GIS技術(shù)洪水風險管理論文范文
一、洪水風險及風險管理的含義
洪水是指江河水量迅猛增加及水位急劇上漲的自然現(xiàn)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)展和演變過程中包含著必然性的一面，也包含著隨機性的一面，人們很難精確地預知其發(fā)生的時間、地點和大小。所以，在水文學上通常采用洪水頻率描述洪水本身風險的大小。除此之外，洪水風險的大小還與人們抵御洪水的能力以及承受洪水的區(qū)域內(nèi)的資產(chǎn)水平有關(guān)。我們知道，如果洪水發(fā)生在沒有人煙的地區(qū)，也就無所謂洪水災害。所以，只有當洪水威脅到人類的安全和影響到人類的社會經(jīng)濟活動并造成損失時，才稱之為洪水災害。
長期以來，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，在人類修建大量防洪工程大規(guī)模改造自然的過程中，人們逐步意識到人與自然的矛盾在逐步加深。通過大規(guī)模的水利工程建設(shè)，人們普遍地增加了安全感，在河岸兩側(cè)開始大規(guī)模地建設(shè)，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，人們發(fā)現(xiàn)洪水所造成的損失比以前有增無減，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的局面。而且人類發(fā)現(xiàn)了生存環(huán)境日益惡化，河流生態(tài)系統(tǒng)被破壞等諸多問題。在反思這些問題時，人類意識到洪水是一種自然現(xiàn)象，以現(xiàn)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)展的觀點來看，人們在與洪水斗爭的過程中，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的可持續(xù)發(fā)展進程，以最低的成本實現(xiàn)最大安全保障這樣一個防洪減災的總體目標。洪水災害風險管理的概念便是在這樣的基礎(chǔ)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險管理的復雜性。洪水災害風險管理可以說是一個系統(tǒng)工程，是指人們對可能遇到的洪水風險進行識別、估計和評價，并在此基礎(chǔ)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(diào)整人與自然之間的關(guān)系，實現(xiàn)人類的最大安全保障和可持續(xù)發(fā)展的雙重目標。從發(fā)展的觀點來看，洪水災害風險管理是指人們在與洪水斗爭的過程中，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的可持續(xù)發(fā)展進程，以最低的成本實現(xiàn)最大安全保障這樣一個防洪減災的總體目標。
洪水災害的風險管理應貫穿洪水災害發(fā)生發(fā)展的全過程，包括災害發(fā)生前的日常風險管理，災害發(fā)生過程中的應急風險管理和災害發(fā)生后的恢復和重建過程中的風險管理。風險管理過程是不斷循環(huán)和完善的過程，主要包括建立風險管理目標、風險分析、風險決策、風險處理等幾個基本步驟。
（1）洪水災害風險管理目標：根據(jù)洪水特征、工程質(zhì)量、防洪保護區(qū)的人口、財產(chǎn)狀況和承受能力，對防洪投入風險因素進行評估，確定對各項風險因素可以接受的標準，使風險管理成本最小，以此作為風險的管理目標。
（2）洪水災害風險識別：在確定的風險管理目標條件下，對仍然存在較大風險的因素進行判別，根據(jù)可能產(chǎn)生風險的大小進行排序，確定重點管理目標。
（3）洪水災害風險估計：計算或估算重點風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范圍、淹沒水深等。
（4）洪水災害風險評價：具體計算洪水造成的社會、環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟等方面的損失。
（5）洪水災害風險管理方案：選擇可行的對策，應對洪水災害風險，使洪水災害在總體上損失最小。包括：①自留風險，由本地區(qū)承擔洪水災害風險；②降低風險，采取應急措施，減少或消除一些風險因素，使總體風險降低；③回避風險，將人口和資產(chǎn)由高風險區(qū)域向低風險區(qū)和安全區(qū)疏散轉(zhuǎn)移；④轉(zhuǎn)移風險，如洪水災害可能威脅到重點保護區(qū)域時，主動將災害轉(zhuǎn)移到其他非重點保護區(qū)域，使總體災害損失減少；⑤分擔風險，采取保險或補償?shù)确绞剑筛蠓秶謸植渴転膮^(qū)域的風險。管理方案可以是上述方案中的一種或多種的組合。
