面向預(yù)案響應(yīng)機(jī)制的城市內(nèi)澇可控及推演機(jī)制研究

紀(jì)穎波¹,鐘煒²，姜騰騰²，徐瑾²

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

摘要：為了最大限度地減少城市內(nèi)澇災(zāi)害給城市居民帶來的危害，解決突發(fā)暴雨下城市預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行中存在的預(yù)案不及時(shí)、警備不力等問題，針對居民防災(zāi)避險(xiǎn)快速?zèng)Q策開展城市內(nèi)澇災(zāi)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(zāi)害；②通過引入徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)建立災(zāi)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(zāi)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(xué)校區(qū)為研究對象，研制了災(zāi)害仿真系統(tǒng)模擬暴雨情境下城市內(nèi)澇災(zāi)害狀態(tài)，其成果可推廣應(yīng)用于其他城市雨洪災(zāi)害管理中，對我國提高突發(fā)性城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害應(yīng)急減災(zāi)能力具有實(shí)踐價(jià)值。

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

1 城市內(nèi)澇災(zāi)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(yù)案相應(yīng)機(jī)制的城市內(nèi)澇災(zāi)害系統(tǒng)模擬方法，該方法流程如圖1所示。

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

② 在當(dāng)前減災(zāi)預(yù)案實(shí)證研究中，通常在定性的預(yù)案等級和強(qiáng)度下進(jìn)行數(shù)模分析，忽略了影響較強(qiáng)的預(yù)警閾值屬性，無法精準(zhǔn)描述災(zāi)害—預(yù)案響應(yīng)動(dòng)態(tài)演化的全過程，使得研究成果的實(shí)用性與可靠性有待提高。鑒于此，本研究運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、優(yōu)化決策、智能建模方法，將預(yù)警級別與預(yù)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(zāi)害情景推演輔以實(shí)地調(diào)研和歷史資料分析）篩選樣本數(shù)據(jù)對預(yù)案響應(yīng)動(dòng)態(tài)演化機(jī)理進(jìn)行分析。

2 城市內(nèi)澇災(zāi)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(zāi)害應(yīng)急預(yù)案推演模型的構(gòu)建為研究目標(biāo)，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(zāi)害，作為初始災(zāi)害信息數(shù)據(jù)平臺(tái)；運(yùn)用多為關(guān)聯(lián)函數(shù)方法解決內(nèi)澇災(zāi)害成災(zāi)要素與預(yù)警指標(biāo)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(zāi)害預(yù)案響應(yīng)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(shí)際情況，通過開展災(zāi)害安全管理、水資源系統(tǒng)工程、現(xiàn)代信息科學(xué)等理論和技術(shù)的交叉與融合，實(shí)現(xiàn)面向預(yù)案響應(yīng)的城市內(nèi)澇災(zāi)害系統(tǒng)模擬與減災(zāi)預(yù)案推演系統(tǒng)模型。

模型中三個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容如下:

① 考慮城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害本身及周邊環(huán)境的“多重模糊”特性，分析成災(zāi)因子、孕災(zāi)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(zāi)害模擬系統(tǒng)，建立符合客觀實(shí)際的城市內(nèi)澇災(zāi)害過程演化模擬方法；

② 以歷史暴雨資料數(shù)據(jù)和對應(yīng)預(yù)案級別構(gòu)建關(guān)聯(lián)度模型，在預(yù)案響應(yīng)信息源中表征提煉災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系，提出解決災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素與預(yù)警指標(biāo)之間非線性映射問題的模型方法；

③ 分析實(shí)際災(zāi)害發(fā)生時(shí)車輛、人流的行為動(dòng)機(jī)和選擇方式影響因素，在對研究區(qū)域路網(wǎng)進(jìn)行路徑動(dòng)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(zāi)害減災(zāi)預(yù)案可控度定量化模型，解決減災(zāi)預(yù)警級別與預(yù)案觸發(fā)閾值之間可控度定量模糊問題。

關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)集與關(guān)聯(lián)度表征見圖２。

圖2 基于預(yù)案響應(yīng)機(jī)制的城市內(nèi)澇災(zāi)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(zāi)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(zāi)害成災(zāi)過程是在雨水、下墊面、排澇情況等因素的影響下的動(dòng)態(tài)演化結(jié)果，深入分析城市內(nèi)澇災(zāi)害特征和災(zāi)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(zāi)害的“多重模糊”特性，以實(shí)際降雨資料模擬客觀實(shí)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(zāi)害情景方案，建立城市內(nèi)澇災(zāi)害情景演化模型。

