下的網(wǎng)格的水力學(xué)特征數據（水深、流速、歷時(shí)、洪水到達時(shí)間），生成不同計算方案下的行政區域內的淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深分布、淹沒(méi)歷時(shí)分布和流速分布等。根據每一方案下不同淹沒(méi)區域，計算每個(gè)受淹網(wǎng)格的面積與實(shí)際面積的比例，將行政區域內的各類(lèi)資產(chǎn)按此比例分割到每個(gè)網(wǎng)格上。調查受影響區域內典型區域以往的災害損失情況，估算樣本分類(lèi)財產(chǎn)的損失率，或根據經(jīng)驗確定分類(lèi)財產(chǎn)的洪災損失率。根據每個(gè)網(wǎng)格的淹沒(méi)水深和淹沒(méi)歷時(shí)，與洪災損失率數據庫的記錄中的淹沒(méi)水深范圍和淹沒(méi)歷時(shí)范圍進(jìn)行比較，求算出各個(gè)網(wǎng)格的分類(lèi)資產(chǎn)在淹沒(méi)條件下的損失值及損失率，逐步向上疊加，求出各個(gè)區內某類(lèi)財產(chǎn)的總直接經(jīng)濟損失及平均損失率，再通過(guò)所有受淹縣區的分類(lèi)財產(chǎn)的損失合計求取全部受淹區域內所有財產(chǎn)的總的直接經(jīng)濟損失，再按經(jīng)驗系數法估算間接損失，洪災間接經(jīng)濟損失與直接經(jīng)濟損失之和即為洪災的總損失。
根據作者的計算，黃河下游堤防潰決后的淹沒(méi)范圍。黃河下游堤防潰決后北岸造成的經(jīng)濟損失最大達391.2億元，南岸堤防潰決后造成的經(jīng)濟損失最大約486.1億元。各個(gè)方案洪災影響范圍、受淹人口和經(jīng)濟損失。
四、結語(yǔ)
洪水風(fēng)險管理是個(gè)較新的概念，本文只是提出了粗略的看法，還需要在今后的研究中逐步深入。組件式GIS與專(zhuān)業(yè)應用系統結合，是應用型GIS未來(lái)發(fā)展的方向。GIS在洪災風(fēng)險管理系統各個(gè)環(huán)節中的應用必將越來(lái)越廣泛。
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