（6）洪水災害風險管理決策：對各種洪水災害風險管理方案可能產(chǎn)生的后果進行分析和比較，選擇最優(yōu)方案。
（7）洪水災害風險管理計劃：風險管理方案確定后，要編制行動計劃，如動員、發(fā)布警報、人口資產(chǎn)轉(zhuǎn)移、緊急搶險和救護、破堤分洪等。務求在方案實施過程中生命和財產(chǎn)損失最小。
（8）洪水災害風險管理效果評價：對計劃實施后的社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境效果進行評價或預評估。
二、GIS與組件式GIS
地理信息系統(tǒng)根據(jù)其內(nèi)容可分為兩大基本類型：一是應用型地理信息系統(tǒng)，是以某一專業(yè)、領(lǐng)域或工作為主要內(nèi)容，包括專題地理信息系統(tǒng)和區(qū)域綜合地理信息系統(tǒng)；二是工具型地理信息系統(tǒng)，也就是GIS工具軟件包，如ARC/INFO等，具有空間數(shù)據(jù)輸入、存儲、處理、分析和輸出等GIS基本功能。應用型GIS主要有三種開發(fā)方式：
（1）獨立開發(fā)：指不依賴于任何GIS工具軟件，從空間數(shù)據(jù)的采集、編輯到數(shù)據(jù)的處理分析及結(jié)果輸出，所有的算法都由開發(fā)者獨立設(shè)計，然后選用某種程序設(shè)計語言，如VisualC++、Delphi等，在一定的操作系統(tǒng)平臺上編程實現(xiàn)。這種方式的好處在于無須依賴任何商業(yè)GIS工具軟件，獨立性強，但是，能力、時間、財力方面的限制使其開發(fā)出來的產(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GIS工具軟件上省下的錢可能還抵不上開發(fā)者在開發(fā)過程中絞盡腦汁所花的代價。
（2）單純二次開發(fā)：指完全借助于GIS工具軟件提供的開發(fā)語言進行應用系統(tǒng)開發(fā)。GIS工具軟件大多提供了可供用戶進行二次開發(fā)的宏語言，如ESRI的ArcView提供了Avenue語言，MapInfo公司研制的MapInfoProfessional提供了MapBasic語言等等。用戶可以利用這些宏語言，以原GIS工具軟件為開發(fā)平臺，開發(fā)出自己的針對不同應用對象的應用程序。這種方式省時省心，但進行二次開發(fā)的宏語言，作為編程語言只能算是二流的，功能極弱，用它們來開發(fā)應用程序往往不盡如人意。
（3）集成二次開發(fā)：集成二次開發(fā)是指利用專業(yè)的GIS工具軟件，如ArcView、MapInfo等，實現(xiàn)GIS的基本功能，以通用軟件開發(fā)工具尤其是可視化開發(fā)工具，如Delphi、VisualC++、VisualBasic、PowerBuilder等為開發(fā)平臺，進行二者的集成開發(fā)。
集成二次開發(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)，用軟件開發(fā)工具開發(fā)前臺可執(zhí)行應用程序，以O(shè)LE自動化方式或DDE方式啟動GIS工具軟件在后臺執(zhí)行，利用回調(diào)技術(shù)動態(tài)獲取其返回信息，實現(xiàn)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)廠家提供的建立在OCX技術(shù)基礎(chǔ)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，實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的各種功能。這種建立在OCX技術(shù)基礎(chǔ)上的GIS功能控件又被稱做組件式GIS。
由于獨立開發(fā)難度太大，單純二次開發(fā)受GIS工具提供的編程語言的限制差強人意，因此結(jié)合GIS工具軟件與當今可視化開發(fā)語言的集成二次開發(fā)方式就成為GIS應用開發(fā)的主流。它的優(yōu)點是既可以充分利用GIS工具軟件對空間數(shù)據(jù)庫的管理、分析功能，又可以利用其他可視化開發(fā)語言具有的高效、方便等編程優(yōu)點，集二者之所長，不僅能大大提高應用系統(tǒng)的開發(fā)效率，而且使用可視化軟件開發(fā)工具開發(fā)出來的應用程序具有更好的外觀效果，更強大的數(shù)據(jù)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功能組件進行集成開發(fā)，更能表現(xiàn)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控件，每個控件完成不同的功能。各個GIS控件之間，以及GIS控件與其他非GIS控件之間，可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的GIS應用。控件如同一堆各式各樣的積木，他們分別實現(xiàn)不同的功能（包括GIS和非GIS功能），根據(jù)需要把實現(xiàn)各種功能的"積木"搭建起來，就構(gòu)成應用系統(tǒng)。把GIS的功能適當抽象，以組件形式供開發(fā)者使用，將會帶來許多傳統(tǒng)GIS工具無法比擬的優(yōu)點。
