城市內(nèi)澇應急預案管理研究與應用*

姜仁貴，王小杰，解建倉，張永進，梁驥超

(西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048)

突發(fā)事件因其突發(fā)性、難以預測性和高危害等特征給經(jīng)濟發(fā)展與社會和諧穩(wěn)定帶來嚴重的影響[1]，尤其是全球氣候變化和人類活動加劇大背景下，如何對突發(fā)事件進行應急應對日益受到關(guān)注。21世紀以來，全球范圍內(nèi)發(fā)生了“9.11事件”(2001年)，“SARS事件”(2003年)，印度洋地震海嘯災難(2004年)等一系列重大突發(fā)事件，掀起了應急管理研究熱潮[2-3]。我國2003年發(fā)生“SARS事件”后，突發(fā)事件應急管理受到國家高度重視，2007年11月1日施行《中華人民共和國突發(fā)事件應對法》，推行“一案三制”，即應急預案，應急管理體制、機制和法制，從預防與應急準備、監(jiān)測與預警、應急處置與救援、事后恢復與重建等方面為突發(fā)事件應對做出要求，為突發(fā)事件應急管理提供法律支撐，自此，以“一案三制”為核心的應急管理體系基本形成[4]。應急預案是應急管理的主線，對應急管理體系建設(shè)具有重要作用。據(jù)《百科全書》定義，預案指預備方案，即根據(jù)預測，對潛在或可能發(fā)生的安全事故的類別和影響程度事先制定的應急處置方案?！抖Y記·中庸》中“凡事預則立，不預則廢”的“預”即在做事情之前應該事先做好計劃或準備，可見預案對于應急事件應對具有關(guān)鍵性作用。我國于2004年制定了突發(fā)事件應急預案體系，2016年1月8日實施《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》，建立了“縱向到底、橫向到邊”的全國應急預案框架體系，并根據(jù)突發(fā)事件發(fā)生過程、性質(zhì)和機理，將突發(fā)事件劃分為自然災害、事故災害、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件4類，本文研究的城市內(nèi)澇屬于自然災害范疇[1]。

城市作為人口和經(jīng)濟發(fā)展集聚地，受氣候變化和城鎮(zhèn)化進程加快影響，近年來城市內(nèi)澇災害事件突發(fā)、頻發(fā)、廣發(fā)，部分城市甚至每年均發(fā)生內(nèi)澇事件，“逢雨就澇”成了新常態(tài)[5]。據(jù)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計，2008年以來，全國60%以上城市發(fā)生過不同程度的內(nèi)澇災害，其中，最大積水深度超過50 mm的城市占到近75%，超過15 mm的占到90%以上，積水時間超過半小時的占到約80%，近60個城市積水超過12 h，140多個城市一年以內(nèi)發(fā)生內(nèi)澇超過3次。2017年至今，廣西柳州市(5·8)、云南昆明市(7·20)、陜西榆林市(7·23)、湖北咸寧市(8·13)等多地發(fā)生強降雨和內(nèi)澇事件，城市居民人身財產(chǎn)安全受到嚴重威脅。以榆林市為例，橙色預警暴雨造成榆陽區(qū)等多地出現(xiàn)嚴重內(nèi)澇。城市飽受內(nèi)澇之苦，加強城市內(nèi)澇應急管理迫在眉睫。城市內(nèi)澇應急預案是城市內(nèi)澇應急管理的計劃性文件，通過完善不同地區(qū)和不同部門的內(nèi)澇應急預案體系，對內(nèi)澇事件形成、擴散和過程演化等進行監(jiān)測、預警、響應和處置，強化預測和預警，加強預案演練，提高政府對城市內(nèi)澇事件監(jiān)測預警、應急響應與處置能力，最大限度減少城市內(nèi)澇事件損失及其次生衍生災害[6-7]。

