濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)研究

孫 甜 ，郭 磊 ，舒全英 ，朱 燦 ，習(xí)雪飛

（1.浙江大禹信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310002；2.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

在我國(guó)，濱海平原大多處于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、地理位置優(yōu)越的地區(qū)，并且由于湖泊和河流縱橫交錯(cuò)，使該地區(qū)的河網(wǎng)水系變得十分復(fù)雜，同時(shí)，較低的地勢(shì)條件，使得洪澇災(zāi)害更易發(fā)生[1]。受潮水的影響，如果在洪澇期，當(dāng)?shù)亟邓蛏嫌蝸硭疅o法及時(shí)排出，再遭遇下游高潮位時(shí)，湖泊或河道中蓄積的洪水便會(huì)發(fā)生漫堤，進(jìn)而造成洪澇災(zāi)害[2]。針對(duì)濱海平原河網(wǎng)地區(qū)而言，近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，下墊面狀況發(fā)生改變，表現(xiàn)在城鎮(zhèn)不透水面積增加，致使城鎮(zhèn)產(chǎn)匯流特性發(fā)生變化，產(chǎn)匯流時(shí)間縮短、產(chǎn)流量增加等諸多原因均增大城鎮(zhèn)洪澇的風(fēng)險(xiǎn)；而且由于雨水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏低，受河道頂托影響，導(dǎo)致泄水不暢也加重了城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外在城市暴雨洪澇預(yù)警預(yù)報(bào)及綜合管理等方面取得了一系列研究成果[3]。其中較具代表性的是美國(guó)環(huán)保署（EPA）開發(fā)的SWMM模型，現(xiàn)已被國(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛應(yīng)用于洪澇過程計(jì)算[4-5]。劉俊等[6]首次引進(jìn)該模型，進(jìn)行天津市區(qū)二級(jí)河道的排澇模擬。叢翔宇等[7]研究了城市立交橋的暴雨積水過程，并分析雨水口堵塞50%時(shí)的道路積水情況。朱程浩等[8]基于SWMM模型建立西安市灃西新城區(qū)洪澇模型，開展洪澇過程及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。徐冰等[9]構(gòu)建基于SWMM管網(wǎng)和地面二維積水的城市內(nèi)澇模擬模型，分析福州省晉安河周邊城市內(nèi)澇成因及應(yīng)對(duì)策略。雖然當(dāng)前基于SWMM模型的研究在洪澇過程計(jì)算方面成果豐富，但洪澇過程轉(zhuǎn)換為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的較少；以歷史過程模擬為主，缺乏系統(tǒng)平臺(tái)支撐，不能快速實(shí)現(xiàn)在線預(yù)警預(yù)報(bào)。

本文選取典型的濱海城鎮(zhèn)地區(qū)—溫州市鹿城區(qū)作為研究對(duì)象。鹿城區(qū)地處東南沿海，北面位于甌江下游，是溫州市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。區(qū)域內(nèi)經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)暴雨、強(qiáng)對(duì)流暴雨的襲擊，并且易受甌江潮水的頂托作用。臺(tái)風(fēng)是影響鹿城區(qū)最大的氣象災(zāi)害之一，當(dāng)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過境時(shí)，基本面臨風(fēng)、暴、潮三碰頭，導(dǎo)致洪澇災(zāi)害嚴(yán)重[10]。鑒于此，結(jié)合實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)和降雨預(yù)報(bào)，通過構(gòu)建暴雨洪水管理模型（SWMM）、管網(wǎng)—地表淺流模型耦合的洪澇預(yù)報(bào)模型，建立濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水雨情、工情等信息的快速查詢，在SWMM模型、洪澇預(yù)報(bào)模型集成的基礎(chǔ)上，及時(shí)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)、道路預(yù)警和洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為水災(zāi)害防御調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，有效地減少洪澇災(zāi)害造成的損失。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體技術(shù)路線

濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)基于GIS、SWMM模型、洪澇預(yù)報(bào)模型實(shí)現(xiàn)道路洪澇預(yù)警、洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等功能；同時(shí)整合水文信息、工情信息、備汛信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水雨情查詢、工情信息查詢、備汛信息查詢等功能，為水災(zāi)害防御提供有效的服務(wù)?？傮w技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)平原河網(wǎng)城鎮(zhèn)開發(fā)的平原河網(wǎng)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)主要功能模塊包括以下6個(gè)：地圖操作模塊、信息查詢和數(shù)據(jù)模塊、洪水預(yù)報(bào)模塊、淹沒分析模塊、災(zāi)情評(píng)估模塊以及防洪調(diào)度模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 地圖操作模塊

