[發明專利]一種長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估方法

在審

• 申請號: 202111172777.2
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113935609A
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 田福昌;苑希民;王秀杰;何立新;王麗娜;王艷鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06F30/27;G06F30/28;G06Q50/26;G06K9/62;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 蘇宇歡

1.一種長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估方法，依次包括下列步驟：

(1)、基礎資料收集與處理

根據潰口險工段選擇與凌汛期堤防危險度分析、凌汛潰堤洪水耦合模擬、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度計算及風險區劃評估的需要，收集研究區域的河道實測斷面、堤防設計資料、堤外區域地形資料、耕地與建筑房屋分布資料，并按照不同使用要求對其進行系統化地整編處理；

(2)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估指標體系構建

依據層次分析法，建立目標層、準則層與指標層三層遞階結構的長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估指標體系，上述目標層是指長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度A；上述準則層是指凌汛潰堤洪水淹沒易損度B1(單一潰口)與凌汛期堤防危險度B2，其中B1是指致災因子危險性C1、孕災環境敏感性C2與承災體易損性C3，上述指標層是指致災因子危險性C1、孕災環境敏感性C2與承災體易損性C3共同涵蓋的八個指標，致災因子危險性C1包括凌汛洪水最大淹沒水深D1、凌汛洪水最大流速D2與凌汛洪水前鋒到達時間D3三個指標；孕災環境敏感性C2包括數字地形高程D4、地形坡度D5與距潰口直線距離D6三個指標；承災體易損性C3包括建筑房屋面積占比D7與耕地面積占比D8二個指標；

(3)、潰口險工段選擇與凌汛期堤防危險度賦值

綜合考慮研究區域歷史冰塞或冰壩災害發生位置、歷史凌汛期堤防潰決險工段分布情況、堤防防凌設計標準、堤防以外區域內的居民集中情況各種因素，結合歷年凌汛期防凌重點關注的堤防區域，篩選最有可能發生潰決的潰口險工段，確定凌汛潰堤洪水可能淹沒的最大泛區范圍，并根據防凌專家經驗，以主觀因素為主導，對選定的潰口險工段賦予凌汛期堤防危險度，凌汛期堤防危險度賦值范圍為0～1，凌汛期堤防危險度越大代表凌汛期堤防越容易發生潰決；

(4)、凌汛潰堤洪水淹沒過程模擬計算

根據步驟(3)選定的潰口險工段及凌汛潰堤洪水可能淹沒的最大泛區范圍，結合河道斷面和區域高程數據資料，剖分泛區范圍內的計算網格，建立凌汛潰堤洪水耦合計算模型，設定出入流條件和模型糙率計算參數，模擬相同條件下不同潰口位置凌汛洪水淹沒過程；

(5)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度計算

1)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估指標體系指標層各項指標賦值

根據步驟(4)凌汛潰堤洪水淹沒過程模擬計算結果，提取淹沒區域以及淹沒區域內每個計算網格對應的凌汛洪水最大淹沒水深D1、凌汛洪水最大流速D2和凌汛洪水前鋒到達時間D3，如果不同潰口凌汛洪水淹沒范圍存在重疊現象，則取不同計算網格淹沒數據疊加后的凌汛洪水最大淹沒水深D1、凌汛洪水最大流速D2、凌汛洪水前鋒最短到達時間D3；根據潰口險工段和每個計算網格的位置坐標，計算每個網格距潰口的直線距離D6，同時基于淹沒區域的數字地形高程D4和土地利用數據，利用GIS平臺計算每個網格對應的地形坡度D5、建筑房屋面積占比D7和耕地面積占比D8，對不同淹沒區域長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險體系指標層各項指標數據進行空間網格化處理，由此對不同淹沒區域長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估指標體系指標層各項指標即單一潰口各項凌汛潰堤洪水淹沒易損度評估指標進行賦值，并對其進行數據標準化；

2)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估指標體系指標層各項指標權重計算

根據層次分析法構建單一潰口凌汛潰堤洪水淹沒易損度評估判斷矩陣，在滿足一致性檢驗(CI＜0.1)條件下，采用模糊層次分析法(FAHP)、熵權法和基于權重差異性進行均勻化和歸一化處理的改進FAHP-熵權法，分別計算長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估體系指標層各項指標即單一潰口各項凌汛潰堤洪水淹沒易損度評估指標權重，通過對比分析不同方法對應的上述單一潰口各項凌汛潰堤洪水淹沒易損度評估指標權重計算結果，確定最優賦權方法和單一潰口各項凌汛潰堤洪水淹沒易損度評估指標權重取值；

3)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度計算

①、單一潰口凌汛潰堤洪水淹沒易損度計算，根據步驟(5)2)長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估體系指標層各項指標即單一潰口各項凌汛潰堤洪水淹沒易損度評估指標權重與步驟(5)1)不同淹沒區域長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估體系指標層各項指標即單一潰口各項凌汛潰堤洪水淹沒易損度評估指標的標準化數據加權求和計算不同淹沒區域單一潰口凌汛潰堤洪水淹沒易損度即為不同淹沒區域不耦合凌汛期堤防危險度的凌汛洪水淹沒風險度；

②、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度計算，本發明一種長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估方法通過考慮凌汛期堤防危險度空間分布的差異性，耦合凌汛期堤防危險度與單一潰口凌汛潰堤洪水淹沒易損度，利用下列公式1至公式3計算不同淹沒區域長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度：

SRD_i＝η·FRD_i (1)

i,j＝1,2,......,n (3)

上式中：SRD_i為長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度；FRD_i為單一潰口凌汛潰堤洪水淹沒易損度；DRD_i為凌汛期堤防危險度；η反映了上下游堤段相對出險概率；n為潰口數量

(6)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險區劃與評估

1)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度分級聚類

采用K-means聚類算法對步驟(5)3)②不同淹沒區域的長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度進行整體分級聚類，建立不同聚類中心數目k與簇聚類中心距離誤差平方和SSE的關聯曲線，利用手肘法確定長河段多潰口凌汛洪水淹沒風險等級劃分；

2)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度風險區劃

根據步驟(5)3)②不同淹沒區域長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險度計算結果與步驟(6)1)不同淹沒區域長河段多潰口凌汛洪水淹沒風險等級，基于GIS平臺繪制并對比分析不同淹沒區域耦合凌汛期堤防危險度的凌汛潰堤洪水淹沒聯合風險分布圖與不耦合凌汛期堤防危險度的凌汛洪水淹沒聯合風險分布圖；

3)、長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估

根據不同淹沒區域凌汛潰堤洪水淹沒聯合風險分布圖，分析不同潰口淹沒區域內不同風險等級對應的具體位置，比較評估不同潰口淹沒區域凌汛洪水淹沒聯合風險分布情況，論證本發明一種長河段多潰口凌汛洪水淹沒聯合風險評估方法的合理性和適用性。