針對應急預案管理問題，國內(nèi)外諸多學者開展研究，并取得一系列成果[7-9]，吳曉濤[10]系統(tǒng)分析了美國突發(fā)事件應急行動預案基本特征，可為我國修訂和完善應急預案體系提供借鑒。鄧婕等[11]提出一種基于有向圖相似方法的應急響應程序模塊化方法，通過將應急預案響應過程規(guī)范化，并固化為不同的模塊，為應急預案的快速調(diào)整和應急響應提供途徑，案例計算結(jié)果表明：該方法可快速實現(xiàn)應急響應程序的重構(gòu)與功能組合。余昇等[12]提出一種基于在線方法的突發(fā)事件應急預案啟動策略，并以太湖藍藻危機事件為例進行實例計算，結(jié)果表明：采用在線和競爭分析方法可為確定應急預案啟動時間提供參考。目前針對城市內(nèi)澇預案管理相關(guān)研究相對較少。本文以城市內(nèi)澇事件為研究對象，開展城市內(nèi)澇應急預案管理研究。分析城市內(nèi)澇應急預案現(xiàn)狀及其特征，構(gòu)建城市內(nèi)澇應急預案模型，對應急預案進行數(shù)字化描述和流程圖繪制，基于綜合集成平臺開展城市內(nèi)澇應急預案研討和情景模擬，為城市內(nèi)澇應急管理快速提供可供實際操作的應對方案，快速響應，提升城市防洪減災能力，降低內(nèi)澇損失。將構(gòu)建的模型應用到陜西省西安市，驗證文中提出的城市內(nèi)澇應急預案管理模型的有效性和可推廣性。

1　模型構(gòu)建

1.1　城市內(nèi)澇應急預案模型

采用綜合集成思想，將知識管理應用到城市內(nèi)澇應急預案管理過程中，建立基于情景重構(gòu)的城市內(nèi)澇應急預案模型，對應急預案管理過程中涉及到的知識進行系統(tǒng)化的梳理、整合、共享、應用，采用圖的方式將知識進行關(guān)聯(lián)，通過研討和學習，實現(xiàn)應急事件應對知識整合、動態(tài)調(diào)整與持續(xù)改進，提升城市內(nèi)澇應急管理能力[13-14]。采用情景分析和綜合集成方法，針對城市內(nèi)澇特征，提出城市內(nèi)澇應急預案模型，如圖1所示，模型結(jié)構(gòu)包括：①預案數(shù)字化處理。在國家制定的標準化預案模板之上以城市內(nèi)澇為情景主題，收集與之相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)等，對數(shù)據(jù)進行預處理形成構(gòu)建城市內(nèi)澇預案的初始數(shù)據(jù)，通過數(shù)字化處理形成數(shù)字預案。②預案組件化開發(fā)。將構(gòu)建預案的所有數(shù)據(jù)、信息、模型與方法視為組件，對預案進行組件化開發(fā)，使得數(shù)字預案形成松散耦合的結(jié)構(gòu)，并將開發(fā)的組件存儲到組件庫中，用于同類預案的開發(fā)。③預案情景重構(gòu)。根據(jù)城市內(nèi)澇特征從歷史情景庫中選擇相似的情景進行重構(gòu)，在最短時間內(nèi)重構(gòu)出與當前事件最為相近的應對預案，采用知識可視化方式對其進行組件化開發(fā)，形成不同內(nèi)澇情景組合下情景預案。④情景預案評價。根據(jù)內(nèi)澇特征將歷史情景應對策略融入到情景預案中，對情景預案進行綜合集成研討，從數(shù)據(jù)、信息到知識和決策，定性研討與定量分析相結(jié)合，結(jié)合專家的思維和經(jīng)驗對情景預案進行修正和優(yōu)化，循環(huán)執(zhí)行直到生成較優(yōu)直至最優(yōu)的方案，以此作為城市內(nèi)澇應急應對實施預案。與此同時，城市內(nèi)澇特征情景主題和實施預案分別存入到情景集和預案庫中，為類似城市內(nèi)澇的情景重構(gòu)和應急預案的快速組織提供基礎(chǔ)的情景和預案資源。