該模塊基于電子地圖，按照點(diǎn)、線、面等矢量數(shù)據(jù)格式組織各個(gè)圖層，并對(duì)不同圖層進(jìn)行疊加顯示，實(shí)現(xiàn)圖形的縮放、量測(cè)等操作功能。

2.2.2 信息查詢和數(shù)據(jù)管理模塊

信息查詢?cè)贕IS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、展示、分類統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的添加、刪除與修改等功能。數(shù)據(jù)包括水雨情數(shù)據(jù)、河道數(shù)據(jù)、工情調(diào)查數(shù)據(jù)、水文調(diào)查數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口情況的調(diào)查數(shù)據(jù)等。

2.2.3 洪水預(yù)報(bào)模塊

該模塊能夠根據(jù)雨量和蒸發(fā)等數(shù)據(jù)，結(jié)合管網(wǎng)、河道斷面、高程等信息，通過降雨徑流—雨污管流—洪澇預(yù)報(bào)模型，計(jì)算不同階段管流的水位、壓強(qiáng)、流速、流量等參數(shù)的變化情況，預(yù)測(cè)確定地點(diǎn)的水位、流量、洪峰抵達(dá)時(shí)間等數(shù)據(jù)。

2.2.4 淹沒分析模塊

該模塊在洪水預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果下，能提供相應(yīng)的洪水漫溢造成的淹沒范圍、水深等數(shù)據(jù)，為后續(xù)災(zāi)害評(píng)估做準(zhǔn)備。

2.2.5 災(zāi)情評(píng)估模塊

該模塊根據(jù)降雨徑流模型和洪水演進(jìn)模型所得洪災(zāi)時(shí)間、空間分布數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)分布情況，基于GIS平臺(tái)，計(jì)算不同時(shí)段、不同水深下相應(yīng)區(qū)域的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)與人口、財(cái)產(chǎn)損失。

2.2.6 防洪調(diào)度模塊

該模塊基于洪水預(yù)報(bào)計(jì)算、洪澇災(zāi)害評(píng)估計(jì)算等結(jié)果，結(jié)合降雨、水文等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)控的實(shí)際情況，能夠初步實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度方案制定、防洪調(diào)度方案仿真以及防洪預(yù)警的功能。

3 采用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于耦合模型的演進(jìn)技術(shù)

濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害的重要特征在于強(qiáng)降雨容易導(dǎo)致城鎮(zhèn)低洼區(qū)域淹水、雨污排水管井超荷載滿溢以及河道水位上漲發(fā)生漫堤等情況，構(gòu)建地表、管道、河道匯流的耦合模擬計(jì)算模型，以模擬地表徑流、排水管道與河網(wǎng)水系的相互作用機(jī)制。

降雨地面徑流 — 河網(wǎng) — 管道耦合水動(dòng)力學(xué)耦合計(jì)算主要通過邊界計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的水位和流量條件實(shí)現(xiàn)。其中降雨 — 徑流模型計(jì)算所得出的結(jié)果作為雨污排水系統(tǒng)管流和河網(wǎng)非恒定流預(yù)報(bào)模型的匯流邊界條件；同時(shí)，雨污排水系統(tǒng)管流模型計(jì)算得到結(jié)果作為河網(wǎng)非恒定流預(yù)報(bào)模型的匯流條件，雨污排水系統(tǒng)管流計(jì)算通過設(shè)置壓力和流量邊界條件，考慮河網(wǎng)洪水水位上漲發(fā)生頂托或管流淹沒處理的情況。

極端降雨條件下，在發(fā)生雨污排水管滿溢出現(xiàn)地表淺流的情況下，降雨地表徑流模型通過在滿溢區(qū)域計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，考慮雨污管井出入流量的時(shí)間變化過程，在控制方程中通過源項(xiàng)納入計(jì)算過程，獲得其對(duì)地表徑流的影響。當(dāng)河網(wǎng)洪水水位上漲，發(fā)生漫堤時(shí)，采用相同的方法，在坡面和河網(wǎng)邊界面上的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，通過水位、流量的連續(xù)條件進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)地面匯流、管道地面雙重匯流和河網(wǎng)匯流的一體化計(jì)算。

3.2 洪水淹沒動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)

