GIS技術洪水風險管理論文範文
GIS技術洪水風險管理論文範文
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，在其發生、發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生的時間、地點和大小。所以，在水文學上通常採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禦洪水的能力以及承受洪水的區域內的資產水平有關。我們知道，如果洪水發生在沒有人煙的地區，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濟活動並造成損失時，才稱之為洪水災害。
長期以來，為了防禦洪水，人們修建了大量的堤防、大壩等防洪工程，具有了防禦洪水災害的一定能力。然而，在人類修建大量防洪工程大規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。透過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，當下一次洪水氾濫發生時，人們發現洪水所造成的損失比以前有增無減，於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。而且人類發現了生存環境日益惡化，河流生態系統被破壞等諸多問題。在反思這些問題時，人類意識到洪水是一種自然現象，以現有技術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迴避。因此，從發展的觀點來看，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發展程序，以最低的成本實現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上提出的。
洪水災害的嚴重性和頻發性決定了洪水災害風險管理的複雜性。洪水災害風險管理可以說是一個系統工程，是指人們對可能遇到的洪水風險進行識別、估計和評價，並在此基礎上綜合利用法律、行政、經濟、技術、教育與工程手段，合理調整人與自然之間的關係，實現人類的最大安全保障和可持續發展的雙重目標。從發展的觀點來看，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發展程序，以最低的成本實現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生髮展的全過程，包括災害發生前的日常風險管理，災害發生過程中的應急風險管理和災害發生後的恢復和重建過程中的風險管理。風險管理過程是不斷迴圈和完善的過程，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：根據洪水特徵、工程質量、防洪保護區的人口、財產狀況和承受能力，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，根據可能產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，工程破壞後可能形成的淹沒範圍、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、環境、生態、經濟等方面的損失。
（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，由本地區承擔洪水災害風險；②降低風險，採取應急措施，減少或消除一些風險因素，使總體風險降低；③迴避風險，將人口和資產由高風險區域向低風險區和安全區疏散轉移；④轉移風險，如洪水災害可能威脅到重點保護區域時，主動將災害轉移到其他非重點保護區域，使總體災害損失減少；⑤分擔風險，採取保險或補償等方式，由更大範圍分擔區域性受災區域的風險。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生的後果進行分析和比較，選擇最優方案。
（7）洪水災害風險管理計劃：風險管理方案確定後，要編制行動計劃，如動員、釋出警報、人口資產轉移、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損失最小。
（8）洪水災害風險管理效果評價：對計劃實施後的社會、經濟、生態、環境效果進行評價或預評估。
二、GIS與元件式GIS
地理資訊系統根據其內容可分為兩大基本型別：一是應用型地理資訊系統，是以某一專業、領域或工作為主要內容，包括專題地理資訊系統和區域綜合地理資訊系統；二是工具型地理資訊系統，也就是GIS工具軟體包，如ARC/INFO等，具有空間資料輸入、儲存、處理、分析和輸出等GIS基本功能。應用型GIS主要有三種開發方式：
