基于強(qiáng)降雨模擬仿真模型的韌性城市探究

文｜中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)/智慧城市聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/中城智慧（北京）城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司/智慧城市（合肥）標(biāo)準(zhǔn)化研究院有限公司 杜青峰 萬(wàn)碧玉 姜棟 李玲玲；中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)/智慧城市聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/智慧城市（合肥）標(biāo)準(zhǔn)化研究院有限公司/佛山市南海區(qū)中城數(shù)字城市促進(jìn)中心 馬蓉；中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)/智慧城市聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/中城智慧（北京）城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司/佛山市南海區(qū)中城數(shù)字城市促進(jìn)中心 陳宇藝；中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)/智慧城市聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/中城智慧（北京）城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 陳慧文

1 韌性城市綜述

《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二 三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中首提“韌性城市”?！巴七M(jìn)以人為核心的新型城鎮(zhèn)化，強(qiáng)化歷史文化保護(hù)、塑造城市風(fēng)貌，加強(qiáng)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造和社區(qū)建設(shè)，增強(qiáng)城市防洪排澇能力，建設(shè)海綿城市、韌性城市?！睆娜颦h(huán)境變化和城市可持續(xù)性科學(xué)領(lǐng)域，城市韌性是研究視角和分析工具。主流的研究是單一的社會(huì)或?yàn)?zāi)害治理，也有強(qiáng)調(diào)物理設(shè)施、忽視人的能動(dòng)性，重災(zāi)后恢復(fù)、輕災(zāi)前預(yù)防等問(wèn)題。

韌性物理學(xué)定義：“回到最初的狀態(tài)”?！绊g性城市”遭受突發(fā)事件時(shí)，能夠自我修復(fù)。韌性城市能夠快速分散風(fēng)險(xiǎn)、自動(dòng)調(diào)整恢復(fù)，從而有效抵御外來(lái)沖擊和減緩內(nèi)部災(zāi)害?？偠灾凇盀?zāi)難”面前，讓城市既能有效防范，又能快速?gòu)?fù)原，這就是“韌性城市”。

城市是人類文明的承載體，城市的韌性發(fā)展已成為疫情和災(zāi)害頻發(fā)的首要問(wèn)題。當(dāng)前四川德陽(yáng)市、湖北黃石市、浙江義烏市，入選全球“100 韌性城市”。韌性城市是具有吸收未來(lái)的對(duì)其社會(huì)，經(jīng)濟(jì)，技術(shù)系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施的沖擊和壓力，仍能維持基本的功能，結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)和特征的城市。[1]建設(shè)安全靈敏的韌性城市也是新型城鎮(zhèn)化試點(diǎn)示范等地區(qū)典型做法。隨著災(zāi)害問(wèn)題和公共衛(wèi)生突發(fā)事件發(fā)生，城市系統(tǒng)屢遭重創(chuàng)，城市居民的生命財(cái)產(chǎn)和相關(guān)人身安全遭到了極大的威脅。韌性城市提供了一種新的系統(tǒng)視角和理論體系以支撐災(zāi)害、突發(fā)事件等潛在擾動(dòng)威脅下的城市的可持續(xù)發(fā)展。

2 城市仿真的技術(shù)方法

根據(jù)《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于深入推進(jìn)城市執(zhí)法體制改革改進(jìn)城市管理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》構(gòu)建智慧城市?！疤剿骷訌?qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施智慧化管理與監(jiān)控服務(wù)，加快市政公用設(shè)施智慧化改造升級(jí)，構(gòu)建城市虛擬仿真系統(tǒng)，強(qiáng)化城鎮(zhèn)重點(diǎn)應(yīng)用工程建設(shè)?！币虼藰?gòu)建城市虛擬仿真系統(tǒng)，提高韌性城市演化機(jī)理和評(píng)估方法，提高城市應(yīng)對(duì)自然、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)環(huán)境中潛在風(fēng)險(xiǎn)和突發(fā)事件的防御、恢復(fù)和適應(yīng)能力。韌性城市智能規(guī)劃正在起步階段，亟需根據(jù)現(xiàn)階段韌性城市發(fā)展需求加快研制基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵共性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，以促進(jìn)城市智慧化建設(shè)、可持續(xù)化發(fā)展。

近年來(lái)，高速發(fā)展的城市化進(jìn)程中，已經(jīng)引起城市水文特性的顯著變化：城市房屋建筑容積率不斷加大，混凝土覆蓋地面的面積增大，雨水滲透減少，雨水排澇與調(diào)蓄功能下降；大多數(shù)城市對(duì)地下設(shè)施開(kāi)發(fā)利用率普遍提高，城市資產(chǎn)高密集，綜合承災(zāi)能力脆弱。

3 韌性城市研究目標(biāo)

仇保興認(rèn)為“從韌性城市的結(jié)構(gòu)韌性、過(guò)程韌性和系統(tǒng)韌性三個(gè)方面，韌性城市有六個(gè)要素，即主體性、多樣性、自治性、冗余、慢變量管理、標(biāo)識(shí)，在堅(jiān)持主體自主能動(dòng)性基礎(chǔ)上，進(jìn)而形成豐富的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，城市的韌性才可以變得越來(lái)越強(qiáng)?！?/p>

