环境地质信息系统支持下的城市水文风险评估与管理

汤江平， 严军， 刘玉明

（湖北省地质局第八地质大队）

1 引言

水文灾害作为重要的生态灾害，是城市安全的威胁因素，其具有突发性强、波及面大、防护与管控难度大等特点，严重影响城市的经济、生态与人居环境的稳定性。在全球气候变暖、城市温室效应加剧的大背景下，城市水文灾害的发生频次增加、灾害持续时间延长、灾情规模与灾害波及面扩大，威胁城市民众的正常工作生活以及生命财产安全[1]。当前，常见的水文灾害类型包括洪水灾害、冰雹灾害、霜冻灾害、干旱灾害以及水文灾害引起的次生地质灾害如泥石流等，其灾害成因复杂，如洪水灾害的成因包括短时间强降雨、融雪或冰川湖突发，泥石流灾害则是由突发性强降雨裹挟着大量碎石泥砂形成的具有高强度破坏力的洪流。因此，水文灾害并非在单一的环境条件或形成机制下衍生，而是在地质构造、地形地貌、水文条件、气候条件以及人类活动等因素的综合、复杂影响下形成的灾害。

2 环境地质信息系统

2.1 环境地质信息系统概述

环境地质信息系统的优势主要体现在两个方面，其一为信息的集成性，环境地质信息系统打破了传统地理数据管理系统中数据相互独立的信息孤岛现象，将水文地质结构数据、地下水位水质流量数据、岩土体出露与埋藏数据、地面沉降数据、地形地貌数据、土地利用类型数据、气温降水数据等统筹到同一个系统中加以管理，在同一套数据标准与数据结构下实现环境地质信息的收集、管理与动态更新，进一步提升了环境地质信息之间的联动性[2]。二是应用的多样性，在环境地质信息标准化管理与高度集成的支持下，水文地质环境的动态监测、科学分析得以实现，管理人员可以利用环境地质信息系统查询历史环境地质信息，预测未来一定时期内的数据变化，辅助城市空间规划、给排水系统设计以及城市功能分区与细部设计，为城市规划建设与管理提供了多样化的应用支持。

2.2 环境地质信息系统设计

2.2.1 体系架构设计

环境地质信息系统的体系架构包括三个层，最底层为数据采集层，利用各类传感器与探测仪对目标区域的地质数据、水文数据、气象数据、植被数据、土壤数据等进行采集，例如气象数据包括气温与降水数据，可接入目标区域的气象站动态获取气象数据；地质数据可对当地大比例尺地质图进行数字化，并利用地质探测仪对目标区域的地质构造类型、岩土体性质等进行采集；植被数据与土壤数据可对接当地自然资源管理部门获取土地利用类型空间分布数据；水文数据可通过水位监测仪或水位观测设备对地表水、地下水水位进行采集，通过流量仪采集河流流速数据等[3]。中间层为数据组织与管理层，通过对数据结构进行标准化设计，实现对所有采集环境地质信息的高效组织与统一管理，在环境地质信息系统中集中呈现各类数据、最上层为数据应用层，在数据组织与管理层的基础上，通过对数据的查询、统计、挖掘、分析，实现对数据的深层次应用，为区域科学管理提供决策支持。

2.2.2 数据接入与组织设计

环境地质信息包括现有数据（如大比例尺地质图、地形图等）以及需要动态采集的数据（如气象数据、水文数据等）。对于动态采集的环境地质数据，需利用传感器或探测仪对气象、水文进行动态观测与数据采集，并依托通讯网络将采集的数据传输至环境地质信息系统的数据中心进行组织与管理[4]。同时，数据中心还需对接目标区域内现有的数据采集站，如气象站、水文站等，通过接口设计与数据解析将气象站、水文站采集的数据直接读取并存储到数据中心，实现气象水文数据的同步传送与更新[5]。

2.3 环境地质信息系统基础功能

环境地质信息系统的基础功能为系统的通用性功能，用于为其他专业性应用提供基础功能，包括数据查询、数据统计、数据分析、数据出图等。在数据查询方面，管理人员可利用环境地质信息系统查询一定时期内的特定数据，支持查询数据导出与数据趋势线分析等应用，更为直观、可视地展现环境地质信息。在数据统计方面，管理人员可利用环境地质信息系统对信息进行描述性统计、推断性统计等，从环境地质信息中统计出数据一般性规律与空间分布规律[6]。在数据分析方面，管理人员可利用环境地质信息系统的数据挖掘模块对环境地质信息进行挖掘分析，如利用机器学习算法或深度学习算法对环境地质信息在未来一段时间的演变情况进行量化分析，包括城市水文风险预测与评估、城市地质灾害风险性评价等。在数据出图方面，将数据统计与分析的结果运用GIS 技术进行空间化表达，通过二维平面或三维模型准确刻画环境地质信息及其深度应用结果。

