鲁达 摘要：
针对近年来城市内涝灾害给居民、交通及城市基础设施带来的巨大影响, 以低成本发现高风险事件和应急预案漏洞为目标, 通过兵棋推演模拟城市内涝灾害应急救援过程。依据兵棋推演与灾害理论, 结合GIS技术、决策树等方法, 综合建立了动态兵棋棋子模型、暴雨规则、可视化地图及兵棋推演模型, 实现了城市内涝灾害应急救援兵棋推演。结果表明:在设定的5年一遇暴雨情景及18个推演回合下, 两个应急救援行动方案中, 我方行动1虽能完成内涝灾害应急救援, 但造成损失的概率非常高;我方行动2能够完成内涝灾害应急救援, 且造成损失的概率较小。将兵棋推演方法引入到城市内涝灾害应急救援中, 可准确的推演应急预案的可行性, 研究成果对提高有关应急部门灵活处理应急事件的指挥能力、管理能力与决策能力具有重要意义。
关键词：
内涝灾害; 应急救援; 兵棋推演; 应急管理与风险决策; 生态文明建设; 城市治理; 内涝风险评估; 海绵城市建设;
作者简介：
陈鹏 (1980—) , 男, 副教授, 硕士研究生导师, 博士, 主要从事自然灾害风险评估与应急管理。E-mail:pp11290@163.com;张继权 (1965—) , 男, 教授, 副院长、博士研究生导师, 博士, 主要从事自然灾害与生态环境风险评价。E-mail:zhangjq022@nenu.edu.cn;
基金：
国家自然科学基金项目 (41501557, 41371495);吉林省科技厅青年基金项目 (20150520081JH);
引用：
陈鹏，张继权，孙滢悦，等 . 城市内涝灾害应急救援兵棋推演研究［J］. 水利水电技术，2018，49( 4) : 8-17.
CHEN Peng，ZHANG Jiquan，SUN Yingyue，et al. Study on war-game simulation on emergency rescue of urban waterlogging disaster［J］.Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2018，49( 4) : 8-17.
0 引言
兵棋推演是通过对历史数据更深层次的理解、尝试推断未来的一种方法。兵棋推演也是一种“博弈”, 并且是与历史资料和科学的有机结合 。随着城市化进程加快, 各种自然灾害频发, 灾害应急问题已成为影响城市安全的重大问题。在“救灾如同作战”的理念下, 兵棋推演系统逐渐被应用到灾害的应急救援过程中, 成为能够在灾前整备时对灾害应急救援加以设想、推断的重要工具 。美国联邦紧急事务管理署 (FEMA) 针对灾害危机管理的重要发展项目, 将兵棋推演引入到经济事务管理中 ;台湾环境与灾害政策学会参考美国FEMA的经验, 利用兵棋思想构建了适合台湾环境与灾害的推演体系, 推演了各灾害应急部门应对灾害行动与资源分配过程;在城市灾害居民应急避难方面, 已有的研究集中在城市灾害应急管理中, 建立了以时间为标准的评价体系与推演规则, 实现了城市灾害应急管理的兵棋推演模型 。以及采用统计学、博弈论、概率论等科学方法, 实现各类灾害数值模拟和人员行为数值模拟, 推演灾害发生、发展过程, 及人在灾害环境中可能做出的各种反应 ;随着计算机的快速发展, 以编程技术、地理信息系统技术、方法为基础, 综合构建了应急演练推演平台 , 实现了兵棋推演规则构建、地图绘制及双方对战模拟, 在低成本的情况下评估和发现预定方案的漏洞, 为提高城市灾害应急管理水平提供决策依据 ;在城市内涝灾害应急方面的研究国内处于起步阶段, 将兵棋推演应用于城市内涝模型和应急管理评价模型, 实现了城市内涝灾害应急管理过程兵棋推演结果评价, 提出当前城市应急管理的不足和应对城市内涝的解决方法 。