通過(guò)模擬仿真，提出城市發(fā)展模型，在城市發(fā)展過(guò)程中獲取同步信息，明確城市規(guī)劃決策的內(nèi)在規(guī)律，作出更明智的決策，優(yōu)化資源配置，可以有效提高結(jié)構(gòu)韌性、過(guò)程韌性和系統(tǒng)韌性。在可持續(xù)發(fā)展時(shí)期對(duì)城市規(guī)劃提出必要的干預(yù)措施，以及公共政策。城市系統(tǒng)優(yōu)化和相關(guān)技術(shù)的更新，可以極大的改善城市的宜居性、交通擁堵、污染等城市問(wèn)題。

基于我國(guó)城市的背景提出研究目標(biāo)研究韌性城市理論基礎(chǔ)及技術(shù)集成，提出跨學(xué)科融合可行的韌性城市理論模型，構(gòu)建綜合量化評(píng)估指標(biāo)體系，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?；诔鞘谐B(tài)與應(yīng)急狀態(tài)韌性城市要素?cái)?shù)據(jù)規(guī)范，形成韌性城市數(shù)字仿真環(huán)境模型，利用城市多源大數(shù)據(jù)及其建模/分析/診斷技術(shù)進(jìn)行韌性城市智能規(guī)劃。最后利用韌性城市信息監(jiān)測(cè)預(yù)警管理基礎(chǔ)平臺(tái)、韌性城市智能模擬預(yù)測(cè)推演平臺(tái)、韌性城市自適應(yīng)規(guī)劃決策平臺(tái)，對(duì)城市主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和災(zāi)害進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)、檢測(cè)預(yù)警、協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，保障城市基礎(chǔ)設(shè)施、規(guī)劃要素從突發(fā)事件發(fā)生到恢復(fù)過(guò)程的適應(yīng)性循環(huán)機(jī)制正常實(shí)施。

4 強(qiáng)降雨模擬仿真模型的韌性城市探究理論

城市空間安全韌性是城市安全可持續(xù)發(fā)展的保障。[2]本模型以水文學(xué)概念為基礎(chǔ)，通過(guò)全區(qū)域大尺度模擬仿真對(duì)研究區(qū)域的主要易澇點(diǎn)進(jìn)行定位，模擬不同降雨條件下城市的內(nèi)澇情況，結(jié)合城市的敏感基礎(chǔ)設(shè)施空間信息，獲取高風(fēng)險(xiǎn)地點(diǎn)的暴雨易澇等級(jí)。在宏觀模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)模擬強(qiáng)降雨在城市高風(fēng)險(xiǎn)和核心區(qū)域的內(nèi)澇發(fā)生規(guī)律，為城市排水和應(yīng)急響應(yīng)提供更為精確的信息。

業(yè)務(wù)上由ArcGIS（或SuperMap）生成相關(guān)數(shù)據(jù)集，在仿真系統(tǒng)水模型與算法上計(jì)算，根據(jù)仿真區(qū)域要求的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)城市水淹等進(jìn)行分析，將相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)在城市仿真系統(tǒng)（CSS）或3DGIS 業(yè)務(wù)平臺(tái)上進(jìn)行可視化展示與業(yè)務(wù)管理。

4.1 強(qiáng)降雨模擬仿真模型建立

依據(jù)為水文學(xué)為基礎(chǔ)的宏觀模擬仿真主要以水量平衡方程建立基礎(chǔ)模型：

P=I+E+Ao+Au+Q

其中降雨量 (P) 等于植被攔截量 (I) 加蒸發(fā)量 (E) 加地表徑流量 (Ao) 加土壤滲透和下水道系統(tǒng)排水量 (Au) 加本地沉降量(Q)。在大暴雨的條件下，徑流條件近乎于絕對(duì)，攔截、蒸發(fā)與土壤滲透的降水量都可假設(shè)為零，在易澇點(diǎn)填滿之前，過(guò)量徑流(Ao) 同樣不會(huì)對(duì)此方程產(chǎn)生影響，因此原方程可以簡(jiǎn)化為P = Au + Q，單位時(shí)間降水量等于單位時(shí)間下水道系統(tǒng)處理量加本地沉降量。

4.2 易澇區(qū)域識(shí)別

通過(guò)實(shí)驗(yàn)用的高分辨率DEM 數(shù)字高程模型 (2m×2m) 和政數(shù)局提供的建筑物覆蓋矢量圖層作為初始數(shù)據(jù)，在ArcGIS 平臺(tái)上，應(yīng)用多種水文分析工具構(gòu)建宏觀模擬模型，識(shí)別出易澇區(qū)域位置。該模型可以計(jì)算出易澇區(qū)域的面積和填充易澇區(qū)域所需的降水量，在其他因素相同的情況下，易澇區(qū)域可容納的降雨量越小，該區(qū)域的建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施受到的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)越大。