三、GIS技術(shù)在黃河下游山東段堤防潰決洪災風險管理系統(tǒng)開發(fā)中的應用
近年來，黃河斷流和水資源短缺成了人們關(guān)注的焦點，我們在關(guān)注水資源的同時，不能忘掉黃河防洪仍是一項長期的艱巨任務。歷史上，黃河山東段曾多次泛濫，近年來河道淤積日益嚴重，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，新中國成立以來已有兩次形成冰凌災害，是屬于洪水災害風險較大的區(qū)間。另外，黃河下游兩岸為我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，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險，根據(jù)淹沒范圍內(nèi)人口及財產(chǎn)分布，估算洪水災害損失，再根據(jù)對防洪投入及社會經(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險管理系統(tǒng)是一個以GIS為核心技術(shù)，以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，包含基礎(chǔ)信息管理、堤防潰決洪水風險計算、堤防潰決洪水風險圖、堤防潰決洪水風險查詢、堤防潰決洪水災害損失評估、區(qū)域防洪減災對策等模塊的，為防洪減災輔助決策和洪災風險管理服務的計算機系統(tǒng)。系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)。
GIS技術(shù)在以上各個模塊中的應用主要體現(xiàn)在：
3.1基礎(chǔ)信息管理
將系統(tǒng)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，并實現(xiàn)圖形導航、放大、縮小、漫游、標注、圖層控制等功能。
將各種基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫中的記錄與地圖對象的空間數(shù)據(jù)庫中的屬性信息相互匹配，可以準確定位地圖對象；基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫中的記錄更新后，能夠快速反映到地圖對象上。實現(xiàn)了地圖對象空間位置信息與數(shù)據(jù)庫中的屬性信息的對應。
3.2洪水風險計算
洪水風險計算模型采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格的二維非恒定流水動力學模型，在設(shè)計網(wǎng)格時，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洪水風險圖制作
洪水風險圖是了解區(qū)域內(nèi)遭受洪水災害的危險性大小的一種直觀科學的地圖。它是依據(jù)流速、淹沒水深和淹沒歷時等參數(shù)，將灘地、分蓄洪區(qū)或受洪水影響范圍劃分為危險區(qū)、重災區(qū)、輕災區(qū)、安全區(qū)等區(qū)域。依據(jù)不同的用途，洪水風險圖可以劃分為基本風險圖、專題風險圖和綜合風險圖。基本風險圖是將洪水基本要素（如淹沒范圍、水深、歷時、流速等）在行政區(qū)劃圖上表示。專題風險圖是依據(jù)不同的風險決策者制作的不同用途的風險圖，如保險公司用的保險專用風險圖；防洪決策者使用的專門風險圖；軍事部門針對重點保護對象的洪水風險圖；防洪避難使用的風險圖等。綜合風險圖是服務于防洪決策各項工作的一套風險圖。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'一套風險圖。
該子系統(tǒng)是為了將堤防潰決洪水風險計算中選取的10個方案的結(jié)果制作成一套風險圖，主要包括基本行政區(qū)劃圖、潰堤位置、最大淹沒范圍圖、最大淹沒水深圖、淹沒歷時圖等。風險圖的制作首先是利用自己開發(fā)的專用轉(zhuǎn)換模型將數(shù)學模型中的網(wǎng)格文件轉(zhuǎn)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(jù)數(shù)學模型的計算結(jié)果（受淹范圍、淹沒水深、淹沒歷時、淹沒流速等），采用制作專題圖層的方法制作的。
3.4洪水風險信息查詢
