面向預案響應機制的城市內(nèi)澇可控及推演機制研究

紀穎波¹,鐘煒²，姜騰騰²，徐瑾²

（1.北方工業(yè)大學工程管理系,北京100144;2.天津理工大學管理學院，天津300384)

摘要：為了最大限度地減少城市內(nèi)澇災害給城市居民帶來的危害，解決突發(fā)暴雨下城市預警系統(tǒng)運行中存在的預案不及時、警備不力等問題，針對居民防災避險快速決策開展城市內(nèi)澇災害警情模擬、診斷及控制研究:①選擇代表性暴雨內(nèi)澇頻發(fā)城市，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，基于情景假設(shè)模擬城市暴雨災害；②通過引入徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)建立災害分析工具，構(gòu)建警情診斷模型，利用可拓集合理論解決警情與警兆非線性映射問題，研究城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)警情診斷中可控程度定量化的問題。以北京某大學校區(qū)為研究對象，研制了災害仿真系統(tǒng)模擬暴雨情境下城市內(nèi)澇災害狀態(tài)，其成果可推廣應用于其他城市雨洪災害管理中，對我國提高突發(fā)性城市暴雨內(nèi)澇災害應急減災能力具有實踐價值。

為了應對并緩解因突發(fā)暴雨而引起的城市內(nèi)澇災害以及次生災害，政府管理部門正積極探索制定各類有效的防災避險可控預案，其中，以情景-應對方法構(gòu)建減災預案模型具有精度高和切合實際的特點，成為近年的研究熱點。然而，通過文獻資料分析發(fā)現(xiàn)，對城市內(nèi)澇災害減災管理的研究多在單一靜態(tài)災害特征下進行，這與內(nèi)澇災害的客觀實際并不相符，因為，普遍意義內(nèi)的城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)具有“多重模糊”的復雜特性，即：不確定性(暴雨本身具有時空分布不均的特點）、動態(tài)性(城市化進程是動態(tài)發(fā)展的，需結(jié)合不同時期及未來可能狀況下進行分析）。而現(xiàn)有的災害預警系統(tǒng)沒有充分考慮成災因子、預警指標、預案分級三者的關(guān)聯(lián)效應，對于預案可控度的定量化及預案響應級別推演方法研究甚少，導致政府決策部門對突發(fā)城市內(nèi)澇災害減災預案的判斷處理精準度不足。

1 城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)可控過程分析

基于對目前相關(guān)研究的梳理與分析，構(gòu)建了面向預案相應機制的城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)模擬方法，該方法流程如圖1所示。

圖1 基于預案響應機制的城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)可控過程

該模擬方法主要包含以下兩方面內(nèi)容:

① 多數(shù)研究集中于對災害靜態(tài)或是動態(tài)特征某一方面的分析，然而，內(nèi)澇災害的動態(tài)性體現(xiàn)在“多重模糊”特性的統(tǒng)一體，與客觀實際不符。有鑒于此，對現(xiàn)有研究進行有機組合以構(gòu)建城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)的特征框架，然后在此基礎(chǔ)上，對災害過程演化的模擬將包含成災因子與不確定環(huán)境下的影響要素的規(guī)律變化、災害演化過程驅(qū)動因素及其作用效果的差異兩部分。前者主要描述災害環(huán)境要素轉(zhuǎn)換過程，后者則明確由突發(fā)暴雨導致內(nèi)澇災害的因果關(guān)系。

② 在當前減災預案實證研究中，通常在定性的預案等級和強度下進行數(shù)模分析，忽略了影響較強的預警閾值屬性，無法精準描述災害—預案響應動態(tài)演化的全過程，使得研究成果的實用性與可靠性有待提高。鑒于此，本研究運用數(shù)理統(tǒng)計、優(yōu)化決策、智能建模方法，將預警級別與預案觸發(fā)閾值之間的可控度定量化作為關(guān)鍵研究內(nèi)容，通過縱向研究的方式（對突發(fā)城市內(nèi)澇災害情景推演輔以實地調(diào)研和歷史資料分析）篩選樣本數(shù)據(jù)對預案響應動態(tài)演化機理進行分析。

