河北省城市内涝仿真模拟预警系统研制——以石家庄市为例

李 婷，魏 军，俞海洋，孙玉龙

（河北省气象灾害防御中心，050021，石家庄）

河北省城市内涝仿真模拟预警系统研制
——以石家庄市为例

李 婷，魏 军，俞海洋，孙玉龙

（河北省气象灾害防御中心，050021，石家庄）

河北省城市内涝风险评估预警能力较为薄弱，以石家庄市为试点，基于暴雨内涝仿真模型建立河北省城市内涝气象风险监测预警系统。采用立体直观的实景三维形式将内涝灾害风险等级划分为四级，根据不同承载体对预警阈值进行设定。2015年8月30日石家庄市城区暴雨，积水资料与系统模拟的16个积水点中水深绝对误差值在0.2 m以下的共占94％，与实测水深较为一致，模拟效果有效。此外计算该等级降水重现期，绘制不同历史重现期的城区淹没水深分布图，为暴雨内涝风险评估提供技术支撑，为政府部门快速决策提供参考。

内涝灾害；模拟；预警；重现期

大气环流的异常调整及热岛效应对温度场的改变会引起局地气候变化，从而影响降雨的时空分布和暴雨发生概率，当极端强降水或长历时强降雨超过城市排水能力时会产生内涝。当今城市快速发展，土地利用类型和水工设施繁多，同时管网升级改造或排水运行规则的改变也会直接影响积水情况。近年来河北省城市屡遭暴雨，引发严重内涝灾害，各市均有发生。据不完全统计，仅廊坊一地2000—2012年共发生24次内涝灾害，直接经济损失近20亿元。同时城市交通、通信、水电等生命线工程之间联系紧密，内涝灾害易造成连锁反应（如城市内涝可造成车辆被淹、地铁停运，设施被毁，人员被困），如何提升城市内涝灾害风险预警能力已成重要议题。

国外对城市内涝的研究成果可借鉴，如美国SWMM和STORM模型、英国WALLINFORD等模型。而国内天津市暴雨沥涝仿真模型也已应用于30多个城市，通过对地面产汇流过程的数值模拟，实时监测城区积水并进行风险分析。目前对城市内涝的气象服务多限于提供雨量实况信息及预报信息，尚未形成成熟的内涝风险预警业务系统。本文对河北省内涝灾害风险预警现状进行分析，以石家庄市为试点，通过获取高精度地理信息、引进国内先进模型、整合气象系统雨量及数值预报产品等方式，构建首个河北省城市内涝风险监测预警系统，为快速决策和应急管理提供切实依据。

一、河北省城市内涝灾害风险预警能力现状

河北省城市内涝风险预警工作初步开展，各地市气象部门已对现有暴雨公式进行修订和完善，并且开展城市内涝风险普查工作，但河北城市内涝风险评估预警能力还较为薄弱：①基础信息有待完善，数据共享机制亟须建立。目前资料种类繁多，涉及单位众多，资料整合复杂且缺乏统一标准，经梳理，内涝基础信息资料涉及12个单位及部门，资料种类近30种，数据格式近100种。信息共享实现较少，且存在收取资料加工费、资料涉密限用等问题。②监测系统尚未建立，精细化数值预报产品支撑仍需加强。城区气象监测站点密度较低，经测算，观测站密度应达到1～3 km一个观测站，但目前全省地市区平均8.2 km一个观测站，且多为单要素雨量站，受地形、人为因素影响大，数据质量难以控制，跨部门监测数据缺少统一的标准与管理。此外各地市区面积普遍较小，数值产品空间分辨率应达到 1～3 km，刷新频率应达到 15 min，但目前能达要求的仅QPF、inca两种产品。③业务有待整合，集约化的业务系统仍需完善。受限于技术、人员、资金，各项目大多处于研究阶段，尚未形成较成熟的城市内涝风险预警业务及系统，但随着内涝问题的严重，各级政府及相关部门越来越重视，建立一套准确及时的城市内涝风险评估与预警系统势在必行。为全面提升河北省城市内涝风险预警能力，整合现有人力、数据、技术资源，以石家庄市为试点，依托精细化格网预报，利用仿真模型，建立河北省城市内涝风险预警系统。