經(jīng)過(guò)模型計(jì)算，共識(shí)別出面積不等、風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別各異的易澇區(qū)域?；谂潘O(shè)施可以應(yīng)對(duì)3年一遇至5年一遇強(qiáng)降水的實(shí)際情況，進(jìn)行驗(yàn)證。

4.3 基于CFD 的水環(huán)境仿真建立

結(jié)合CFD 計(jì)算流體計(jì)算、混合云計(jì)算、機(jī)器視覺(jué)、大規(guī)模拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)計(jì)算、認(rèn)知反演、計(jì)算流體分析等跨學(xué)科領(lǐng)域的頂尖能力，基于基本空間數(shù)據(jù)GIS（包括DEM、DOM、3D 建筑物模型）與城市規(guī)劃以及相關(guān)基本數(shù)據(jù)及三維數(shù)據(jù)，根據(jù)所在規(guī)劃區(qū)域的氣象、水文與水務(wù)數(shù)據(jù)等設(shè)定相關(guān)邊界條件，進(jìn)行城市水環(huán)境等仿真。模型的建立使得城市海量多源數(shù)據(jù)的收集、實(shí)時(shí)處理與智能計(jì)算。

求解系統(tǒng)基礎(chǔ)CFD 方程式，求解公式：

（1）質(zhì)量守恒方程式；

（2）動(dòng)量守恒方程式；

（3）能量守恒方程式；

（4）K-epsiron 湍流模型。

經(jīng)過(guò)與歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照，水淹范圍和水淹深度邊界條件限定。

在易澇區(qū)域的基礎(chǔ)上，結(jié)合SS-WE 水環(huán)境仿真模擬軟件中的計(jì)算流體力學(xué)模型，與歷史水浸點(diǎn)數(shù)據(jù)做具體對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估易澇區(qū)域微觀模擬的準(zhǔn)確度。在研究建設(shè)過(guò)程中，選取測(cè)試點(diǎn)周邊的歷史易澇點(diǎn)作為計(jì)算區(qū)域，利用計(jì)算流體力學(xué)模型模擬歷史降雨條件下的內(nèi)澇情況。

5 展望

本研究中仿真技術(shù)廣泛運(yùn)用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、公共服務(wù)及社會(huì)生活等各個(gè)領(lǐng)域，更準(zhǔn)確快捷配置資源、提升城市整體運(yùn)行效率。城市仿真是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。制定措施防范各種風(fēng)險(xiǎn)，保證研究順利實(shí)施。

從城市空間環(huán)境優(yōu)化的角度，韌性城市的實(shí)施具有更加直接的緊迫性和必要性，結(jié)合中國(guó)城市當(dāng)前及今后的發(fā)展需求，從形態(tài)布局，自然環(huán)境，公共設(shè)施，社會(huì)生活4 個(gè)維度提出中國(guó)韌性城市空間規(guī)劃的策略和發(fā)展途徑。[3]城市仿真技術(shù)作為信息技術(shù)中的一種新興技術(shù)，正在逐漸成為幫助城市規(guī)劃和管理的重要手段，它對(duì)于城市規(guī)劃的影響不僅表現(xiàn)在對(duì)城市規(guī)劃所需信息的采集、處理和利用方面，更為重要的是它能夠改變城市規(guī)劃內(nèi)部信息流程和城市規(guī)劃部門與社會(huì)的信息交流與反饋機(jī)制，進(jìn)而對(duì)城市規(guī)劃的管理體制產(chǎn)生積極影響。

重建城市微循環(huán)是建設(shè)韌性城市、加快綠色低碳轉(zhuǎn)型和提升城市宜居與活力的重要途徑，也是城市和規(guī)劃建設(shè)模式變革的未來(lái)趨勢(shì)，這方面的新理念和新技術(shù)應(yīng)當(dāng)在北京率先得到推廣應(yīng)用。[4]在智慧城市與仿真技術(shù)過(guò)程中，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)汶川、廣州佛山南海等數(shù)字城市仿真建設(shè)實(shí)踐，提出實(shí)體城市空間與虛擬城市空間與社會(huì)空間共融互動(dòng)，從人、物理世界的感知、同步搭建智慧設(shè)施以“大平臺(tái)、大數(shù)據(jù)、大應(yīng)用”構(gòu)建數(shù)字孿生的虛擬空間支撐智慧發(fā)展的韌性城市發(fā)展理念。

“以人民為中心和綠色發(fā)展”的新型城鎮(zhèn)化，就必須要考慮韌性城市的建設(shè)問(wèn)題。[5]基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的城市仿真、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字信息化手段，構(gòu)建城市神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感系統(tǒng)，在規(guī)范統(tǒng)一的制度標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建以人為本、跨學(xué)科融合的復(fù)雜城市韌性理論。未來(lái)選擇不同類型城市試點(diǎn)示范，推動(dòng)技術(shù)理論成果、標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)等的規(guī)模化應(yīng)用，提升我國(guó)在城市監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)測(cè)、模擬推演、應(yīng)急防控等領(lǐng)域的技術(shù)支撐和決策能力。