2.2.2 預(yù)警指標(biāo)關(guān)聯(lián)影響度分析

① 災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的甄選及關(guān)聯(lián)問題。進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和考察，查找歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，篩選災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素集，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)要素對應(yīng)的災(zāi)害頻度概率值，建立災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系用于指導(dǎo)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集。

② 從災(zāi)害模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的初始信息源中篩選災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素指標(biāo)集，建立災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素與預(yù)警指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則函數(shù)；建立災(zāi)害頻度-預(yù)案強(qiáng)度關(guān)系函數(shù)，實(shí)現(xiàn)原因—結(jié)果間的非線性映射關(guān)系。

2.2.3 減災(zāi)預(yù)案等級推演模型

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

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

2.3 模型求解方法

選擇內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)真實(shí)區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)開展應(yīng)用研究，其突出優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：①可實(shí)踐驗(yàn)證所建立模型的可行性和有效性；②對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚�以得出可靠的結(jié)果。結(jié)合本課題提出的三項(xiàng)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(zāi)預(yù)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(zāi)害成災(zāi)要素與預(yù)警分級關(guān)聯(lián)度RBFNN模型，確定災(zāi)害分級類型和預(yù)警可控度參數(shù)；利用歷史災(zāi)害資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)閾值；建立診斷模型將關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)評估值與預(yù)警指標(biāo)閾值進(jìn)行跟蹤比較，一旦超過預(yù)警指標(biāo)閾值便發(fā)出信號(見圖3)，對診斷模型進(jìn)行分析，產(chǎn)生事件處置判定變量，輸入至減災(zāi)預(yù)案等級推演模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)警響應(yīng)邏輯構(gòu)架。

圖3 面向預(yù)案響應(yīng)機(jī)制的城市內(nèi)澇災(zāi)害系統(tǒng)可控模型

② 城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)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(yàn)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(zāi)害鏈類型，建立城市內(nèi)澇災(zāi)害情景演化模型，可提供突發(fā)暴雨災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)內(nèi)澇災(zāi)害承災(zāi)體、致災(zāi)因子和孕災(zāi)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(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素集的背景信息。

③ 內(nèi)澇災(zāi)害關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)集構(gòu)建及其與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)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(zāi)害數(shù)據(jù)庫，對災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素集進(jìn)行篩選，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法尋找風(fēng)險(xiǎn)要素與預(yù)警指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，建立城市內(nèi)澇災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系，擬采用多維關(guān)聯(lián)函數(shù)模型解決城市內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素與關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)之間的非線性映射問題，通過擬合計(jì)算，得出描述災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)要素與警情指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度函數(shù)。

3 實(shí)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(qiáng)暴雨及洪澇災(zāi)害。根據(jù)北京市政府舉行的災(zāi)情通報(bào)會(huì)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(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)116.4億元。為進(jìn)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(yàn)證本文所建立模型，通過獲取此次特大暴雨內(nèi)澇災(zāi)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(zāi)害北京市區(qū)某大學(xué)校區(qū)災(zāi)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(dǎo)致排水不暢，上游來水所經(jīng)路途很短，迅速進(jìn)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(zāi)不可避免。

根據(jù)本文所建立的城市內(nèi)澇災(zāi)害系統(tǒng)可控模型，做出災(zāi)害等級判別及風(fēng)險(xiǎn)評估分析，基于上述理論研究和ARCGIS平臺(tái)上利用API二次開發(fā)接口進(jìn)行C#編程的研究方法進(jìn)行了實(shí)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(zāi)害數(shù)據(jù)庫界面（包含內(nèi)澇數(shù)據(jù)和計(jì)算后的災(zāi)害分級數(shù)據(jù)）

圖5 研究區(qū)域內(nèi)澇災(zāi)害模擬界面（災(zāi)害區(qū)域內(nèi)紅、橙、黃、藍(lán)四級災(zāi)害預(yù)警模擬）

系統(tǒng)采用科學(xué)的建模方法及優(yōu)化計(jì)算技術(shù)，以獲取準(zhǔn)確、有效的模型輸入數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確診斷出事故發(fā)生概率和后果嚴(yán)重程度，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害警情可控度定量化，形成警情診斷結(jié)果。通過對防災(zāi)避險(xiǎn)預(yù)案的級別和對應(yīng)技術(shù)措施的實(shí)施強(qiáng)度進(jìn)行有效的判斷，從而提高城市內(nèi)澇災(zāi)害居民防災(zāi)避險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)反應(yīng)速度、防范措施實(shí)施強(qiáng)度和政府指揮決策的準(zhǔn)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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