該系統(tǒng)包含三種方式查詢堤防潰決洪水風險計算的結(jié)果。①通過輸入經(jīng)緯度查詢關(guān)心點的基本信息和洪水風險信息；②通過選擇縣區(qū)，查詢所選縣區(qū)的基本信息和洪水淹沒信息；③通過選擇洪水計算模型中的網(wǎng)格號，查詢所選網(wǎng)格的基本信息和洪水風險信息。
按經(jīng)緯度查詢時，系統(tǒng)首先從用戶輸入界面中獲取經(jīng)度值和緯度值，然后根據(jù)這兩個數(shù)值在"網(wǎng)格"圖層中判斷該點屬于哪個網(wǎng)格，判別方法是只要該點包含于網(wǎng)格的邊界內(nèi)就認為該點屬于該網(wǎng)格，并建立動態(tài)圖層閃爍顯示該點的位置；最后，再根據(jù)"網(wǎng)格號"這一關(guān)聯(lián)字段在"網(wǎng)格洪水風險計算結(jié)果信息"數(shù)據(jù)庫中匹配，找到相關(guān)的基本信息和洪水風險信息。
按縣區(qū)查詢時，系統(tǒng)首先從用戶輸入界面中獲取所要查詢的縣區(qū)名稱，然后根據(jù)縣區(qū)名稱在"縣區(qū)"圖層中查詢該縣區(qū)的位置，并建立動態(tài)圖層閃爍顯示該縣區(qū)。最后，再根據(jù)"縣區(qū)名稱"這一關(guān)聯(lián)字段在"縣區(qū)洪水風險計算結(jié)果信息"數(shù)據(jù)庫中匹配，找到相關(guān)的基本信息和洪水風險信息。
按網(wǎng)格查詢時，系統(tǒng)首先從用戶輸入界面中獲取所要查詢的網(wǎng)格編號，然后在"網(wǎng)格"圖層中查詢該網(wǎng)格位置，并建立動態(tài)圖層閃爍顯示該網(wǎng)格的位置；最后，再根據(jù)"網(wǎng)格號"這一關(guān)聯(lián)字段在"網(wǎng)格洪水風險計算結(jié)果信息"數(shù)據(jù)庫中匹配，找到相關(guān)的基本信息和洪水風險信息。
查詢結(jié)果都有三種表現(xiàn)方式：①以表格形式直接顯示查詢區(qū)域或地點的基本信息和洪水風險信息；②在地圖中央閃爍顯示查詢區(qū)域或地點；③以Excel表格形式直接輸出查詢結(jié)果。
3.5洪災經(jīng)濟損失計算與查詢
洪災經(jīng)濟損失計算是根據(jù)沿黃區(qū)域的社會經(jīng)濟特征及社會經(jīng)濟調(diào)查資料的完備性對其財產(chǎn)進行分類，利用GIS工具，將二維非恒定流水動力學模型的不規(guī)則網(wǎng)格與電子地圖配準，使不規(guī)則網(wǎng)格具有空間地理位置。根據(jù)行政區(qū)域與網(wǎng)格空間地理位置的關(guān)系，找到每一個網(wǎng)格所屬的行政區(qū)域，并根據(jù)不同洪水潰堤計算方案下的網(wǎng)格的水力學特征數(shù)據(jù)（水深、流速、歷時、洪水到達時間），生成不同計算方案下的行政區(qū)域內(nèi)的淹沒范圍、淹沒水深分布、淹沒歷時分布和流速分布等。根據(jù)每一方案下不同淹沒區(qū)域，計算每個受淹網(wǎng)格的面積與實際面積的比例，將行政區(qū)域內(nèi)的各類資產(chǎn)按此比例分割到每個網(wǎng)格上。調(diào)查受影響區(qū)域內(nèi)典型區(qū)域以往的災害損失情況，估算樣本分類財產(chǎn)的損失率，或根據(jù)經(jīng)驗確定分類財產(chǎn)的洪災損失率。根據(jù)每個網(wǎng)格的淹沒水深和淹沒歷時，與洪災損失率數(shù)據(jù)庫的記錄中的淹沒水深范圍和淹沒歷時范圍進行比較，求算出各個網(wǎng)格的分類資產(chǎn)在淹沒條件下的損失值及損失率，逐步向上疊加，求出各個區(qū)內(nèi)某類財產(chǎn)的總直接經(jīng)濟損失及平均損失率，再通過所有受淹縣區(qū)的分類財產(chǎn)的損失合計求取全部受淹區(qū)域內(nèi)所有財產(chǎn)的總的直接經(jīng)濟損失，再按經(jīng)驗系數(shù)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(jù)作者的計算，黃河下游堤防潰決后的淹沒范圍。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。各個方案洪災影響范圍、受淹人口和經(jīng)濟損失。
四、結(jié)語
洪水風險管理是個較新的概念，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與專業(yè)應用系統(tǒng)結(jié)合，是應用型GIS未來發(fā)展的方向。GIS在洪災風險管理系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)中的應用必將越來越廣泛。
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