（1）獨立開發：指不依賴於任何GIS工具軟體，從空間資料的採集、編輯到資料的處理分析及結果輸出，所有的演算法都由開發者獨立設計，然後選用某種程式設計語言，如VisualC++、Delphi等，在一定的作業系統平臺上程式設計實現。這種方式的好處在於無須依賴任何商業GIS工具軟體，獨立性強，但是，能力、時間、財力方面的限制使其開發出來的產品很難在功能上與商業化GIS工具軟體相比，而且在購買GIS工具軟體上省下的錢可能還抵不上開發者在開發過程中絞盡腦汁所花的代價。
（2）單純二次開發：指完全藉助於GIS工具軟體提供的開發語言進行應用系統開發。GIS工具軟體大多提供了可供使用者進行二次開發的宏語言，如ESRI的ArcView提供了Avenue語言，MapInfo公司研製的MapInfoProfessional提供了MapBasic語言等等。使用者可以利用這些宏語言，以原GIS工具軟體為開發平臺，開發出自己的針對不同應用物件的應用程式。這種方式省時省心，但進行二次開發的宏語言，作為程式語言只能算是二流的，功能極弱，用它們來開發應用程式往往不盡如人意。
（3）整合二次開發：整合二次開發是指利用專業的GIS工具軟體，如ArcView、MapInfo等，實現GIS的基本功能，以通用軟體開發工具尤其是視覺化開發工具，如Delphi、VisualC++、VisualBasic、PowerBuilder等為開發平臺，進行二者的整合開發。
整合二次開發目前主要有兩種方式：①OLE/DDE:採用OLEAutomation技術或利用DDE技術，用軟體開發工具開發前臺可執行應用程式，以OLE自動化方式或DDE方式啟動GIS工具軟體在後臺執行，利用回撥技術動態獲取其返回資訊，實現應用程式中的地理資訊處理功能；②GIS控制元件：利用GIS工具軟體生產廠家提供的建立在OCX技術基礎上的GIS功能控制元件，如ESRI的MapObjects、MapInfo公司的MapX等，在Delphi等程式設計工具編制的應用程式中，直接將GIS功能嵌入其中，實現地理資訊系統的各種功能。這種建立在OCX技術基礎上的GIS功能控制元件又被稱做元件式GIS。
由於獨立開發難度太大，單純二次開發受GIS工具提供的程式語言的限制差強人意，因此結合GIS工具軟體與當今視覺化開發語言的整合二次開發方式就成為GIS應用開發的主流。它的優點是既可以充分利用GIS工具軟體對空間資料庫的管理、分析功能，又可以利用其他視覺化開發語言具有的高效、方便等程式設計優點，集二者之所長，不僅能大大提高應用系統的開發效率，而且使用視覺化軟體開發工具開發出來的應用程式具有更好的外觀效果，更強大的資料庫功能，而且可靠性好、易於移植、便於維護。尤其是使用OCX技術利用GIS功能元件進行整合開發，更能表現出這些優勢。
元件式GIS的基本思想是把GIS的各大功能模組劃分為幾個控制元件，每個控制元件完成不同的功能。各個GIS控制元件之間，以及GIS控制元件與其他非GIS控制元件之間，可以方便地透過視覺化的軟體開發工具整合起來，形成最終的GIS應用。控制元件如同一堆各式各樣的積木，他們分別實現不同的功能（包括GIS和非GIS功能），根據需要把實現各種功能的"積木"搭建起來，就構成應用系統。把GIS的功能適當抽象，以元件形式供開發者使用，將會帶來許多傳統GIS工具無法比擬的優點。
三、GIS技術在黃河下游山東段堤防潰決洪災風險管理系統開發中的應用
近年來，黃河斷流和水資源短缺成了人們關注的焦點，我們在關注水資源的同時，不能忘掉黃河防洪仍是一項長期的艱鉅任務。歷史上，黃河山東段曾多次氾濫，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生冰塞，新中國成立以來已有兩次形成冰凌災害，是屬於洪水災害風險較大的區間。另外，黃河下游兩岸為我國經濟發達地區，人口財產密集，鐵路、公路縱橫，堤防一旦潰決，後果將十分嚴重。因此就需要模擬黃河下游堤防潰決後的洪水風險，根據淹沒範圍內人口及財產分佈，估算洪水災害損失，再根據對防洪投入及社會經濟發展狀況的預測，為今後的防洪減災提供決策支援。
黃河下游山東段堤防潰決洪災風險管理系統是一個以GIS為核心技術，以資料庫為基礎，包含基礎資訊管理、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、區域防洪減災對策等模組的，為防洪減災輔助決策和洪災風險管理服務的計算機系統。系統的邏輯結構。
GIS技術在以上各個模組中的應用主要體現在：
3.1基礎資訊管理
將系統中涉及到的各種水文資訊、工程資訊、自然地理資訊以及歷史資訊以電子地圖的形式分層管理起來，並實現圖形導航、放大、縮小、漫遊、標註、圖層控制等功能。
將各種基礎資訊資料庫中的記錄與地圖物件的空間資料庫中的屬性資訊相互匹配，可以準確定位地圖物件；基礎資訊資料庫中的記錄更新後，能夠快速反映到地圖物件上。實現了地圖物件空間位置資訊與資料庫中的屬性資訊的對應。
