基于区域网格划分的城市积水预警模型构建

王慧军，许映秋，谈英姿， 江冲，李伟

(1.东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189；2. 东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096；3. 中国电信南京公司，江苏 南京 210000)

基于区域网格划分的城市积水预警模型构建

王慧军1，许映秋1，谈英姿2， 江冲3，李伟3

(1.东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189；2. 东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096；3. 中国电信南京公司，江苏 南京 210000)

加强城市灾害的监控和预测是城市防灾减灾工作的一项重要任务。基于对城市区域的网格划分，构建城市积水预警模型；在监测城市降雨量的基础之上，通过模型计算判断城市中可能出现的积水区域，据此可采取相应的预控措施，减少城市灾害带来的损失。

城市；防灾；减灾；灾害预警；积水；网格

城市防灾工作已经受到政府和社会的广泛关注，在灾害发生的初期或者可能发生时，如果能够采取有效的防灾措施或者及时的发布灾害预警信息，可以有效地减少灾害带来的损失，同时为接下来的防灾应急响应工作减轻难度。而防灾预警首先需要解决的问题是如何进行灾害预测、识别，本文提出了一种基于城市区域网格划分的暴雨积水预警模型，在进行降雨量监测的基础上通过模型计算，判断可能出现积水的区域，据此进行城市积水的预警。

1 城市区域网格划分

实现城市积水预警，首先需要对城市区域进行网格划分，并对地表和排水渠道的水流运动建立动力学方程，此过程以二维平面非恒定流方程作为主要的控制方程，以此作为城市积水预警的骨架。同时，为了计算城市中的排水渠道、河流中的水流，可以使用一维非恒定流方程进行模拟计算。

一般情况下，上述两种方程的使用，都是在对所研究的区域进行规则的矩形网格划分或者三角形网格划分后计算。网格可分为结构化(Structured)和非结构化(Unstructured)两类。结构化网格中，每个内部节点都被相同数目的单元所包含；而非结构化网格中，包含每个内部节点的单元数目是不确定的。

到目前为止结构化网格技术发展的相对比较成熟。结构化网格具有很多优点：网格形状规则，单元分布较均匀；数据结构简单，易于实现；可以很容易地实现区域的边界拟合，适于流体和表面应力集中等方面的计算；对曲面或空间的拟合大多采用参数化或样条插值的方法，区域光滑，与实际模型更容易接近。其缺点是适用范围比较窄，只适用于形状规则的几何结构。

与结构化网格的定义相对应，非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元。即与网格划分区域内的不同内点相连的网格数目不同。非结构化网格划分技术能够弥补结构化网格难以解决任意形状和任意连通区域的网格剖分的欠缺。

本文研究的对象是城市积水预警，城市区域内的地形结构复杂，各种建筑物、绿地交错分布，街道与河流错综复杂，城市中的不同设施其参数设定各不相同，这对暴雨的径流分析会产生很大的影响。为了使计算结果更准确，本文采用一种非结构化的网格划分方法，即无结构不规则的网格划分形式，网格结构可用图1表示，城市中的网格根据用地的类型划分为多边形，网格的每一条边定义成通道，通道之间的连接处定义为节点。在计算过程中，以每一个网格为单元，计算该网格内的径流量、排水量以及积水深度。

图1 无结构不规则网格

1.1 网格内水流动力学模型构建

对网格内的区域可以采用二维平面非恒定流方程进行计算，以此模拟计算城市地表的水流运动，对各个通道采用一维非恒定流方程，以此模拟计算城市内排水渠道、河流内的水流运动。城市内的各种堤坝或者地势比较高的地方，可以采用宽顶堰流公式进行模拟计算，模型结构如图2所示。

图2 基于区域网格划分的积水预警模型

1) 二维非恒定流方程是一套水动力学方程，其形式如下：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

其中:H为积水的深度，Z为积水表面的高度即水位，设Z0为积水底部的高度，则有Z=Z0+H；q为水的源汇项，它为雨水的总的流入量，由排水强度和降雨强度两部分组成；M，N分别为x，y两个方向的单宽流量，他们可以表示为M=Hu，N=Hv；u，v为在x和y方向上流速的分量；n为粗糙率；g为重力加速度。

通过控制二维非恒定流方程的源汇项q，可以控制地表的网格单元与地下的排水管道的水量交换。网格单元内的降雨强度形成的径流量用qλ表示，单位为m3/s，其计算公式如式(4)所示：

(4)

其中：Axy为网格单元内不透水区域的面积与网格单元总面积的比例；Rain为网格单元内的降雨量；f(x)为当地的径流系数，一般在城市区域内，可以通过f(x)=0.4+0.4×Axy计算径流系数；Area为该网格的面积。

单位时间内网格内排水管网的最大排水量用qc表示，则：

(5)

其中：R为排水管网中竖井的半径；L为单元网格内设有的排水管的总长度，d为该网格内排水管网设计的排水井之间的平均井距，该参数一般可以从城市的建筑手册中查取，由此可以理解L/d为该单元网格内的排水井的数量；g为重力加速度。