圖1　城市內(nèi)澇應急預案模型

1.2　城市內(nèi)澇應急預案處理

對城市內(nèi)澇應急預案進行結(jié)構(gòu)化、信息化和智能化處理，實現(xiàn)應急預案的可操作、可視化、可量化，提高城市內(nèi)澇應急預案管理效率和效能[15]。處理流程包括：①文本預案的結(jié)構(gòu)化處理。對城市內(nèi)澇事件信息、分級，組織機構(gòu)、職責，監(jiān)測預警，應急響應、資源等數(shù)據(jù)資源進行結(jié)構(gòu)化處理，采用組件方式開發(fā)相對獨立和關(guān)聯(lián)的程序模塊，通過Web Service進行封裝，實現(xiàn)程序模塊的可重用。②分析城市內(nèi)澇應急預案流程，繪制應急預案流程圖。根據(jù)事件特征與演化過程，將數(shù)字化預案進行流程化描述，將信息接收、信息傳達、預案啟動、預警級別判斷、響應級別確定等視為關(guān)鍵節(jié)點，不同節(jié)點間的信息流向用箭線進行關(guān)聯(lián)，繪制應急預案流程圖，采用知識管理方法開發(fā)可自動分析執(zhí)行和動態(tài)修正的預案流程模塊。③實現(xiàn)城市內(nèi)澇事件信息資源和流程圖的關(guān)聯(lián)。將內(nèi)澇預案結(jié)構(gòu)要素模塊，事件基礎(chǔ)信息、演化信息、應急資源、預測預警和監(jiān)測監(jiān)控等信息資源與內(nèi)澇預案流程圖程序模塊進行關(guān)聯(lián)，形成高度仿真的城市內(nèi)澇應急預案。④開發(fā)城市內(nèi)澇應急預案管理平臺。綜合集成同類內(nèi)澇事件典型案例和應急知識，開發(fā)城市內(nèi)澇應急預案知識庫和案例庫，根據(jù)內(nèi)澇事件演化機制制定應急策略和處置方案的推理規(guī)則，對應急響應過程中關(guān)鍵節(jié)點應急處置方案進行智能化分析和評估。

1.3　城市內(nèi)澇應急管理流程化

在對城市內(nèi)澇應急預案處理基礎(chǔ)上，按照城市內(nèi)澇應急流程，將應急管理過程進行流程化描述。按照流程組織數(shù)據(jù)、信息、模型和方法，形成可視化的邏輯編排，實現(xiàn)具有組件化、可視化、松散耦合等特征，流程化的內(nèi)澇應急應對流程。采用知識管理理論和方法，基于綜合集成平臺，通過知識圖關(guān)聯(lián)與城市內(nèi)澇管理相關(guān)信息，對與內(nèi)澇應急應對相關(guān)的數(shù)據(jù)、信息、模型與方法進行組織管理，通過對情景主題和數(shù)據(jù)之間關(guān)系的描述形成信息，采用“焦點”(方框)定制組件，通過“鏈接”(箭頭)數(shù)據(jù)流描述不同信息源之間的層次邏輯關(guān)系，結(jié)合歷史情景應對預案，在知識層和決策過程中形成不同情景下的應對方案，根據(jù)預警信息確定是否進入到應對狀態(tài)，針對不同的城市內(nèi)澇級別確定應急響應級別?；诰C合集成平臺協(xié)同工作環(huán)境，不同應急管理主體根據(jù)城市內(nèi)澇情景主題個性化定制若干情景預案，從自身理解和需求出發(fā)，形成不同情景組合下的情景預案，并以知識圖的方式存儲到知識圖庫中，通過對不同情景預案的研討，最終形成特定情景主題(暴雨內(nèi)澇等級)下的實施方案，供決策者針對特定暴雨內(nèi)澇等級進行快速響應，制定城市防洪減災防御方案，最大限度降低洪災損失。

