面向預案響應機制的城市內澇可控及推演機制研究
面向預案響應機制的城市內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澇災害給城市居民帶來的危害，解決突發暴雨下城市預警系統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澇災害警情模擬、診斷及控制研究:①選擇代表性暴雨內澇頻發城市，利用現有數據資料，基于情景假設模擬城市暴雨災害；②通過引入徑向基函數網絡建立災害分析工具，構建警情診斷模型，利用可拓集合理論解決警情與警兆非線性映射問題，研究城市內澇災害系統警情診斷中可控程度定量化的問題。以北京某大學校區為研究對象，研制了災害仿真系統模擬暴雨情境下城市內澇災害狀態，其成果可推廣應用于其他城市雨洪災害管理中，對我國提高突發性城市暴雨內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暴雨而引起的城市內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現，對城市內澇災害減災管理的研究多在單一靜態災害特征下進行，這與內澇災害的客觀實際并不相符，因為，普遍意義內的城市內澇災害系統具有“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）、動態性(城市化進程是動態發展的，需結合不同時期及未來可能狀況下進行分析）。而現有的災害預警系統沒有充分考慮成災因子、預警指標、預案分級三者的關聯效應，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城市內澇災害減災預案的判斷處理精準度不足。
1 城市內澇災害系統可控過程分析
基于對目前相關研究的梳理與分析，構建了面向預案相應機制的城市內澇災害系統模擬方法，該方法流程如圖1所示。
圖1 基于預案響應機制的城市內澇災害系統可控過程
該模擬方法主要包含以下兩方面內容:
① 多數研究集中于對災害靜態或是動態特征某一方面的分析，然而，內澇災害的動態性體現在“多重模糊”特性的統一體，與客觀實際不符。有鑒于此，對現有研究進行有機組合以構建城市內澇災害系統的特征框架，然后在此基礎上，對災害過程演化的模擬將包含成災因子與不確定環境下的影響要素的規律變化、災害演化過程驅動因素及其作用效果的差異兩部分。前者主要描述災害環境要素轉換過程，后者則明確由突發暴雨導致內澇災害的因果關系。
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，本研究運用數理統計、優化決策、智能建模方法，將預警級別與預案觸發閾值之間的可控度定量化作為關鍵研究內容，通過縱向研究的方式（對突發城市內澇災害情景推演輔以實地調研和歷史資料分析）篩選樣本數據對預案響應動態演化機理進行分析。
2 城市內澇災害系統推演模型建立
2.1 推演概念模型系統分析
本文將城市內澇災害應急預案推演模型的構建為研究目標，采用可視化情景演化模型模擬城市低洼(非蓄水)區域城市內澇災害，作為初始災害信息數據平臺；運用多為關聯函數方法解決內澇災害成災要素與預警指標之間的不規則關聯問題，采用徑向基函數網絡模型(RBFNN)解決災害預案響應可控度定量化問題。本研究將結合擬選定內澇頻發城區，根據區域內易形成積水的低洼區域的實際情況，通過開展災害安全管理、水資源系統工程、現代信息科學等理論和技術的交叉與融合，實現面向預案響應的城市內澇災害系統模擬與減災預案推演系統模型。
模型中三個關鍵內容如下:
① 考慮城市暴雨內澇災害本身及周邊環境的“多重模糊”特性，分析成災因子、孕災環境以及它們之間的相互作用與轉化關系，構建基于可視化情景演化模型的暴雨內澇災害模擬系統，建立符合客觀實際的城市內澇災害過程演化模擬方法；
② 以歷史暴雨資料數據和對應預案級別構建關聯度模型，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，在對研究區域路網進行路徑動態分析的基礎上，依據案例推理和規則推理相結合原則，構建城市內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閾值之間可控度定量模糊問題。
關鍵預警指標集與關聯度表征見圖２。
圖2 基于預案響應機制的城市內澇災害系統模型示意
2.2 推演模型建立
2.2.1 城市內澇災害情景模擬系統構建
① 由之前研究得知，城市內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演化結果，深入分析城市內澇災害特征和災害鏈類型是研究的首要基礎。
