《Environmental Modelling & Software》：Development of a web-based tool for rapid flood inundation modeling
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Web洪水建模工具开发及实践：基于LISFLOOD-FP的自动化流程与云服务部署，实现密苏里河流域四次洪水事件快速模拟，降低用户门槛并促进及时风险应对。
肖大伟|袁斌杰|郭正旭|杨万洪|江景超|陈敏|吕国安|刘俊志
兰州大学地球与环境科学学院，中国兰州730000
摘要
为应对全球气候变化下日益增长的洪水风险，管理机构需要洪水淹没模型来支持决策和应急响应。然而，传统的基于桌面的建模过程仍然复杂且耗时，使得用户难以进行快速的洪水模拟。为了克服这一限制，本研究基于LISFLOOD-FP模型开发了一个基于网络的快速洪水建模工具。建模过程中的每个关键步骤——如数据准备、预处理、模型运行和校准以及后处理——都被封装成一个自动化的可执行工作流。这些工作流被部署在服务器上，并作为网络服务发布，可以通过基于网络的界面调用，从而显著简化了建模过程。通过对密苏里河上游流域的四个洪水事件进行模拟，展示了该工具的能力。这个用户友好的基于网络的工具使用户能够快速进行洪水淹没建模，从而降低了使用门槛，并有助于及时减轻洪水风险。
引言
最近的研究表明，全球气候变化加剧了短期极端降雨事件（King等人，2023年；Martel等人，2021年；Moustakis等人，2021年；Rounce等人，2023年；Wasko等人，2021年）。结合人类活动导致的土地利用变化，全球洪水风险正在增加，可能影响任何地区或河流，包括以前被认为风险较低的地区（Abbass等人，2022年；Cea和Costabile，2022年；Huang等人，2018年；Li等人，2023年；Wasko等人，2023年）。例如，最近的研究报告指出，在过去40年中，干旱和半干旱地区的洪水发生率呈现显著上升趋势（Rana和Suryanarayana，2021年；Yin等人，2023年）。鉴于全球洪水灾害的频率、强度和空间模式的变化，越来越多的洪水管理机构和公众需要利用洪水模型来快速应对突发洪水事件。为了应对这些挑战，必须使洪水管理者能够快速进行洪水淹没建模和模拟，从而为早期预防和快速响应提供科学依据。
然而，大多数洪水淹没模型最初是作为桌面或命令行软件开发的；例如，LISFLOOD-FP通常是通过命令行执行的。使用这些模型通常需要较高的学习曲线，使其难以使用（Alam等人，2021年；Rajib等人，2016年）。一方面，这些模型的建模程序繁琐且耗时。例如，用户需要提前安装这些模型（有时需要从源代码编译），收集特定研究区域的原始数据，将数据预处理成符合模型输入要求的格式，并对关键洪水输出（如淹没范围和出流流量）进行后处理和可视化。实施这些程序通常需要专业知识、专用工具和编码技能。此外，将这些程序高效地适应和重用于不同的研究区域也具有挑战性。另一方面，利用全球范围内的开放获取数据源可以为不同地区提供灵活和快速的建模能力。然而，现有的洪水淹没模型缺乏集成这些开放获取数据的开放接口，使得难以有效利用这些宝贵的数据资源。上述因素阻碍了管理者和公众进行快速建模和应对突发洪水事件。此外，复杂的建模过程也阻碍了在可能受影响的流域中利用洪水模型进行洪水知识和教育。
随着互联网技术的快速发展，云计算和网络服务等创新为提升洪水淹没模型的服务能力提供了新的机会。通过将关键建模步骤封装成自动化工作流，将其部署在云端，并作为网络服务发布，建模过程变得显著简化且易于使用。用户友好的、可互操作的在线界面允许用户通过网页浏览器访问模型，避免了繁琐的建模程序。此外，丰富的开放获取数据资源为广泛分布的易受灾流域提供了快速洪水建模的潜在机会，提高了效率和可访问性。一些机构基于上述技术开发了全球或区域性的在线洪水预警系统。例如，由哥白尼应急管理服务（CEMS）运营的全球洪水预警系统（GloFAS）利用LISFLOOD模型，空间分辨率为0.05°，提供全球范围内的连续洪水监测和预警（Prudhomme等人，2024年）。同样，基于LISFLOOD模型的欧洲洪水预警系统（EFAS）为欧洲国家提供3至10天的洪水预警（Matthews等人，2022年）。其他值得注意的系统包括美国的洪水位置和模拟水文图（FLASH）（Gourley等人，2017年）、东南亚突发洪水预警系统（SEAFFGS）（Thu Phuong等人，2022年）以及英国的洪水检查系统。这些在线平台旨在为特定国家或地区提供洪水预警和淹没信息服务。然而，这些系统缺乏允许用户积极参与建模和模拟过程的交互式工具。用户只能被动接收洪水预报信息。