1.4　城市內(nèi)澇應急預案研討

通過建立預警信息與人防、物防、技防相結(jié)合的城市內(nèi)澇應急預案管理體系，提升強降雨天氣下汛情、險情與災情的快速響應及應對能力，最大限度避免或減少城市內(nèi)澇災害損失。結(jié)合暴雨和內(nèi)澇預警信息，將城市內(nèi)澇應急預案進行數(shù)字化描述和流程圖繪制，建立組件化應急預案，通過綜合集成研討，優(yōu)化城市內(nèi)澇應對策略與后期處置方案，多部門聯(lián)動最大限度減輕災害損失。采用綜合集成方法組織與城市內(nèi)澇相關(guān)的數(shù)據(jù)資料、模型庫和方法庫等，基于綜合集成平臺搭建流程化且易于會商和調(diào)整反饋的組件化應急預案，為城市內(nèi)澇快速響應和科學應對提供決策支持。按照預案流程組織數(shù)據(jù)、模型和方法，形成可視化的邏輯編排，建立具有組件化、可視化、松散耦合等特征的知識圖?；谥R圖建立流程化情景預案開展綜合集成會商研討，從數(shù)據(jù)、信息到知識和決策，定性研討與定量分析相結(jié)合，通過會商研討對城市內(nèi)澇事件應對進行充分論證，對情景預案進行修正和優(yōu)化，生成最優(yōu)應對預案。研討過程如圖2所示：①首先，由應急管理會商研討發(fā)起人(例如，城市防汛辦主任)確定會商研討情景主題，并將該情景主題下的情景預案進行知識可視化描述，專家根據(jù)以往應對經(jīng)驗和實際情境，在知識圖上添加或修改事先建立的數(shù)據(jù)資源和模型方法等。②圍繞情景主題，專家結(jié)合自身對城市內(nèi)澇應對的理解與經(jīng)驗，將個人知識轉(zhuǎn)化為知識圖可以表達的模型和方法組件，建立模型、方法與情景主題之間的鏈接，用以描述專家的思維和應用的組織流程。③會商研討過程中，各專家在提出各自對不同情景組合下情景預案觀點的同時與其他專家進行會商研討，對情景預案進行優(yōu)化。④根據(jù)專家針對特定情景主題的研討意見對情景預案進行修改，并確定該情景主題最優(yōu)應對預案。通過在線會商研討與交互，獲得城市內(nèi)澇的實施預案，支撐城市內(nèi)澇的快速應對。

2　應用實例

2.1　研究區(qū)概況

結(jié)合前期數(shù)據(jù)資源積累和調(diào)研情況，本文以陜西省西安市為研究區(qū)域開展應用實例研究。西安市位于黃河流域關(guān)中平原中部，北臨渭河，南依秦嶺，主城區(qū)位于渭河平原二級階梯上，面積415 km2。西安市屬大陸性季風氣候，夏季多雨，年降雨量在522～719 mm之間，集中在汛期5-9月，以局地突發(fā)性暴雨和連陰雨為主，近年汛期局地短時強降雨頻發(fā)，可預報時效短，極易造成城區(qū)內(nèi)澇災害。近20多年來西安城市化發(fā)展迅速，城市化水平由1990年的37%提高到2016年的近70%，城市硬化面積逐年增加，城市“熱島效應”和“雨島效應”顯現(xiàn)，使得西安市內(nèi)澇事件進一步加劇。例如，2016年7月24日的一場暴雨，直接導致全市多處內(nèi)澇，小寨十字積水嚴重，地鐵站進水關(guān)閉，造成嚴重經(jīng)濟損失。

通過對西安市內(nèi)澇事件特征和城區(qū)市政建設(shè)狀況實地調(diào)研，市政部門在城市主城區(qū)篩選出55處道路低洼易澇點。城市防汛辦在城區(qū)防汛關(guān)鍵部位布設(shè)積水點監(jiān)控攝像頭，設(shè)置提示牌以及繪制警戒線等方式提供警示信息，積累豐富的易澇點積水資料。2016年對二環(huán)以內(nèi)26座下穿通道及立交橋積水警戒線進行重新規(guī)劃，設(shè)置積水提示牌、水位標尺和電子提示牌，實時了解道路積水情況。在立交橋、人形天橋、地下通道和道路積水點安裝運行電子監(jiān)控設(shè)備263處，對市政設(shè)施運行、道路積水情況進行實時監(jiān)控，市政設(shè)施監(jiān)控指揮中心可通過“全球眼”實時收集洪澇信息，掌握積水情況，進行防汛指揮調(diào)度，多部門信息對接與共享，上述可為城區(qū)內(nèi)澇監(jiān)測預警以及應急響應提供數(shù)據(jù)來源和技術(shù)支撐。

