GIS技術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)域內的資產水平有關。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，人們普遍地增加了安全感，在河岸兩側開始大規(guī)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，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、工程質量、防洪保護區(qū)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(jù)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，將人口和資產由高風險區(qū)域向低風險區(qū)和安全區(qū)疏散轉移；④轉移風險，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：對計劃實施后的社會、經濟、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)、領域或工作為主要內容，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)的處理分析及結果輸出，所有的算法都由開發(fā)者獨立設計，然后選用某種程序設計語言，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技術或利用DDE技術，用軟件開發(fā)工具開發(fā)前臺可執(zhí)行應用程序，以OLE自動化方式或DDE方式啟動GIS工具軟件在后臺執(zhí)行，利用回調技術動態(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工具軟件生產廠家提供的建立在OCX技術基礎上的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，實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的各種功能。這種建立在OCX技術基礎上的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濟發(fā)達地區(qū)，人口財產密集，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)淹沒范圍內人口及財產分布，估算洪水災害損失，再根據(jù)對防洪投入及社會經濟發(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，以數(shù)據(jù)庫為基礎，包含基礎信息管理、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)的邏輯結構。
GIS技術在以上各個模塊中的應用主要體現(xiàn)在：
3.1基礎信息管理
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構不規(guī)則網格的二維非恒定流水動力學模型，在設計網格時，利用地圖工作空間添加、編輯網格，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。網格圖略。
3.3洪水風險圖制作
洪水風險圖是了解區(qū)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(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)的專用轉換模型將數(shù)學模型中的網格文件轉換成MapInfoProfessional可以接受的交換格式MIF和MID，然后再利用MapInfoProfessional軟件，根據(jù)數(shù)學模型的計算結果（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果。①通過輸入經緯度查詢關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格號，查詢所選網格的基本信息和洪水風險信息。
按經緯度查詢時，系統(tǒng)首先從用戶輸入界面中獲取經度值和緯度值，然后根據(jù)這兩個數(shù)值在"網格"圖層中判斷該點屬于哪個網格，判別方法是只要該點包含于網格的邊界內就認為該點屬于該網格，并建立動態(tài)圖層閃爍顯示該點的位置；最后，再根據(jù)"網格號"這一關聯(lián)字段在"網格洪水風險計算結果信息"數(shù)據(jù)庫中匹配，找到相關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"這一關聯(lián)字段在"縣區(qū)洪水風險計算結果信息"數(shù)據(jù)庫中匹配，找到相關的基本信息和洪水風險信息。
按網格查詢時，系統(tǒng)首先從用戶輸入界面中獲取所要查詢的網格編號，然后在"網格"圖層中查詢該網格位置，并建立動態(tài)圖層閃爍顯示該網格的位置；最后，再根據(jù)"網格號"這一關聯(lián)字段在"網格洪水風險計算結果信息"數(shù)據(jù)庫中匹配，找到相關的基本信息和洪水風險信息。
查詢結果都有三種表現(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(jù)沿黃區(qū)域的社會經濟特征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，將二維非恒定流水動力學模型的不規(guī)則網格與電子地圖配準，使不規(guī)則網格具有空間地理位置。根據(jù)行政區(qū)域與網格空間地理位置的關系，找到每一個網格所屬的行政區(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，計算每個受淹網格的面積與實際面積的比例，將行政區(qū)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(qū)域內典型區(qū)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(jù)經驗確定分類財產的洪災損失率。根據(jù)每個網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(qū)內某類財產的總直接經濟損失及平均損失率，再通過所有受淹縣區(qū)的分類財產的損失合計求取全部受淹區(qū)域內所有財產的總的直接經濟損失，再按經驗系數(shù)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(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濟損失最大達391.2億元，南岸堤防潰決后造成的經濟損失最大約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，還需要在今后的研究中逐步深入。組件式GIS與專業(yè)應用系統(tǒng)結合，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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