为了支持定制化的洪水模拟，一些研究人员开发了在线洪水模拟系统。例如，SWATShare系统（Rajib等人，2016年）提供了一个在线平台，用于共享、调用和可视化SWAT模型，以促进协作研究和教育。Hu和Demir（2021年）开发了一种基于最近排水高度（HAND）方法的基于网络的、近乎实时的洪水淹没范围预测方法。Xiao等人（2019年）和Zeng等人（2021年）设计了WEB-SWMM在线应用程序系统，为城市雨水管理提供实时计算服务。此外，一些研究为不同的洪水分析工具和模型开发了易于访问的在线平台，在一定程度上降低了洪水分析和模拟的学习曲线（Aye等人，2016年；Brendel等人，2019年；Erazo Ramirez等人，2022年；Gan等人，2020年；Habib等人，2012年；Souffront Alcantara等人，2019年；Tavares da Costa等人，2019年）。这些平台提供了用户参与在线建模的交互式工具。然而，这些平台上的洪水或淹没模型没有明确考虑河流与洪泛区之间的水交换，限制了它们准确模拟淹没动态的能力。
除了快速洪水建模和响应之外，最近的研究指出，“大多数现有的混合地球表面系统建模（ESSM）研究主要集中在模型级别的集成上。”然而，“ESSM的生命周期更为全面，通常包括五个不可或缺的阶段”，即问题定义和情境化；数据准备和处理；模型开发和集成；模型评估和优化；以及模型模拟和应用（Chen等人，2023年）。在这种背景下，将这些阶段封装为可重用的基于云的服务，是迈向下一代智能建模的先驱和基础步骤。
在本文中，据我们所知，我们开发了第一个在在线环境中实现的基于网络的快速洪水建模工具，该工具基于广泛使用的LISFLOOD-FP模型。为了使工具易于使用，我们首先将每个关键建模步骤（如数据准备、预处理、模型运行和校准以及后处理）封装成一个自动化的可执行工作流。然后，这些工作流被部署在服务器上，并作为网络服务发布，可以通过基于网络的界面调用，从而显著简化了建模过程。这使得用户能够在全球任何地区快速进行洪水淹没建模和模拟，前提是具备必要的数据，从而降低了使用门槛，并有助于及时减轻洪水风险。这些能力也为整个生命周期的下一代智能洪水建模提供了必要的基础设施。
方法
LISFLOOD-FP模型是一种基于网格的洪水淹没模型，广泛用于从流域到大陆尺度的洪水模拟（Liu等人，2019年；Neal等人，2012a；Sampson等人，2012年；Shaw等人，2021年；Shustikova等人，2019年）。通过以子网格分辨率明确表示河流通道，LISFLOOD-FP能够高精度地捕捉河流与洪泛区之间的双向水交换过程。
总结与讨论
本研究开发了一个基于网络的洪水建模工具，使洪水管理者和公众能够快速进行洪水淹没模拟。只要具备必要的数据，该工具就可以支持全球任何地区的快速洪水模拟。通过对密苏里河流域一个关键区域的2019年3月洪水事件进行成功模拟，证明了该工具能够有效捕捉实际场景下的淹没范围和流量。
作者贡献声明
江景超：方法论。杨万洪：写作——审稿与编辑、验证、方法论。郭正旭：软件、方法论、概念化。吕国安：写作——审稿与编辑、资源。陈敏：写作——审稿与编辑、资源、概念化。袁斌杰：软件、方法论、概念化。肖大伟：写作——初稿、可视化、验证、软件、方法论、数据管理、概念化。刘俊志：写作——审稿与编辑、软件。
未引用参考文献
Stoker和Miller，2022a；Stoker和Miller，2022b。
编辑利益冲突声明
鉴于刘俊志和陈敏担任环境建模与软件编辑的角色，他们没有参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的编辑过程全部由期刊主编Daniel P. Ames负责。
代码可用性
本研究中使用的源代码可在以下链接公开获取：
资助
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42171132和U23A2010）、甘肃省自然科学基金（23JRRA1033）以及中央高校基本科研业务费（资助编号：lzujbky-2022-ey08和lzujbky-2023-eyt01）的资助。利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：刘俊志报告获得了国家自然科学基金的财政支持；刘俊志报告获得了甘肃省科技部门的财政支持；刘俊志报告获得了中华人民共和国教育部的财政支持。如果有其他作者，他们也声明了这些支持。致谢
作者衷心感谢匿名审稿人和期刊编辑提出的宝贵建议，这些建议有助于提高本文的质量。