2.2　模型應用

在前期開展的針對近年來西安市內(nèi)澇事件特征分析基礎(chǔ)上，采用知識管理方法，基于綜合集成平臺，開發(fā)西安市內(nèi)澇應急預案管理平臺，為西安市內(nèi)澇事件應急管理提供決策支持，提升西安市防洪減災能力，降低西安市內(nèi)澇災害損失和次生衍生災害事件。圖4a為基于平臺的西安城區(qū)內(nèi)澇模塊化應急預案，在實現(xiàn)西安市城區(qū)內(nèi)澇應急預案數(shù)字化基礎(chǔ)上，基于綜合集成平臺繪制西安市城區(qū)內(nèi)澇應急預案知識圖，將傳統(tǒng)的文本預案轉(zhuǎn)化成模塊化的組件化應急預案，采用知識圖關(guān)聯(lián)和應急預案相關(guān)的數(shù)據(jù)、信息等，用戶可以根據(jù)實際情況在平臺上對應急預案進行可視查詢和動態(tài)調(diào)整。

圖2　城市內(nèi)澇應急預案研討

圖4b所示為基于平臺的西安市城區(qū)內(nèi)澇應急應對流程，遵循“預估-預測-預警-預案”的集合應對方法[16]，時間尺度上，從長期預估到中短期的預測，再到近實時的預警和實時的預案，逐步推進，空間尺度上，逐步細化。流程主要包括：① 預估預測。通過對政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告(AR5)發(fā)布的國際耦合模式比較計劃(CMIP5)進行將尺度處理和全球尺度氣候異常因子的分析預估未來城市可能發(fā)生的極端降雨事件，考慮中尺度大氣環(huán)流和小尺度城市特征的影響進行中短期的城市局地降雨預測。② 監(jiān)測預警。通過構(gòu)建北斗衛(wèi)星、遙感、地面監(jiān)測站等天地空一體化的城市暴雨內(nèi)澇監(jiān)測體系進行全天候的城市暴雨內(nèi)澇動態(tài)監(jiān)測，開展氣象、水利、市政公用等多部門的信息共享。根據(jù)監(jiān)測信息，考慮不同量級降雨強度對社會生產(chǎn)和生活的影響程度，劃分暴雨預警等級(紅、橙、黃、藍)，根據(jù)暴雨等級分析內(nèi)澇災害，制定不同內(nèi)澇等級對應的防御方案。③ 應急響應。根據(jù)降雨發(fā)生范圍、危害程度和預警等級，確定城市內(nèi)澇應急響應等級(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，明確各單位職責，開展信息報送、指揮調(diào)度、群眾轉(zhuǎn)移和安置、搶險與救災、安全防護和醫(yī)療救護等應急響應工作，直至響應結(jié)束。④ 災害重建。遵循以人為本原則，開展災后救助、水毀工程修復、災后調(diào)查和總結(jié)等工作。

3　討論與結(jié)論

(1)突發(fā)事件因其突發(fā)性、高危害性等特征，近年來受到高度重視，我國提出的以“一案三制”為核心的應急管理體系為各類突發(fā)事件的應急管理和應急應對提供了科學依據(jù)和法律支撐，然而，縱觀過去發(fā)生的一系列突發(fā)事件應對實際情況，仍存在著體制機制和法制不夠完善、預案難以有效支撐快速響應等問題。本文提出的基于綜合集成平臺的城市內(nèi)澇應急預案模型在實現(xiàn)傳統(tǒng)預案數(shù)字化描述和流程圖繪制基礎(chǔ)上，提高了內(nèi)澇事件的應急響應速度和應急應對效率，可為其余應急事件應對提供參考。

圖3　研究區(qū)概況及主城區(qū)易澇點分布

圖4　西安市內(nèi)澇應急預案管理平臺

(2)城市內(nèi)澇事件因其影響因素復雜、潛在的危害嚴重，在應急管理過程中，容易受外界環(huán)境變化影響，本文構(gòu)建的城市內(nèi)澇應急預案管理平臺采用先進的信息技術(shù)，在對海量多源數(shù)據(jù)資源進行高效組織管理的基礎(chǔ)上，以知識圖的方式組織內(nèi)澇應急管理流程，采用組件的方式調(diào)用數(shù)據(jù)、信息等，基于綜合集成平臺可視可信、可重用的優(yōu)勢，強調(diào)在線交互和動態(tài)調(diào)整，以此來適應外界變化環(huán)境，實現(xiàn)對城市內(nèi)澇事件實時的應急應對，提高城市防洪減災水平，減低城市內(nèi)澇災害損失，具有重要意義和應用推廣價值。

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