综上所述, 兵棋推演在城市内涝灾害研究中的应用一方面是从定性的角度给出推演规则与推演体系, 另一方面是对应急管理及推演结果进行了评价, 并未给出定量化的城市内涝灾害应急救援兵棋推演模型及推演方法。因此, 本研究为了补充此方面不足, 构建了城市内涝灾害居民应急救援兵棋推演数值模型、暴雨规则计算方法及可视化的兵棋地图。基本原理是用棋盘模拟城市灾害空间, 用回合模拟内涝灾害演进时间, 棋子模拟内涝灾害状态、处置力量及不确定性和复杂性, 并依据一定的背景, 在走棋驱动中, 实施人与内涝灾害的对抗, 通过裁决, 形成连续、动态的城市内涝灾害态势来体现处置城市内涝灾害的过程, 以此达到训练应急部门指挥能力、管理能力与决策能力的目标。
1 研究区域与数据来源
1.1 研究区概况
哈尔滨市道里区位于北纬45°32'~45°47'、东经126°08'~126°38' (见图1) , 道里区属松嫩平原的一部分, 呈南高北低的地势, 自然形成了松花江两岸的泛滥土区。哈尔滨市道里区多年平均降水量为545.7mm, 松花江流域多年降水量为525.0 mm。流域内持续时间长、雨量较大、影响范围广的大暴雨发生时间多集中在7月、8月两个月份, 出现次数占大暴雨总数的84%~88%, 可见7月、8月是暴雨频发期。汛期6—9月份降水量占全年降水量的80%, 其中7月、8月占52%, 此期间极易形成暴雨内涝灾害。研究区总面积479 km , 人口67万, 平房户数8 334户, 楼房一层以下户数为2 185户。其中, 平房居民与楼房一层以下居民 (含地下室) 极易受内涝灾害影响, 是重点救援对象。
图1 研究区位置
1.2 数据来源
本研究所需数据中, 气象资料来自黑龙江省哈尔滨市气象局多年降雨数据 (1961—2009年) , 空间数据采用高分辨率快鸟影像 (分辨率0.61 m) , 以及道里区排水管网数据。所需城市下垫面基础信息从快鸟影像数据中提取, 其中包括道路信息、居民点信息、地面糙率、面积等参数, 所用数据均利用Arc GIS软件中的空间分析工具进行分析和提取。其中降雨数据用来计算研究区不同重现期下制定回合数内降雨量;下垫面基础地理信息数据为兵棋地图绘制提供依据。
2 研究方法
2.1 兵棋推演
兵棋三要素包括棋子、棋盘 (地图) 及规则, 通过双方对战情景设定, 以回合制形式进行真实或虚拟对战推演, 以期达到预测未来、模拟人与内涝灾害博弈过程的目的 。因此, 实现兵棋推演的前提是要明确三要素的设定方式。
2.1.1 兵棋棋子设定
兵棋棋子是兵棋推演过程中的作战单位或战场标识。该棋子与其他棋类游戏的棋子类似, 有自己的“走棋”与“吃子”规则。但兵棋棋子分为单位算子与标识算子两类, 其中表示作战的单位称为单位算子, 标有战斗值、射程、移动、攻击与防御等信息。而表示战场上事件的棋子称为标识算子, 标识算子主要用来记录各棋子的破坏、伤亡及突发事件等战场态势。
2.1.2 兵棋地图绘制
本文中的兵棋地图采用Patch Grid Plugin插件, 将该插件引入到Arc GIS10.2软件中, 便可直接绘制正六边兵棋网格地图, 并利用Arc GIS软件的属性关联, 将下垫面信息关联到兵棋地图中, 最终生成研究需要的矢量兵棋地图 (见图2)。
2.1.3 兵棋推演规则
2.1.3.1 积水与排水规则
(1) 确定降雨强度。根据回合降雨量表建立降雨强度兵棋推演裁决表, 假定本次推演为5年一遇的暴雨强度, 且降雨幵始到结束共需18个回合, 每回合10 min, 从裁决表中可得到18个回合的降雨强度P。