② 綜合考慮城市暴雨內澇災害的“多重模糊”特性，以實際降雨資料模擬客觀實際的突發暴雨、道路、車輛、人流等外部因素構成的關鍵假設災害情景方案，建立城市內澇災害情景演化模型。
2.2.2 預警指標關聯影響度分析
① 災害預警指標的甄選及關聯問題。進行實地調研和考察，查找歷史災害數據庫，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據采集。
② 從災害模擬系統產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聯規則函數；建立災害頻度-預案強度關系函數，實現原因—結果間的非線性映射關系。
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。利用徑向基函數網絡模型（RBFNN）建立災害成災要素與預警分級關聯模型，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
選擇內澇災害頻發真實區域作為試驗區開展應用研究，其突出優點表現為：①可實踐驗證所建立模型的可行性和有效性；②對模型進行適當的修正以得出可靠的結果。結合本課題提出的三項主要研究內容，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建方法——徑向基函數網絡模型。建立基于歷史數據的災害成災要素與預警分級關聯度RBFNN模型，確定災害分級類型和預警可控度參數；利用歷史災害資料數據進行分析，確定關鍵預警指標閾值；建立診斷模型將關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出信號(見圖3)，對診斷模型進行分析，產生事件處置判定變量，輸入至減災預案等級推演模型，實現預警響應邏輯構架。
圖3 面向預案響應機制的城市內澇災害系統可控模型
② 城市暴雨內澇災害情景演化模型構建方法——情景模擬、Petri網規則描述。本文研究中廣泛收集了試驗區內各類水文基礎數據資料以及區域地理環境、主要道路、排水管網及渠道、人流分布等空間分布數據資料，識別城市內澇災害鏈類型，建立城市內澇災害情景演化模型，可提供突發暴雨災害事件發生時內澇災害承災體、致災因子和孕災環境等相互作用形成的狀態信息，結合Petri網規則描述作為情景數據源生成工具，成為建立內澇災害風險要素集的背景信息。
③ 內澇災害關鍵預警指標集構建及其與災害風險要素關聯度表征方法——多維關聯函數。查找歷史災害數據庫，對災害風險要素集進行篩選，運用數理統計方法尋找風險要素與預警指標之間的關聯規則，建立城市內澇災害預警指標體系，擬采用多維關聯函數模型解決城市內澇災害風險要素與關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聯度函數。
3 實證分析
2012年7月21日至22日8:00左右，我國大部分地區遭遇暴雨，其中北京及其周邊地區遭遇61年來最強暴雨及洪澇災害。根據北京市政府舉行的災情通報會的數據顯示，此次暴雨造成房屋倒塌10 660 間、160.2萬人受災，經濟損失達116.4億元。為進一步研究此次暴雨內澇事件對于城市內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澇災害相關數據，基于情景模擬方法模擬了此次暴雨內澇災害北京市區某大學校區災害受損情況，由于上述區域地勢低洼易形成內澇積水；此外，校區排水設施相對于地表建設明顯滯后導致排水不暢，上游來水所經路途很短，迅速進入市區河道，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。
根據本文所建立的城市內澇災害系統可控模型，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二次開發接口進行C#編程的研究方法進行了實證分析，相關系統界面如圖4、圖5所示。
圖4 研究區域內澇災害數據庫界面（包含內澇數據和計算后的災害分級數據）
圖5 研究區域內澇災害模擬界面（災害區域內紅、橙、黃、藍四級災害預警模擬）
系統采用科學的建模方法及優化計算技術，以獲取準確、有效的模型輸入數據，并準確診斷出事故發生概率和后果嚴重程度，實現了災害警情可控度定量化，形成警情診斷結果。通過對防災避險預案的級別和對應技術措施的實施強度進行有效的判斷，從而提高城市內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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