图1 石家庄市二环区域内网格划分图

二、系统组成与模型方法

河北省城市内涝气象风险监测预警系统利用自动雨量监测处理、数值天气预报、雷达雨量估算、城市内涝仿真模拟及数据库技术，以GIS为支撑平台，利用仿真模型模拟内涝实现预警。模型以城市地表与明渠河道水流运动为模拟对象，以平面二维非恒定流的基本方程为骨架，针对小于离散网格尺度的排水渠涌或河道，采用一维明渠非恒定流方程算法（略），结合石家庄市的地形及排水特征，对地形进行概化，将民心河、世纪公园作为一级河道，划分为若干河道型网格，将水上公园、长安公园划分为湖泊型网格，平安公园、元南公园和丁香园园内的湖泊因尺度小而忽略，其余根据街道与河流的走向以及建筑物分布划分成四到六边形等不规则网格。图1为石家庄二环内的网格划分图，共分为河道型、湖泊型、陆地型网格，网格共计3 218个，通道7 093条，节点3 876个。模型在降雨边界条件处理上，采用实时降水信息和数值预报结果，动态再现或预测灾害演变过程，此外，在排水管网系统上实现了地面与地下管网水体相结合的模拟计算，使精度进一步提高。

三、系统应用——以石家庄市为例

1.研究区概况

石家庄市地处河北省西南部，属太行山山前冲洪积平原，形态较为单一，市内地势平坦，高差不大，不利于防洪排涝。降水受大气环流和地形影响，年降水量75％～80％集中在夏季，短时强降水是引发市区内涝的直接因素。城市下垫面硬覆盖增加，且排水系统难以满足发展要求，这是关键因素。

石家庄市易积水点多达40余处，包括29处路口及地道桥、11处路段。结合所购置的地理信息范围，内涝模型主要研究区域为二环以内，涉及长安区、桥西区、裕华区、新华区等4个主城区，面积共计110 km2。

2.业务流程

系统业务运行界面包括实况监测、预警预报、内涝灾情管理、服务制作发布和系统管理等。业务流程：①监测预报。包括多元雨量监测，实况水深模拟，城市内涝灾情监测，不同分辨率数值预报产品适用。②内涝评估。读取格点化数值预报产品，通过内涝模型生成不同实效的评估结果。③风险预警。根据风险阈值，生成内涝风险产品，提醒不同服务对象根据风险预警等级采取对应响应行动。

3.产品形式

河北省城市内涝气象风险监测预警系统可提供以下预警产品：①主城区实况警报，达到或超过某一水深值的地点位置。②主城区风险预警，以积水深度作为评估参考值。③易积涝点实况警报，积水深度实时变化。④易积涝点风险预警，以易积涝点相邻最近的雨量站点降水量作为评估参考值。

在产品输出形式上与河北省第三测绘院合作，其目前主推的城市实景三维数据具有真实性强、分辨率高及可视性好等特点，因此结合城市实际建筑，基于实景三维数据，可直观有效地反映城市积水情况。图2a、图2b分别为2015年8月30日暴雨导致市区裕华路与体育大街交口和石家庄站的内涝积水模拟实景，可清晰看到高架桥、地道桥及普通道路淹水情况。

4.内涝等级划分

在日常业务中，系统启动条件：当预报员预报12 h内中雨以上降水过程或自动雨量站出现10 mm/h的降水即开始启动仿真系统。本文将石家庄市内涝灾害风险等级划分为四级——有一定风险、风险较高、风险高和风险很高，并根据不同承载体对系统预警阈值进行设定，见表1。