3 环境地质信息系统在城市水文风险评估与管理中的应用

3.1 城市水文风险评估

城市水文风险评估可从灾体危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性、城市防灾减灾能力等层面进行综合评估。其中，灾体危险性与孕灾环境敏感性取决于城市所处的自然环境条件以及特定时期的水文条件，承灾体易损性与城市防灾减灾能力则取决于城市居民的防灾减灾意识、防灾减灾应急能力以及城市的应急救援能力等。城市水文风险评估是环境地质信息系统在城市水文管理中的重要应用，主要用于对灾体危险性与孕灾环境敏感性进行科学分析与评估。

1）城市水文风险影响因素

在城市水文风险影响因素选择时，管理人员应科学考量目标区域的水文灾害成因以及地方特殊性气候条件与人类活动选择的影响因素。例如，在季风性气候地区，可选择降水、洼地深度、河网密度、植被覆盖度、人口密度、地均GDP、道路密度、管网排涝能力、避难场所密度等作为城市水文风险影响因素。其中降水、洼地深度、河网密度、植被覆盖度、管网排涝能力、道路密度等数据均可来源于环境地质信息系统[7]，例如降水数据可从环境地质信息系统中获取各气象站的降水量数据，经空间插值法得到目标区域的降水空间分布数据；管网排涝能力数据可利用环境地质信息系统的核密度分析法以及GIS空间分析法对窨井盖和雨篦的空间分布数据进行分析得到窨井盖与雨篦的空间分布密度数据，作为目标区域的管网排涝能力数据；洼地深度数据则利用环境地质信息系统中的水文分析功能模块对目标区域的DEM 数据进行水流方向分析、分水岭分析、区域统计分析，最终得到小流域的汇流总量以及洼地深度空间分布数据；河网密度数据则是在环境地质信息系统的河流与湖泊空间数据的基础上，利用密度分析功能模块计算并生成河网密度空间分布数据；植被覆盖度数据利用环境地质信息系统中的遥感影像数据提取出NDVI，用于表征目标区域内的植被覆盖度。

2）城市水文风险评估方法

城市水文风险评估方法众多，随着数据获取方式的多样化以及计算机处理性能的提升，城市水文风险评估方法由最初的定性评估法，发展到后期的定量评估法、模型预测法。以洪涝灾害风险评估为例，早期的城市洪涝灾害风险评估大多依赖专家经验知识，专家通过对研究区域自然环境、地质条件、排水能力、应急救援能力的综合研判，主观分析出城市的洪涝灾害风险等级[8]。GIS技术、遥感技术与传感器技术的发展使得数据获取的效率大幅度提升，为环境地质信息系统的建设提供了海量动态的环境地质数据，为主成分分析法、模糊综合评价法、BP神经网络模型、分类决策树等定量方法在城市水文风险评估中的应用提供了数据与技术基础。当前，大数据技术、人工智能技术等也广泛应用于城市水文风险评估中，依托环境地质信息系统中高度集成的水文信息、地质信息、地形地貌信息、气象信息、植被信息等快速进行一定气象条件下的城市下垫面洪水模拟与积水分析，实现对城市水文风险的动态预测与精准评估。

3.2 城市水文风险管理

1）提供可视化信息服务

防汛信息主要包括气象信息、河道信息、降雨预报、险情预警等信息，利用环境地质信息系统能够将这些具有时空特征的防洪抗洪信息进行有效整合，使水文灾害相关数据与计算机相关模型连接起来，实现实时监测数据的可视化。

2）防洪调度

根据降雨预报，结合近阶段大量的多分辨率遥感影像，并利用环境地质信息系统相关的地形分布和地势信息，特别是林木区域和水体的分布，实现气象下垫面的有效分析，根据气象降雨相关理论及以往降雨数据进行分析完成准确预测。降雨较急且降雨量较大时，要进行水文灾害预测，根据河段上游水量和河道工程信息完成仿真模拟，完成全河段区域具体水位的实际状况预测[9]。结合GIS空间分析，规划救援人员以最快速度到达灾区、优化救灾物资配置等。

3）建立防汛预案

依据水文灾害预测的相关结果，为了在水文灾害爆发期间能及时有效实施汛期紧急救援工作，制定防汛预案，减少人员伤亡、财产损失。根据仿真模型，查看水文灾害演进结果，针对性制定灾区人员紧急撤退方案，实现主动防洪，降低洪灾损失。

4 结语

对城市水文灾害风险进行科学、量化评估，立足宏观层面研究城市水文风险，依托环境地质信息系统中集成的数据与方法，精准识别城市水文灾害风险，分析城市水文风险空间分布，可以科学指导城市空间规划与排水和除涝系统设计，有效防范与管理水文风险。