2 城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)推演模型建立

2.1 推演概念模型系統(tǒng)分析

本文將城市內(nèi)澇災害應急預案推演模型的構(gòu)建為研究目標，采用可視化情景演化模型模擬城市低洼(非蓄水)區(qū)域城市內(nèi)澇災害，作為初始災害信息數(shù)據(jù)平臺；運用多為關(guān)聯(lián)函數(shù)方法解決內(nèi)澇災害成災要素與預警指標之間的不規(guī)則關(guān)聯(lián)問題，采用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型(RBFNN)解決災害預案響應可控度定量化問題。本研究將結(jié)合擬選定內(nèi)澇頻發(fā)城區(qū)，根據(jù)區(qū)域內(nèi)易形成積水的低洼區(qū)域的實際情況，通過開展災害安全管理、水資源系統(tǒng)工程、現(xiàn)代信息科學等理論和技術(shù)的交叉與融合，實現(xiàn)面向預案響應的城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)模擬與減災預案推演系統(tǒng)模型。

模型中三個關(guān)鍵內(nèi)容如下:

① 考慮城市暴雨內(nèi)澇災害本身及周邊環(huán)境的“多重模糊”特性，分析成災因子、孕災環(huán)境以及它們之間的相互作用與轉(zhuǎn)化關(guān)系，構(gòu)建基于可視化情景演化模型的暴雨內(nèi)澇災害模擬系統(tǒng)，建立符合客觀實際的城市內(nèi)澇災害過程演化模擬方法；

② 以歷史暴雨資料數(shù)據(jù)和對應預案級別構(gòu)建關(guān)聯(lián)度模型，在預案響應信息源中表征提煉災害預警指標體系，提出解決災害風險要素與預警指標之間非線性映射問題的模型方法；

③ 分析實際災害發(fā)生時車輛、人流的行為動機和選擇方式影響因素，在對研究區(qū)域路網(wǎng)進行路徑動態(tài)分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)案例推理和規(guī)則推理相結(jié)合原則，構(gòu)建城市內(nèi)澇災害減災預案可控度定量化模型，解決減災預警級別與預案觸發(fā)閾值之間可控度定量模糊問題。

關(guān)鍵預警指標集與關(guān)聯(lián)度表征見圖２。

圖2 基于預案響應機制的城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)模型示意

2.2 推演模型建立

2.2.1 城市內(nèi)澇災害情景模擬系統(tǒng)構(gòu)建

① 由之前研究得知，城市內(nèi)澇災害成災過程是在雨水、下墊面、排澇情況等因素的影響下的動態(tài)演化結(jié)果，深入分析城市內(nèi)澇災害特征和災害鏈類型是研究的首要基礎(chǔ)。

② 綜合考慮城市暴雨內(nèi)澇災害的“多重模糊”特性，以實際降雨資料模擬客觀實際的突發(fā)暴雨、道路、車輛、人流等外部因素構(gòu)成的關(guān)鍵假設(shè)災害情景方案，建立城市內(nèi)澇災害情景演化模型。

2.2.2 預警指標關(guān)聯(lián)影響度分析

① 災害預警指標的甄選及關(guān)聯(lián)問題。進行實地調(diào)研和考察，查找歷史災害數(shù)據(jù)庫，篩選災害風險要素集，計算風險要素對應的災害頻度概率值，建立災害預警指標體系用于指導災害數(shù)據(jù)采集。

② 從災害模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的初始信息源中篩選災害風險要素指標集，建立災害風險要素與預警指標之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則函數(shù)；建立災害頻度-預案強度關(guān)系函數(shù)，實現(xiàn)原因—結(jié)果間的非線性映射關(guān)系。

2.2.3 減災預案等級推演模型

① 分析研究減災預案可控度定量化問題，確定災害類型對應的預警指標閾值。利用徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型（RBFNN）建立災害成災要素與預警分級關(guān)聯(lián)模型，確定災害分級類型。

② 建立預警可控度指標集（判斷預案等級和強度的關(guān)鍵），由指標集劃分可控域；基于災害分級類型，建立減災預警級別與預案觸發(fā)閾值之間可控度定量模型，即預案等級推演模型。

2.3 模型求解方法

選擇內(nèi)澇災害頻發(fā)真實區(qū)域作為試驗區(qū)開展應用研究，其突出優(yōu)點表現(xiàn)為：①可實踐驗證所建立模型的可行性和有效性；②對模型進行適當?shù)男拚�以得出可靠的結(jié)果。結(jié)合本課題提出的三項主要研究內(nèi)容，擬采用的模型各部分求解方法如下：