(2) 计算降雨损失。包括初损、截留和洼蓄、入渗损失、径流出现回合及排水管网的排水量, 作为对战敌方的损失值, 当损失值为零时, 说明道路积水已经排出。
图2 兵棋推演地图
(3) 计算初损。依据霍顿公式和霍顿截留公式确定截留损失
(4) 入渗损失计算。由于混凝土和沥青的入渗系数为0.1, 所以入渗损失
(5) 径流出现回合计算。通过径流出现的回合, 计算当前回合下的降雨强度PD, 具体过程为:通过取得的第一回合至当前回合的降雨强度P1和第一回合至当前回合前一回合的降雨强度P2, 并与初损J进行比较, 若是P1<J, 则所有降雨都进行初损, 无径流出现;若P2<J<P1, 则该回合前段时间无径流, 到回合中段出现径流, 降雨强度PD= (P-J) *0.9;若P2>J且P1>J, 则本次回合降雨强度
(6) 排入管网雨量计算。依据哈尔滨市的降雨特点及管网实际规划情况, 本研究设定排入地下管网的雨量重现期为1, 即:T=1。因此得到具体排水管网设计流量为
式中, qmax表示流量;i为重现期为1 h的雨强;F为六角网格面积, 即S;为径流系数。
2.1.3. 2 计算积水流量与积水深度
(1) 采用明渠流匀速流速计算公式
式中, R为水力半径;n为糙率系数;i为水力坡度。
(2) 水力半径R计算公式为:其中, W为水流宽度, H为水深。
(3) 水力坡度i计算方法为i=|h1-h2|/d,其中|h1-h2|为两相邻六角网格之间的高程绝对值, d为相邻六角网格间距离。
每回合雨水流量
式中, V为雨水流量;v为雨水流速;t为每回合的时间 (min) 。
(4) 积水深度计算公式
式中, h为六角网格积水深度;V为六角网格积水量, 即V=PD-J-R-qmax;S为六角网格积水面积。
2.1.3.3 棋子移动规则
参照Talonsoft公司的《战争艺术3》手册, 并结合研究区实际情况, 设定一个六角网格代表150 m距离, 按照实际数据计算, 棋子移动一个网格, 代表移动了150 m, 按照车辆行驶速度与到达目的地的距离, 便可计算出每回合最多可以走多远, 便可得到各种车辆的裁决过程。
表1 车辆类型机动裁决
2.1.3.4 排除积水
抽取积水是最有效解决道路积水的方法, 能否及时有效的排除道路积水成为衡量救援城市内涝的重要标准。排水系统包括泵站和临时泵站 (研究区泵站排水量5.5 m /s) , 调配移动泵车、抢险泵、发电机组等防汛设备投入抢险。结合上述的对战裁决过程, 可计算出排水能力, 同时也可计算出积水排出的时间与回合。以2011年8月10日哈尔滨市发生的内涝灾害为案例设定双方“对战”回合数, 此次内涝灾害处置过程约为3 h, 因此, 可设定以5年一遇暴雨为内涝灾害模型初始参数, 10 min为一个应急回合, 共可设定本次推演回合数为18个回合, 即18个回合后可完成道路积水排除任务。
2.2 决策树方法
决策树通过图形化方法表达决策问题的本质, 通过建模形成决策序列, 模拟随机事件和结果, 并将它们按一定顺序排列。决策树中采用方框表示决策节点, 随机事件用圆圈表示, 用线连接决策点和随机事件点。其中决策点引出的线表示行动, 随机事件引出的线表示点可能出现的不同结果。每条线上标注的数字表示每种事件发生的概率。各分支结点都有一个结果值, 由沿该路径的决策集和随机事件确定。为了分析方便, 结果标注的数字, 称为收益值。本研究中利用决策树思想, 分解人与自然灾害的博弈过程, 并在决策树上有序分配。具体构建决策树参数设定如下。
2.2.1 行动策略制定