根據(jù)DEM求取給定水位條件下的淹沒區(qū)，從計(jì)算機(jī)算法的角度，無源淹沒處理相對(duì)簡(jiǎn)單，只要沿著由左至右、由上至下的方向遍尋所有網(wǎng)格，將滿足條件的網(wǎng)格找出即可。有源淹沒因需處理迂回連通問題，其算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜一些。經(jīng)過分析采用種子蔓延法進(jìn)行處理。該算法的核心思想是從給定的源點(diǎn)出發(fā)，從平面區(qū)域上沿8個(gè)方向游動(dòng)擴(kuò)散，求取既滿足水位條件又與源點(diǎn)連通的網(wǎng)格集合?？紤]到洪水淹沒的動(dòng)態(tài)模擬，在有源淹沒中設(shè)計(jì)淹沒步數(shù)，實(shí)現(xiàn)雨量由小至大所造成的淹沒演示過程；有源淹沒中淹沒的演進(jìn)是從源點(diǎn)逐漸擴(kuò)散的，因此也是水源流動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬。

3.3 洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是洪澇致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體幾個(gè)方面的綜合函數(shù)，洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的技術(shù)流程包括：指標(biāo)選擇、指標(biāo)量化、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、風(fēng)險(xiǎn)決策、評(píng)估模型等8個(gè)部分。根據(jù)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原理、指標(biāo)選取原則、評(píng)價(jià)方法，建立洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系；通過層次分析法、熵值法、組合權(quán)重法確立評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；按向量歸一化法將各指標(biāo)特征值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)由高到低劃分為5個(gè)等級(jí)，并將各指標(biāo)等級(jí)閾值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；計(jì)算隸屬度矩陣，利用改進(jìn)的模糊優(yōu)選模型進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)分區(qū)的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 洪水預(yù)報(bào)過程展示

系統(tǒng)首先對(duì)方案進(jìn)行設(shè)定，包括洪水場(chǎng)次名稱、預(yù)報(bào)方案名稱、方案開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間等；并根據(jù)設(shè)定時(shí)間的實(shí)測(cè)降雨和預(yù)報(bào)降雨，在降雨徑流過程計(jì)算模塊集成的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)徑流過程的模擬，且計(jì)算結(jié)果能以圖表的形式直觀展現(xiàn)。

根據(jù)降雨徑流過程模擬結(jié)果，并結(jié)合各河道斷面、高程等信息，基于非恒定河網(wǎng)水動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)各河道水位過程的模擬及統(tǒng)計(jì)洪峰水位和峰現(xiàn)時(shí)間，同時(shí)能將計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比。通過設(shè)定不同的預(yù)見期，能滿足在前期降水和未來降水預(yù)報(bào)條件下，對(duì)河道未來水位過程的模擬，為提前采取相應(yīng)的調(diào)度措施提供依據(jù)。

4.2 道路預(yù)警展示

為了反映積水在地面的淹沒和匯流過程，系統(tǒng)集成管網(wǎng) — 地表淺流模型耦合的洪澇預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)遭遇不同暴雨頻率下內(nèi)澇發(fā)生的可能性、淹沒時(shí)間、淹沒范圍以及淹沒深度，展示城鎮(zhèn)建設(shè)用地（地塊）的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)。以道路預(yù)警為例，通過選擇相應(yīng)的預(yù)報(bào)方案，對(duì)道路洪水演進(jìn)過程進(jìn)行計(jì)算分析，展示的道路淹沒水深和范圍。

4.3 洪水風(fēng)險(xiǎn)展示

通過選擇相應(yīng)的洪水場(chǎng)次、預(yù)報(bào)時(shí)刻和方案，依據(jù)系統(tǒng)集成的洪澇預(yù)報(bào)模型，進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)繪制，系統(tǒng)能展示研究區(qū)域的淹沒范圍、淹沒水深，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，為水災(zāi)害防御調(diào)度決策提供預(yù)判依據(jù)，減輕洪澇災(zāi)害。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合地理信息系統(tǒng)，利用分布在流域、城鎮(zhèn)河網(wǎng)和城市排水系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的氣象降水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并依托耦合模型的演進(jìn)技術(shù)和洪水淹沒動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，開發(fā)濱海平原河網(wǎng)地區(qū)城鎮(zhèn)洪澇災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)成果的動(dòng)態(tài)模擬推演及可視化，并應(yīng)用于溫州市鹿城區(qū)，為鹿城區(qū)的水災(zāi)害防御提供技術(shù)支撐。