① 減災預案等級推演模型構(gòu)建方法——徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型。建立基于歷史數(shù)據(jù)的災害成災要素與預警分級關(guān)聯(lián)度RBFNN模型，確定災害分級類型和預警可控度參數(shù)；利用歷史災害資料數(shù)據(jù)進行分析，確定關(guān)鍵預警指標閾值；建立診斷模型將關(guān)鍵預警指標評估值與預警指標閾值進行跟蹤比較，一旦超過預警指標閾值便發(fā)出信號(見圖3)，對診斷模型進行分析，產(chǎn)生事件處置判定變量，輸入至減災預案等級推演模型，實現(xiàn)預警響應邏輯構(gòu)架。

圖3 面向預案響應機制的城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)可控模型

② 城市暴雨內(nèi)澇災害情景演化模型構(gòu)建方法——情景模擬、Petri網(wǎng)規(guī)則描述。本文研究中廣泛收集了試驗區(qū)內(nèi)各類水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料以及區(qū)域地理環(huán)境、主要道路、排水管網(wǎng)及渠道、人流分布等空間分布數(shù)據(jù)資料，識別城市內(nèi)澇災害鏈類型，建立城市內(nèi)澇災害情景演化模型，可提供突發(fā)暴雨災害事件發(fā)生時內(nèi)澇災害承災體、致災因子和孕災環(huán)境等相互作用形成的狀態(tài)信息，結(jié)合Petri網(wǎng)規(guī)則描述作為情景數(shù)據(jù)源生成工具，成為建立內(nèi)澇災害風險要素集的背景信息。

③ 內(nèi)澇災害關(guān)鍵預警指標集構(gòu)建及其與災害風險要素關(guān)聯(lián)度表征方法——多維關(guān)聯(lián)函數(shù)。查找歷史災害數(shù)據(jù)庫，對災害風險要素集進行篩選，運用數(shù)理統(tǒng)計方法尋找風險要素與預警指標之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，建立城市內(nèi)澇災害預警指標體系，擬采用多維關(guān)聯(lián)函數(shù)模型解決城市內(nèi)澇災害風險要素與關(guān)鍵預警指標之間的非線性映射問題，通過擬合計算，得出描述災害風險要素與警情指標之間的關(guān)聯(lián)度函數(shù)。

3 實證分析

2012年7月21日至22日8:00左右，我國大部分地區(qū)遭遇暴雨，其中北京及其周邊地區(qū)遭遇61年來最強暴雨及洪澇災害。根據(jù)北京市政府舉行的災情通報會的數(shù)據(jù)顯示，此次暴雨造成房屋倒塌10 660 間、160.2萬人受災，經(jīng)濟損失達116.4億元。為進一步研究此次暴雨內(nèi)澇事件對于城市內(nèi)澇損失以及驗證本文所建立模型，通過獲取此次特大暴雨內(nèi)澇災害相關(guān)數(shù)據(jù)，基于情景模擬方法模擬了此次暴雨內(nèi)澇災害北京市區(qū)某大學校區(qū)災害受損情況，由于上述區(qū)域地勢低洼易形成內(nèi)澇積水；此外，校區(qū)排水設(shè)施相對于地表建設(shè)明顯滯后導致排水不暢，上游來水所經(jīng)路途很短，迅速進入市區(qū)河道，在城市附近采取分洪和洼淀滯洪都很困難，一旦遭遇特大暴雨，積水成災不可避免。

根據(jù)本文所建立的城市內(nèi)澇災害系統(tǒng)可控模型，做出災害等級判別及風險評估分析，基于上述理論研究和ARCGIS平臺上利用API二次開發(fā)接口進行C#編程的研究方法進行了實證分析，相關(guān)系統(tǒng)界面如圖4、圖5所示。

圖4 研究區(qū)域內(nèi)澇災害數(shù)據(jù)庫界面（包含內(nèi)澇數(shù)據(jù)和計算后的災害分級數(shù)據(jù)）

圖5 研究區(qū)域內(nèi)澇災害模擬界面（災害區(qū)域內(nèi)紅、橙、黃、藍四級災害預警模擬）

系統(tǒng)采用科學的建模方法及優(yōu)化計算技術(shù)，以獲取準確、有效的模型輸入數(shù)據(jù)，并準確診斷出事故發(fā)生概率和后果嚴重程度，實現(xiàn)了災害警情可控度定量化，形成警情診斷結(jié)果。通過對防災避險預案的級別和對應技術(shù)措施的實施強度進行有效的判斷，從而提高城市內(nèi)澇災害居民防災避險應急預案啟動反應速度、防范措施實施強度和政府指揮決策的準確性。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第10期“述評與討論”欄目）

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