军事中的行动策略是敌我双方的采用的各种可能的策略, 通常是为了实现某种特定的战术意图。而本研究中的行动策略与军事行动策略不同, 由于研究中的敌方为内涝灾害, 因此, 道路积水点仅考虑变化, 而不考虑移动。而敌方攻击策略则是淹没道路、房屋及人员等。在实际的对战过程中, 不同的行动策略会产生不同的结果, 因此, 如何选择最优的行动策略便成为首要考虑的问题。鉴于此, 设定双方行动每个回合限制如下: (1) 应急单位可以移动但不开始清除积水; (2) 应急单位可以移动后开始清除积水; (3) 应急单位清除积水后移动; (4) 应急单位清除积水但不移动; (5) 积水点面积扩大不移动; (6) 积水点面积缩小不移动; (7) 积水点被清除。
2.2.2 作战单位状态设定
作战单位状态是应急单位处于某一时刻的作战行动的体现, 双方的作战单位状态可能会随时间变化。参与作战单位的状态设定为:完好、损伤、清除。作战单位在实际行动中敌我双方单位都将以一定的概率从某种状态转向另一种状态, 用1、2、3表示上述三个状态, 那么设定状态转化过程如图3所示。
图3 状态转换
在兵棋推演过程中, 要想了解棋子的下一刻状态, 那么就需要了解棋子间相互转换顺序及概率。由状态转换图可知, 状态1可向状态2转换, 状态1可向状态3转换, 状态2可向状态3转换, 状态3为终止状态, 每种转换都以某种概率发生。其中状态1可转换到1、状态2、状态3的概率为P11、P12、P13, 且P11+P12+P13=1。该状态物理转换意义为, 一个完好的应急作战过程下, 仍然完好的概率为P11, 损伤的概率为P12, 清除的概率为P13, 这三种状态必发生一种。对于状态2时, 表示为某个单位损伤的积累, 再次发生对战时, 该状态可能保持原状态或是清除状态。
2.2.3 收益值量化
按照决策树收益值的定义, 需要依据偏好优先性对结果进行排序并分配每一个树节点一个收益值。对于该收益值的尺度制定, 若是简单情况下较为容易, 而在复杂情况下, 需要综合考虑, 按照重要性程度将本研究的结果值进行多层次划分, 结果如下:
(1) 应急单位的损伤程度。应急过程中可能会出现应急单位损伤情况, 为了更好的量化应急单位损伤程度, 可设定其损伤程度值0 (较差) ~10 (很好) 的初步价值尺度。
(2) 对战发生区域。由于内涝灾害发生地无法移动, 因此对战发生区域即为内涝灾害发生地。
(3) 积水点清除程度。积水点清除程度与应急单位的损伤程度量化方法一致, 亦可设定其清除程度值0 (较差) ~10(很好) 的初步价值尺度。
2.2.4 概率值确定
决策树模型中的概率值分为作战行动概率与作战结果概率, 研究中的两种概率设定方法如下:
(1) 作战行动概率。作战双方的行动选择会有多种方案, 然而不确定性等战场随机因素会导致作战双方的行动概率不同, 如作战双方的兵力对比、部署、可能的作战行动等。作战行动概率分为两种, 一种是我方行动概率;一种是敌方行动概率。由于在本研究中敌方是内涝灾害, 因此, 敌方的作战行动概率较容易计算。内涝灾害的行动即为道路积水变化, 本研究利用一次降雨过程每个时段的降雨概率计算道路积水可能发生的概率。而我方行动概率计算则采取从对方的角度分析我方行动目标以及可能产生的结果, 可以评估我方的作战行动概率, 即针对不同时段道路积水的变化概率, 我方会采取何种应急措施的可能概率。
(2) 作战结果概率。作战结果概率是指敌我双方对战后的结果, 以概率的形式体现。结果的计算以规则为依据, 裁决双方对战, 得到战斗单位的损伤概率 (见图4) 。
图4 敌我双方作战行动示意
3 城市内涝灾害应急救援兵棋推演过程分析
3.1 想定描述
3.1.1 背景
