天津城市自動(dòng)化積水監(jiān)測及預(yù)警的實(shí)現(xiàn)

段麗瑤，梁 好，侯天宇，張春莉，陳子煊

(1. 天津市氣象臺(tái) 天津300074；2. 天津市突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布中心 天津300074)

0 引 言

天津地處九河下梢，地形低平，夏季強(qiáng)降水經(jīng)常導(dǎo)致城區(qū)大面積積水，給城市交通、行人行車、城市運(yùn)行等帶來極大影響，嚴(yán)重威脅低洼、老舊、危房地段的商業(yè)區(qū)和社區(qū)居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。孫永尚等[1]基于北京的積水自動(dòng)監(jiān)測站網(wǎng)，建立了北京市內(nèi)澇積水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了積水深度信息的實(shí)時(shí)獲取、快速查詢等功能，為政府應(yīng)對城市積澇提供了一手資料；邵鵬飛等[2]采用移動(dòng) GIS和云服務(wù)等技術(shù)，設(shè)計(jì)了具有道路實(shí)時(shí)積水呈現(xiàn)、道路通行告警、汛情實(shí)景圖片、政府信息通告等功能的一體化城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)，為政府和公眾提供服務(wù)。

針對城市積澇的監(jiān)測預(yù)警，天津市也開展了許多研究，解以揚(yáng)等[3]綜合考慮降水量、城市管網(wǎng)、地面高程、下墊面狀況等多種因素建立了城市暴雨內(nèi)澇數(shù)學(xué)模型，并在全國30多個(gè)省市進(jìn)行推廣應(yīng)用；陳靖等[4]在前期研究的基礎(chǔ)上，開展了更深入的研究，建立了天津市典型區(qū)域立體多重城市內(nèi)澇模型，開展典型區(qū)域的城市積澇預(yù)測預(yù)警。但由于天津城市積水監(jiān)測自動(dòng)化水平較低，數(shù)據(jù)精細(xì)化程度不夠，難以滿足城市積澇監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警和服務(wù)的需求，需要盡快建立自動(dòng)化程度高、能快速進(jìn)行積水?dāng)?shù)據(jù)采集和處理的城市積水監(jiān)測站網(wǎng)，以及基于位置信息的天津城市積水監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，更好地為政府和社會(huì)公眾提供服務(wù)，更好地避災(zāi)避險(xiǎn)。

1 城市積水監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)

1.1 研發(fā)積水監(jiān)測設(shè)備

積水監(jiān)測傳感器的原理：采用薄膜式壓力傳感器，將水底的壓力與外部環(huán)境的氣壓進(jìn)行比較，將薄膜產(chǎn)生的微小形變通過精密放大電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的積水深度信息采集。如圖 1所示，作者所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自主研發(fā)出一種新型的積水監(jiān)測設(shè)備，將設(shè)備安裝在道路兩邊的路燈桿或監(jiān)控桿內(nèi)部，在路肩處與地面平行開孔放入壓力傳感器，當(dāng)路面出現(xiàn)積水時(shí)，傳感器就可以通過接觸積水監(jiān)測積水深度，再將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)回傳至服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)積水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)上傳。

圖1 積水監(jiān)測傳感器(下)及傳感探頭(上)Fig.1 Water accumulation monitoring sensor(lower)and sensor probe(upper)

1.2 建設(shè)城市積水監(jiān)測站網(wǎng)

天津市氣象局于2014年通過開展城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)普查，確定了天津城區(qū)140個(gè)易積水路段。2018年入汛前項(xiàng)目組聯(lián)合各街道辦事處走訪調(diào)查積水隱患點(diǎn)及積水監(jiān)測設(shè)備的安裝條件，在中心城區(qū)地鐵站周邊安裝20個(gè)積水監(jiān)測站點(diǎn)，覆蓋重點(diǎn)積水地區(qū)、商圈、大型居民區(qū)等人員密集區(qū)。

20個(gè)積水監(jiān)測站于 2018年 6月前建成并投入使用，2018年汛期成功監(jiān)測積水實(shí)況數(shù)據(jù)，形成逐5min(可自定義采集頻率，最小間隔 1min)積水深度采集數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集和傳輸質(zhì)量經(jīng)人工現(xiàn)場檢驗(yàn)，測量誤差在1%范圍內(nèi)。2019年又安裝了150個(gè)積水監(jiān)測站點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了中心城區(qū)易積水點(diǎn)的監(jiān)測站點(diǎn)全覆蓋。

2 城市積水監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺(tái)

如圖2所示，基于Web GIS技術(shù)，采用B/S、C/S混合架構(gòu)設(shè)計(jì)，建成天津城市積水監(jiān)測及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警推送系統(tǒng)，包括設(shè)備通信管理子系統(tǒng)、積水深度預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)支撐子系統(tǒng)、積水監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。在 PC端實(shí)現(xiàn)積水深度和降雨量的監(jiān)測、精細(xì)化降雨量預(yù)報(bào)、雷達(dá)資料等數(shù)據(jù)的充分融合，滿足業(yè)務(wù)人員分析和處理數(shù)據(jù)的需求?？稍诰€管理積水檢測設(shè)備運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)測所有積水監(jiān)測站點(diǎn)的積水深度并預(yù)測未來一小時(shí)積水深度，繪制積水點(diǎn)積水深度變化曲線及城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警色斑圖。提供內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警功能，可查詢內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

圖2 城市自動(dòng)化積水監(jiān)測預(yù)警服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.2 Overall structure of urban automatic water accumulation monitoring and early warning service platform

3 基于位置的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警推送

建立了移動(dòng)端基于位置的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警推送系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 4個(gè)子模塊：積水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警處理子模塊、地理信息匹配子模塊、網(wǎng)格化數(shù)據(jù)子模塊、移動(dòng)端預(yù)警推送子模塊，實(shí)現(xiàn)了基于移動(dòng)端的城市積水實(shí)況監(jiān)測以及內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品自動(dòng)加工，通過移動(dòng)端可實(shí)時(shí)查詢天津中心城區(qū)精確到街道和社區(qū)的網(wǎng)格化的積水深度實(shí)況以及未來一小時(shí)的積水預(yù)測信息，并向用戶實(shí)時(shí)推送基于位置的積水實(shí)況和預(yù)警服務(wù)產(chǎn)品。

4 結(jié) 論

天津城市自動(dòng)化積水監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)建成后，可向天津市政府及相關(guān)部門提供降水和積水監(jiān)測預(yù)測信息，從而提升政府和相關(guān)部門城市內(nèi)澇災(zāi)害的防御能力和應(yīng)急處置效率。系統(tǒng)功能及作用如下：

①通過建立天津城市自動(dòng)化積水監(jiān)測站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)積水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)上傳，其自動(dòng)化程度高，極大提升了天津城區(qū)積水監(jiān)測能力。

②實(shí)現(xiàn)了基于位置的城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警推送，提高了城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)能力；提供基于位置的積水實(shí)況信息和未來一小時(shí)積水預(yù)測預(yù)警信息，為政府決策、相關(guān)部門及時(shí)排水提供了決策依據(jù)，也便于公眾出行及時(shí)了解最新積水情況。