3.2洪水風險計算
洪水風險計算模型採用無結構不規則網格的二維非恆定流水動力學模型，在設計網格時，利用地圖工作空間新增、編輯網格，既可以考慮地形地物以及阻水建築物的影響，又可以充分利用GIS的製圖與圖形檢查糾錯功能，提高工作效率。網格圖略。
3.3洪水風險圖製作
洪水風險圖是瞭解區域內遭受洪水災害的危險性大小的一種直觀科學的地圖。它是依據流速、淹沒水深和淹沒歷時等引數，將灘地、分蓄洪區或受洪水影響範圍劃分為危險區、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（如淹沒範圍、水深、歷時、流速等）在行政區劃圖上表示。專題風險圖是依據不同的風險決策者製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物件的洪水風險圖；防洪避難使用的風險圖等。綜合風險圖是服務於防洪決策各項工作的一套風險圖。一般是利用GIS技術製作，包含洪水基本要素、災害損失資訊、防洪工程資訊等的'一套風險圖。
該子系統是為了將堤防潰決洪水風險計算中選取的10個方案的結果製作成一套風險圖，主要包括基本行政區劃圖、潰堤位置、最大淹沒範圍圖、最大淹沒水深圖、淹沒歷時圖等。風險圖的製作首先是利用自己開發的專用轉換模型將數學模型中的網格檔案轉換成MapInfoProfessional可以接受的交換格式MIF和MID，然後再利用MapInfoProfessional軟體，根據數學模型的計算結果（受淹範圍、淹沒水深、淹沒歷時、淹沒流速等），採用製作專題圖層的方法制作的。
3.4洪水風險資訊查詢
該系統包含三種方式查詢堤防潰決洪水風險計算的結果。①透過輸入經緯度查詢關心點的基本資訊和洪水風險資訊；②透過選擇縣區，查詢所選縣區的基本資訊和洪水淹沒資訊；③透過選擇洪水計算模型中的網格號，查詢所選網格的基本資訊和洪水風險資訊。
按經緯度查詢時，系統首先從使用者輸入介面中獲取經度值和緯度值，然後根據這兩個數值在"網格"圖層中判斷該點屬於哪個網格，判別方法是隻要該點包含於網格的邊界內就認為該點屬於該網格，並建立動態圖層閃爍顯示該點的位置；最後，再根據"網格號"這一關聯欄位在"網格洪水風險計算結果資訊"資料庫中匹配，找到相關的基本資訊和洪水風險資訊。
按縣區查詢時，系統首先從使用者輸入介面中獲取所要查詢的縣區名稱，然後根據縣區名稱在"縣區"圖層中查詢該縣區的位置，並建立動態圖層閃爍顯示該縣區。最後，再根據"縣區名稱"這一關聯欄位在"縣區洪水風險計算結果資訊"資料庫中匹配，找到相關的基本資訊和洪水風險資訊。
按網格查詢時，系統首先從使用者輸入介面中獲取所要查詢的網格編號，然後在"網格"圖層中查詢該網格位置，並建立動態圖層閃爍顯示該網格的位置；最後，再根據"網格號"這一關聯欄位在"網格洪水風險計算結果資訊"資料庫中匹配，找到相關的基本資訊和洪水風險資訊。
查詢結果都有三種表現方式：①以表格形式直接顯示查詢區域或地點的基本資訊和洪水風險資訊；②在地圖中央閃爍顯示查詢區域或地點；③以Excel表格形式直接輸出查詢結果。
3.5洪災經濟損失計算與查詢
洪災經濟損失計算是根據沿黃區域的社會經濟特徵及社會經濟調查資料的完備性對其財產進行分類，利用GIS工具，將二維非恆定流水動力學模型的不規則網格與電子地圖配準，使不規則網格具有空間地理位置。根據行政區域與網格空間地理位置的關係，找到每一個網格所屬的行政區域，並根據不同洪水潰堤計算方案下的網格的水力學特徵資料（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域內的淹沒範圍、淹沒水深分佈、淹沒歷時分佈和流速分佈等。根據每一方案下不同淹沒區域，計算每個受淹網格的面積與實際面積的比例，將行政區域內的各類資產按此比例分割到每個網格上。調查受影響區域內典型區域以往的災害損失情況，估算樣本分類財產的損失率，或根據經驗確定分類財產的洪災損失率。根據每個網格的淹沒水深和淹沒歷時，與洪災損失率資料庫的記錄中的淹沒水深範圍和淹沒歷時範圍進行比較，求算出各個網格的分類資產在淹沒條件下的損失值及損失率，逐步向上疊加，求出各個區內某類財產的總直接經濟損失及平均損失率，再透過所有受淹縣區的分類財產的損失合計求取全部受淹區域內所有財產的總的直接經濟損失，再按經驗係數法估算間接損失，洪災間接經濟損失與直接經濟損失之和即為洪災的總損失。
根據作者的計算，黃河下游堤防潰決後的淹沒範圍。黃河下游堤防潰決後北岸造成的經濟損失最大達391.2億元，南岸堤防潰決後造成的經濟損失最大約486.1億元。各個方案洪災影響範圍、受淹人口和經濟損失。
四、結語
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，還需要在今後的研究中逐步深入。元件式GIS與專業應用系統結合，是應用型GIS未來發展的方向。GIS在洪災風險管理系統各個環節中的應用必將越來越廣泛。