当降雨强度小于排水管最大排水量时，地面将不会产生积水，雨水全部由排水管排出；当降雨强度大于排水管最大排水量时，网格内的积水将以排水管的最大排水量qc进行排水。

2) 一维非恒定流方程：

(6)

其中：Q为排水管或渠道中的截面流量，l为排水管或渠道的长度，A为该排水管或渠道的断面中过水部分的截面面积，Sf为排水管或渠道内的摩阻系数，可以根据式(7)计算得出：

(7)

其中：U为排水管或渠道内的水流的平均速度；n为管道表面的粗糙率；R为水力半径，它是过水断面面积与湿周之间的比值，表达式为R=A/X，湿周为过水断面上水流所湿润的边界长度。

3) 宽顶堰溢流公式的表达式：

(8)

其中：Qj为堰顶部分的流量，m为溢流系数，δs为淹没系数，H为堰顶上部的径流水位。

1.2 地貌地形与排水系统概化

建立某一区域的暴雨积水预警模型，需要考虑该区域的地形地貌特征和排水系统，由于现实情况一般比较复杂，因此需要在对该区域进行网格划分的基础上，对区域内的地貌特征和排水系统进行概化。

本节选取南京市某大学四牌楼校区作为模拟地图，采用无结构不规则网络作为计算单元，将该区域进行网格划分。以道路作为网格的通道，通道与通道之间以节点相连，构建出网络拓扑结构如图3所示，其中图3(a)为该区域的平面图，图3(b)为根据该区域的道路分布结构，在假设排水管路沿道路铺设的基础之上，构建出该区域的排水管道拓扑结构，根据这些排水管道将该区域划分为多个无结构不规则网格，以便进行下一步的计算。

图3 网格拓扑结构

市区的排水系统对降雨时能否产生积水影响很大，一般城市中的地下排水管网排布都非常复杂，城市中基本会沿着每条街道铺设排水管道。考虑到实际情况非常复杂，为了降低计算量，需要将排水管网络进行合理的简化。通过对目标区域进行网格划分，以每条道路建立了拓扑结构，本节通过假设排水管道为沿道路铺设，则将排水管网络与地面的网格拓扑结构结合起来，即网格的通道就是排水管道。对于网格单元内部，设定是否具有排水管道，如果有则按照管道的总长度、平均管径等要素概化。图4为图3所示区域排水管道概化后的结果。从图4中可见，地图中每一条道路可以通过鼠标选择，选择出的对象即为程序内部概化的排水管道(图中黑线标出)，该管道相应的参数在右侧方框内显示。

图4 排水管道概化

降雨时，该区域内的积水以淹没出流的方式经排水管道排入地图右侧的明渠之中。如果河道中的水位高出了排水管道顶部，则会出现倒流的现象。南京在城市多个地区建有泵站，在需要的时刻同时开启，可以将河道内的积水逐级的排出，保证河道内水位保持较低的稳定状态，因此程序中暂未考虑排水管道逆流的现象。

管道内的水流采用一维非恒定流方程进行计算，各网格与排水管之间的积水流动，即方程的源汇项，源汇项由该网格区域的降雨强度和排水强度组成，两者决定排水管对网格区域中雨水的排量。

2 模块实现

对预警区域进行网格划分之后，地图中需要建立的对象有通道、节点和网格。本文采用Java语言，对每一个对象建立一个类，具体有通道类Road、节点类Node、网格类Area。对上述类的定义如图5所示。

图5 网格结构类定义

2.1 模型参数设定

2011年7月中旬，南京20年来最长梅雨季突发“最后一击”，出现当年的最大暴雨。17日南京市区、六合南部地区的降雨量已达100mm以上，暴雨持续四个多小时。暴雨导致城市东、南、西、北交通四处中断，主干道堵成一片，车辆排成长龙，路边一楼店铺进水，纷纷提前关门。栖霞大道、十月广场积水严重，燕山路全线封路。玄武湖隧道中，很多轿车熄火，在闹市区，积水倒灌进地铁站，一些地势低洼的小区住户被淹，部分城南老房的屋顶发生塌陷。大量积水倒灌铁路，导致沪宁城际铁路部分轨道被淹。为确保列车安全运行，铁路部门将部分南京至上海站的列车改为南京南站始发、终到。受强降雨影响，南京市禄口机场航班也因暴雨大面积延误。

本文以南京在2011年7月18日的每小时降雨强度数据为例，进行预警模型的参数设定，图6为7月18日的小时降雨强度。

图6 每小时降雨强度

参考《建筑给排水设计手册》中的排水管道参数，对上文所建的概化模型进行如下参数设定，如表1所示。

表1 模型参数

2.2 模型计算结果

选取7月18日15时进行暴雨积水预警，降雨强度为22mm/h，根据式(4)对当时降雨强度下形成的地表径流进行模拟计算，并通过一维非恒定流方程对各排水管道内流量进行计算，选取图3(b)图中最下方的排水管道，该管道为区域内的最终汇流排水管道，从其中的排水流量分布可初步看出区域内各区段内的管道排水承受能力，流量计算结果如图7所示。