近几年哈尔滨城市化进程较快, 不论是新城区还是老城区都存在着排水管道偏少、管渠断面过小的问题。哈尔滨市排水管线共有993 km, 排水管网覆盖率只有66%, 还有34%地区没有排水设施。其中有27 km的排水管线已经服役70年左右, 属于严重老化。根据国家规定, 城市排水管网的排水能力为185m /s, 该排水能力可抵御中雨, 即25 mm/h的降雨量;但哈尔滨市排水管网的排水能力仅为117 m /s, 比中雨的排水能力低68 m 。一旦遇中雨, 每秒就会有68 m 雨水因无法即排而停留在路面上, 降雨超过0.5 h以上, 哈尔滨市一些街道就会积水。哈尔滨市老城区居住人口不断增加,汇水面积逐渐增加, 但排水管线却增加缓慢, 由此导致一些路段的积水无法排出。随着生活垃圾增多、不断排入管道中, 容易造成管道堵塞, 道路大面积积水, 对居民安全出行造成威胁。正是由于哈尔滨市区地势相对起伏较大, 加之哈尔滨降雨主要集中在6—9月份, 且多雷阵雨、冰雹等强对流天气, 所以市区极易形成城市积涝。哈尔滨市区每年6—9月都会发生2~3次城市内涝, 发生内涝较大范围有21处, 其中积水严重的有4处、较严重的有9处, 道路最深处积水达到1.5 m左右。
3.1.2 敌我双方对比
敌方:设定哈尔滨市道里区有9个道路积水点, 积水点的变化随时间变化。设定变化时间间隔为10 min。
我方行动1:应急指挥中心1个;应急车辆24辆, 其中运输设备车辆为6辆 (速度60 km/h) , 应急排水车辆9辆 (排水能力:20 t/min) , 医疗车辆6辆 (速度60 km/h) , 应急通信车辆3辆 (速度60 km/h) 。
我方行动2:应急指挥中心1个;应急车辆36辆, 其中运输设备车辆为9辆, 应急排水车辆18辆, 医疗车辆6辆, 应急通信车辆3辆。
3.1.3 双方对战任务
敌方:由于敌方为内涝灾害, 因此敌方任务仅为道路积水积水面积扩大积水面积缩小积水清除四个过程, 道路积水变化过程利用道路积水数值模型进行模拟。
我方:我方作战任务是依据监测结果, 派出适当的排水车辆、设备、应急通信车辆、应急指挥车辆;应急车辆行进沿道路行驶, 赶赴道路积水区域, 进行道路积水排除。
3.2 双方作战行动
兵棋推演过程是一个复杂的推演过程, 每一步推演都是一次博弈过程, 从单位算子的每一步移动到双方对战战术,都需要推演双方以博弈的观点来决定己方走棋。据此设定双方作战行动如下。
3.2.1 敌方行动
由于敌方行动为道路积水变化过程, 因此, 本研究中首先计算每个时间段的降雨量, 然后以对应时间段降雨量为初始参数, 代入城市暴雨内涝道路积水数值模型, 分别计算出不同降雨概率下道路积水的变化情况。
3.2.1.1 暴雨规则制定
暴雨规则是指暴雨在一个回合内的平均强度, 通常用雨型来表小。适合我国条件的暴雨雨型为芝加哥雨型 (CHM), 因为它对任何暴雨历时的降雨都适用, 只是平均强度不同。
(1) 根据芝加哥雨型公式
计算出t (时间内的降雨总量
式中, i为历时t时间内的平均雨强;a、b、n为常数。
(2) 对H求导, 得t时刻的瞬时雨强
(3) 引入降雨强度峰值r, r值为实际降雨事件, 一般为0.3~0.5之间。则降雨历时为
式中, tb为峰前降雨历时;ta为峰后降雨历时。
(4) 将式 (10) 带入式 (9) 中, 可得
(5) 依据哈尔滨市暴雨强度公式
式中, p为重现期;t为降雨历时 (h) ;q为暴雨强度[L/ (s·hm2) ]。
3.2.1.2 道路积水演变模型
