济南城市防汛预警决策支持系统研究

贾 超 ， 徐帮树 ，韩永军 ，王俊胜 ，程晓陶 ，李 娜 ，王 静

（1.山东大学，250061，济南；2.山东省济南市市政公用事业局，250000，济南；3.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

一、研究背景

随着城市化进程的不断推进，洪水对城市的影响作用日益严重，进行城市防洪预警决策的信息化建设日益受到人们的重视。济南作为全国重点防汛城市对此也有迫切需要。

济南市区南靠群山，北临黄河，地势南高北低，北面的黄河是地上河，防洪大坝高出市区20多m，大致呈朝东开口的浅盆地形，从南到北由中低山过渡到低山丘陵。

由于其独特的地形、地貌、气候等特点，济南城市洪水主要有以下特点：

年内洪水高度集中在汛期，汛期降水占全年降水的70%～80%。汛期降水也高度集中，常集中在几场大暴雨中。暴雨强度大，一般历时较短，且暴雨中心常由西到东。

洪水陡涨陡落，历时短，源短流急。发生大暴雨时，洪峰常在2～3h内发生，一般暴雨峰现时间也只有4～5h。

流域面积小（小清河黄台桥之上流域面积323km2），汇流历时短（预见期短），为了提前做好防洪准备，要求的预报精度相当高、难度相当大。

城市下垫面条件特殊，属于半山区性城市，不同于一般的平原城市，特别是市区从南向北比降大，例如从旅游路到小清河段，长度7.5 km，高差达到了132 m；舜耕路从二环南路到经七路，长度5.3 km，高差达到 105 m；英雄山路从二环南路至北园大街，长度10 km，高差达到95 m，因此暴雨后洪水流速很快。也不同于纯山区城市（例如重庆等），一般而言山区城市都有一个较好的排洪途径，不易产生涝灾。而济南市的排洪出路只有一条，即小清河。且由于小清河（平原河流，城区部分河道比降大约为1/8 000，治理前河宽只有50m左右，治理后主河槽80～90 m）泄洪能力非常有限，发生大暴雨后城市北部由于洪水排泄不畅，常发生涝灾。治理后河道的下泄能力将会有一定改善。但由于长年蓄水，特别是汛期蓄水，对防洪将会产生一定影响，如果调度不科学合理，将会产生更大灾害。因此，小清河景观河道运行后，汛期洪水调度问题将变得更为复杂。

城市下垫面条件特殊的另一方面是城区硬化面积发展快，且占总流域面积的比例相当大（约1/3），径流条件近几十年来发生了较大变化，资料的一致性方面还显困难。不仅要用陆地水文的研究方法，也要用城市水文的研究方法。

历史上，济南曾发生过1987年8月26日城市洪水。近期，如2007年7月18日15时10分起，济南市自北向南发生了一次强降雨过程，截至19日早6时，整个降雨过程全市平均降雨82.3mm，其中市区142.2mm，全市超过100mm的降雨点多达40个。突然袭击的特大暴雨洪水，给济南市带来特大灾害,全市直接经济损失12.3亿元。

济南城市防汛预警决策支持系统的建成有效提高了济南城市防汛信息化水平，系统通过监测站点数据和气象预报数据或输入任意降雨强度和降雨时间可以模拟计算济南市城区主要道路、易积水点、铁路立交、主要河道在未来时间段内的洪水流速、流向、流量、积水深度等指标，并能进行灾情信息的预警和发布，可以为防汛预警提供技术支持。

二、济南城市防汛预警决策支持系统研究

1.系统总体设计

系统平台设计依据“层服务模型思想”，利用分层原理，根据信息表达类型、应用范围、使用层面的不同，将平台的数据和应用资源划分为不同的层次。通过层次划分，每一层实现一种相对独立的功能，这样可将庞大的共享平台分解为若干逻辑平台，这些平台的定义将降低平台的复杂度，为信息共享平台的设计和建设提供清晰的接口，降低信息共享平台建设的难度，为共享平台的建设提供了较好的规范蓝本。系统总体设计如图1所示。

2.仿真模型结构及运行方式

本系统的仿真模型由数据前处理、主体计算模块和计算结果后处理三部分组成。根据不同的功能要求，模型可以分为三种不同的运行方式，即验证计算、实时监测计算和预报计算，如图2所示。

三、济南城市防汛预警决策系统主要展示界面

系统平台是整个系统进行直观展示及进行人机对话的重要部分，平台利用GIS技术集成防洪工程、实时水雨情、城区积水、预警分析等信息，提供直观、准确的信息展示服务和技术支持。

其主界面包括对文件的操作，基本图层的查询，水情、雨情、工情实时信息的接收及展示，积水情况的模拟，汛情的预警等功能。其中水情、雨情实时信息的展示可以按河道单站、多站、水库等以曲线及图表的形式进行展示。

本系统的核心部分为积水情况的模拟计算，可以进行预案查询，根据测站传输数据进行计算的实测模拟及采用气象部门发布的降雨情况的预报模拟，并可以进行局部降雨的非均匀降雨的模拟计算，计算结果可以曲线、图表及动态过程显示。

根据计算模拟的结果，参照给定的预警界限指标，系统可以进行相应4色预警的发布与终止。

本系统的另外一大特色是提供了汛情简报的自动生成功能，无须人工干预，只需进行相关项的选择。该简报包括雨情、水情、道路积水情况、主要低洼地段积水情况、建议启动的预警级别等，可以为快速决策提供技术依据。

图1 济南城市防汛预警决策系统总体设计

图2 模型的运行控制方式

四、系统应用

本系统开发完成后，进行了大量的济南历史城市洪水的模拟分析以进行参数的率定，并以济南市2007年7月18日暴雨为算例进行了系统的考证工作，结果表明该系统的总体趋势性结果与实际情况比较吻合，但局部地区的水位结果偏小，尚有一定差距，需要后期工作继续进行校正。系统精度取决于两方面因素，一是硬件问题，简单说就是能供系统直接使用的监测站点的数量有多少，通过监测站点传输的数据可以认为是准确的，系统接收到的站点数据越多，通过系统分析后得出的结果就越准确，因此监测站点建设越多对系统的精度越好，但遗憾的是，建设大量的监测站点需要投入的经费也就越多，因此，实际上不可能为提高系统精度而无限建设大量站点。系统精度的另一个影响因素取决于软因素，最为重要的就是模型参数的准确程度，而水文模型参数是一个随机性非常大的因素，并且受外部条件的影响非常大，比如城市下垫面情况受城市建设情况的影响极为显著，获得较为准确的参数需要较长时间的测试、观测、调整、率定。因此要使得系统具有较好的精度是一个长期的过程。另外，模型网格的误差等因素对系统精度也有一定影响，因此需要后期不断进行各种因素的调整及修正，使得它的精度不断提高，最终达到令人满意的效果。

目前该系统已投入到济南城市防汛预警决策的应用中，并对2009年5月9日的城市暴雨进行了预测和计算，计算结果与实测调查资料进行了对比，计算结果与实际情况较为吻合。

[1]贾超，李术才，曹升乐，等.济南城市防洪现状及对策分析 [J].灾害学,2009，24（1）.

[2]张书亮，曾巧玲，姜永发，等.GIS支持下的城市暴雨积水计算的可视化[J].水利学报，2004，12.

[3]金菊良，魏一鸣，付强.城市防洪规划方案的综合评价模型[J].水利学报，2002（11）.