图7 排水管流量时间/距离分布

排水管内的流量在管道中的不同位置和时间的流量分布趋势如图7所示，图中管道距离0表示当前位置为排水管与下游排水管的汇合处。通过将某一网格内形成的地表径流与该处管道的流量计算值进行比较来判断会否产生积水，如果地表径流大于该处排水管内排水流量，则此处将出现积水，如果地表径流小于该处排水管内排水流量，则雨水将全部由排水管排出。本算例计算出该区域内可能产生积水的情况分布如图8所示。

图8 积水区域预测

实际的情况是，每年因暴雨出现积水的区域主要分布于该校校园的西门附近，与本模型预测结果基本相符，但北部的李文正楼附近并无严重积水，模型出现偏差可能与该区域附近的地表渗水参数设定有关，停车场区域为土壤地表，其可渗水量要远大于其他柏油路和砖砌水泥地表。

3 预警信息发布

预警发布是预警模型的最后一个环节，也是一个非常重要的环节，无论是对灾害监测还是识别，其最终目的都是使防灾相关人员和公众接收到灾害的预警，并根据预警信息采取一定的预防措施。

预警发布是结合相关应急预案中的防灾预控措施，形成预警综合信息，通过通讯服务商的通讯网络，以尽可能多的方式将预警综合信息发送至相关接收者和公众，预警发布模块的业务流程如图9所示。

图9 预警发布流程

本文通过总结现有的信息发布方式，简要给出预警信息发布的可用方式及其特点，如表2所示。

表2 预警信息可用发布方式

鉴于预警信息的接收需要得到保障，且需要较强的实效性，本文将通过WEB网络和手机通讯网络来设计预警信息的发布方式。基于WEB网络的应急响应信息发布过程如图10所示，根据相关预案确定系统用户、所属部门以及部门职责关系表，防灾系统的服务器与WEB网络相连，将关系表中的预警信息通过WEB网络和手机通讯网络发送至相应的用户终端，用户收到信息后的反馈则通过网络传输至系统服务器，并对数据库进行更新。

图10 应急响应信息发布流程

4 总结

通过对城市区域进行网格划分的方法，将城市区域以街道为边界构建无结构不规则网格，并采用面向对象的方法设计程序算法，通过水流的动力学方程计算降雨形成的地表径流及渠道、河流中的水流，判断各网格内的降雨及

排水状况，以此生成城市积水的预警信息，最后设计相应的预警信息发布方式，通知相关工作人员及公众采取必要的预控措施，降低积水可能造成的损失。

[1] 杨戈，吴升.城市暴雨积水模拟方法分析及研究[J].测绘信息与工程，2009,34(1).

[2] Li Daming, et tal. Basic theory and mathematical modeling of urban rainstorm water logging[J]. Journal of Hydrodynamics, 2004, 16(1):17-27.

[3] XiaoJieying, ShenYanjun, Ge Jingfeng. Evaluating Urban Expansion and Land Use Change in Shijiazhuang, China by Using GIS and Remote Sensing [J]. Landscape and Urban Planning, 2006(75):69-80.

[4] 陈波，冯光柳.武汉城市强降水内涝仿真模拟系统研制[J].暴雨灾害，2008，27(4):330-3 3.

[5] 房国良，解以扬.上海城市暴雨积涝预警系统研究[J].大气科学研究与应用，2009.2.

[6] 皇甫玥，张京祥.城市规划与城市灾害及其防治[J].国际城市规划，2009.

[7] 董晓峰,等.城市公共安全研究综述[J].城市问题，2007，11: 71-75.

[8] 丁建伟.城市减灾与城市规划[J].灾害学，1993，8(3): 90-94.

[9] 唐裙裙.城市应急管理系统框架模型的研究[D].上海：同济大学，2006.

City Hydrops Forewarning Model Structure Based on City Area Meshing

WANG Hui-jun1, XU Ying-qiu1, TAN Ying-zi2, JIANG Chong3, LI Wei3

(1. Mechanical College of Southeast University, Nanjing 211189, China; 2. Automation College of Southeast University, Nanjing 210096, China;3. China Telecom Nanjing Branch, Nanjing 210000, China)

Strengthening urban disaster monitoring and forecasting is an important task of urban disaster prevention and mitigation. Based on the urban areas meshing, this article builds the urban hydrops forewarning model and then, according to the monitored urban rainfall, analyzes the hydrops areas in the city by the model calculations,so that the appropriate pre-control measures are taken,which can be used to reduce the urban disaster losses.

city; disaster prevention; disaster mitigation; disaster forewarning; hydrops; meshing

江苏省科技支撑计划——工业部分(BE2011175)资助

王慧军(1988-)，男，河南安阳人，硕士研究生，研究方向为工业工程。

TP277.1

B

1671-5276(2014)02-0117-04

2014-01-03