目前, 国内外针对城市道路积水的数值模拟方法较多, 但大多数只是模拟出水深, 对于流速并未计算 。当内涝灾害发生时, 道路积水、流速对居民水中行走都会产生影响, 因此, 需要考虑水深对居民出行的影响程度, 同时兼顾水流速度对居民出行的影响程度。本文城市暴雨内涝数值模型以二维非恒定流为基本骨架, 以正六边形概化地物,同时结合排水管网中一维非恒定流综合考虑建立暴雨内涝数值模型 。以上述公式制定的规则为标准, 以表1中的暴雨强度为参数, 选择p=5年时的暴雨强度为参数带入到q (源汇项) 中, 作为本模型的初始参数值, 可计算出随时间变化的道路积水演变过程。具体公式如下。
表1 降雨强度与回合制定
二维非恒定流方程的连续方程
二维非恒定流方程的动量方程
式中, h为水深;H为水位 (H=h+z, z为下垫面高程) ;q为源汇项, 在模型中代表有效降雨强度;M、N分别为x、y方向上的单宽流量;u、v分别为流速在x、y方向的分量;n为糙率系数;g为重力加速度;t为水流在网格内流动时间。
一维非恒定流基本控制方程
式中, Q为截面流量;A为计算断面的过水面积;Sf为摩阻坡降;t为积水到达通道时间;l为网格通道长度。
宽顶堰溢流公式
式中, Qj为堰顶单宽流量;m为宽顶堰溢流系数;σf为淹没系数;Hj为堰顶水位。
流速计算公式
式中, V为水流速度;M、N分别为x、y方向上的单宽流量;h为积水深度。
经上述模型计算结果, 可知研究区道路积水现状及其随时间变化情况, 以此为基础便可知敌方在18个回合内变化情况。
3.2.1.3 道路积水模型验证
为验证研究区道路积水模型精度, 以2011年8月10日暴雨过程为验证数据, 设定模型的初始条件为:验证道里区的下垫面道路为柏油路, 其下垫面高程为松花江等一级河道水位115.6 m;道里、道外管道全部充满;所有排水泵站、闸门均开启。选取了哈尔滨市道里区5个容易积水的地区, 对模型进行验证 (见表2) , 经验证, 模型精度较高, 可进行研究区道路积水演变过程模拟。
表2 道里区积水深度验证
3.2.2 我方行动
我方采取的应对行动为应急救援, 即排除道路积水。但此过程中需要相关部门进行配合, 具体行动指令由应急指挥中心发布。依据实地调查情况, 初步设定我方行动有两个, 但不仅限于两个行动方案, 可依据实际情况或应急预案,提前制定相关行动方案 。
行动1:因1、2号积水点, 3、4号积水点, 7、8号积水点距离较近, 因此, 向1、2号, 3、4号, 7、8号分别派出3辆运输设备车辆, 5、6、9号积水点派出3辆运输设备车辆;分别向9个积水点分别派出9辆应急排水车;向1、2号, 3、4号,7、8号分别派出3辆医疗车辆, 向5、6、9号积水点派出3辆医疗车辆;向1、2号与3、4号附近派出1辆应急通信车辆,向5、6、7号附近派出1辆应急通信车辆, 向8、9号附近派出1辆应急通信车辆。
行动2:行动2与行动1不同, 采取每个积水点派出应急排水车2辆, 共计18辆;向1—9号积水点分别派出1辆运输设备车辆;向1、2号, 3、4号, 7、8号分别派出3辆医疗车辆, 向5、6、9号积水点派出3辆医疗车辆;向1、2号与3、4号附近派出1辆应急通信车辆, 向5、6、7号附近派出1辆应急通信车辆, 向8、9号附近派出1辆应急通信车辆。
本研究中的推演是人与内涝灾害的博弈过程, 因此设计了如图5所示的博弈过程。
4 城市内涝灾害应急救援兵棋推演模型构建
4.1 推演模型构建
依据上述敌我双方分析, 设定为我方“进攻”, 即排除积水, 若某个积水点先排除积水, 则转向附近为完成积水清除任务的积水点继续排除积水 ;敌方“进攻”, 即积水面积扩大, 造成损失, 随着我方“进攻”, 将减少积水面积, 当积水面积为零时, 敌方“阵亡”, 若我方“进攻”不能控制积水面积扩大, 则我方任务失败。因此, 通过态势分析, 如果坚信敌方能够战胜我方, 即应急失败, 则以一个更大的概率选择自己的作战行动1, 为了更好的反映这一点, 为分支分配概率为0.7。反之, 如果发现我方作战行动1无法战胜敌方, 则采取作战行动2, 即我方能够战胜敌方, 敌方将以更低概率选择己方作战行动, 此时分配概率为0.5。当得到推演各分支概率后, 各分支所产生的结果 (效益值) 标记“A”、“B”等符号。利用决策树方法, 并依据上述分析结果, 综合构建城市内涝灾害应急救援过程兵棋推演决策树模型, 具体结果如图6所示。其中, 清除成功、未损失代表本次推演成功;清除成功、损失代表虽然清除积水成功, 但造成了损失;清除失败、损失代表道路积水清除失败, 且造成损失;清除失败、未损失代表由于方案本身无法完成道路积水清除, 但道路积水并没有造成损失。
图5 作战博弈过程
4.2 推演分析
以上述的分析过程与构建的城市内涝灾害应急救援过程兵棋推演决策树模型为基础, 可以得到双方各种不同的对战结果概率, 完整的决策树如图7所示, 具体推演可视化结果如图8所示。
通过对城市内涝灾害应急救援过程兵棋推演决策树结果来看, 可以得到以下结果:
(1) 从推演结果来看, 我方行动1推演结果 (清除成功、未损失) 的收益值普遍低于我方行动2推演 (清除成功、未损失) 结果收益值, 说明我方行动2成功完成道路积水应急救援的概率相对较高。
(2) 我方行动1推演结果 (清除成功、损失;清除失败、损失) 的收益值普遍高于我方行动2推演 (清除成功、损失;清除失败、损失) 结果收益值, 说明我方行动1所采取的方案无法满足本次应急救援需要, 可能导致失败的概率较大。
图6 决策树构建
图7 完整决策树推演结果
图8 道路积水模拟与应急救援推演可视化
(3) 我方行动1推演结果 (清除失败、未损失) 的收益值普遍高于我方行动2推演 (清除失败、未损失) 结果收益值。清除失败、未损失结果产生的原因是内涝灾害虽发生, 且清除未成功, 但不一定造成损失。此种情况产生的收益值在两种行动方案中都相对较低, 说明在我方行动2推演过程中该种情况出现的概率相对较低, 而在我方行动1中出现的概率相对较高, 说明我方行动1的方案制定无法满足本次内涝灾害应急救援。
5 结论
本文将兵棋推演方法引入到城市内涝灾害应急救援过程, 通过构建基于决策树的城市内涝灾害应急救援兵棋推演模型, 实现了人与自然灾害的博弈过程, 为城市内涝灾害应急救援研究提供了新的思路。
(1) 通过推演模拟发现, 研究中制定的我方行动1虽能完成内涝灾害应急救援, 但造成损失的概率也非常高。
(2) 我方行动2完成内涝灾害应急救援、且造成损失的概率很小的可能性较大, 失败的概率相对较低。因此, 采取方案2 (我方行动2) 对实现城市内涝灾害应急救援将是我方的最好选择。
城市内涝灾害应急救援兵棋推演过程是一个复杂的过程, 是由政府部门为主导, 大量工作人员参与的推演过程, 在本研究中仅设置了我方应急救援车辆的数量、敌方道路积水的变化情况, 在推演过程中仅以处置时间为标准, 并未对具体的应急救援能力进行计算与设置, 因此, 在推演结果中可能存在精度上的差异。在未来的研究工作中将通过咨询更多的专家和政府部门, 获取更多的推演信息及更为详细的推演规则, 以构建更为合理的城市灾害救援减灾能力评价模型与方法, 为实现更精确的城市内涝灾害应急救援兵棋推演提供数据支撑。研究中的城市暴雨计算、内涝数值模拟以及兵棋地图都是针对哈尔滨市道里区的, 若想移植到其他城市, 还需针对具体的研究区重新进行规划和设计。
水利水电技术
水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。