5.2015 年8月30日积水模拟与分析

2015年8月下旬受北方冷涡影响，华北地区有分散性强降水，并伴有强对流天气。8月30日，高空低涡南移，冷空气南下，石家庄市低层湿度和能量条件充足，08—13时，城区遭遇大到暴雨，历时5 h，该时段累计降雨量最高达到73 mm（烈士陵园），降水过程主要集中在10—11时。根据城区自动雨量站（14个）和部分水文站（4个）监测数据，同时结合雷达估测降水QPE资料采用曲面插值方法，得到面雨量分布情况（图3），此次降水主要落区为市内中部地区，约45～75 mm/h，中西部降水强度最大，石家庄内涝积水路段主要集中在体育大街东岗路至中山路路段、塔北路、槐安路与建华大街交口、裕华路万象天成附近，平均积水深度在20～30 cm。应用本系统对此次内涝过程进行模拟，积水模拟及积水实况如图4，由图可见体育南大街、中华南大街和裕华西路、中山路段的模拟积水区域与实际积涝点大多相同，由于人工搜集实际积涝点数量有限，因此模拟得到的积涝网格数比实际积水点多。

通过排水管理处提供的积水实测资料，对系统模拟得到的积水深度进行验证，见表2。其中有7处的水深绝对误差在0.1 m以下 （包括0.1 m），占16个积水点的44％；有8处的水深误差介于0.1～0.2 m之间，约占50％，因此误差值在0.2 m以下的共占94％，与实测水深较为一致，模拟结果实际有效。此外有1处水深误差大于0.2 m，体育中山路口（0.1 m）地势相对平坦，但由于修建地铁，存在低洼地段，而网格高程并未反映出该特殊路段，因此模拟水深较低。对于此种情况，可通过记录水位，用水位和实际地形之差求得水深值，从而消除网格平均高程与实际地形之间的误差所造成的误差。

6.历史重现期

根据降水等级出现的概率P，计算该等级降水的重现期T=1/P，即该等级降水出现概率的倒数，代入内涝仿真系统进行模拟，按照石家庄城市建设和排水系统状况，得到不同历史重现期的一小时降水数据，重现期为1、10、20和50年的一小时降水数据分别为12.3、60.3、69.0和79.5 mm，并绘制了不同历史重现期的石家庄城区淹没水深分布图，见图5。可以看出，一年一遇降水的积水点数量较少（图5a），积水深度较低，大多在0.3 m以下，明显低于10年一遇的积水分布（图5b）。10年一遇降水的积水深度主要在1.0 m以下，个别地点超过1 m。10年以上一遇降水的积水主要集中在体育大街中山路至槐安路段、和平路二院及附近地道桥、维明大街和友谊北大街路段，积水深度多在0.5 m以上，因此该路段为易积水区，应加强防范措施。

图2 内涝积水实景三维形式

四、结论与讨论

表1 不同易损性承灾体灾害风险等级划分标准

通过对河北省城市内涝风险预警工作现状分析，发现河北省城市内涝风险评估预警能力较为薄弱，基础信息有待完善，部门间信息共享机制亟须建立；监测系统尚未建立，精细化数值预报产品支撑仍需加强；业务有待整合，集约化业务系统仍需完善。

为全面提升河北省城市内涝风险评估与预警能力，应用城市内涝仿

真模型，构建了首个河北省城市内涝气象风险监测预警系统，并通过石家庄市二环区域验证，本系统的模拟结果有效可靠。但是作为面向全省用户的业务系统，仍需在应用中不断完善：评估精度仍需提高，由于缺乏城市排水管网信息及积水灾情信息，系统的部分参数和致灾阈值需进一步调整；项目实用性需加强，要做好项目的推广与对接，不断完善系统的实用性；面向的服务对象不同，城市内涝的服务产品仍需丰富，例如基于智能手机定位功能的预警推送、智能内涝灾情收集、城市内涝风险区划产品的自动输出等；常态化工作机制有待建立，不间断地进行灾情监控及定期参数调整。 ■

表2 2015年8月30日积水点验证情况（单位：m）

图38 月30日10—11时面雨量实况

图4 积水模拟及积水实况

图5 不同历史重现期的石家庄市区淹没水深分布情况（a、b、c、d重现期分别为1年、10年、20年、50年）

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责任编辑 李建章

Simulation warning system of urban waterlogging in hebei province——a case study of Shijiazhuang//

Li Ting，Wei Jun，Yu Haiyang，Sun Yulong

The urban waterlogging risk assessment and warning capability in Hebei Province was weak.Taking Shijiazhuang as a pilot，urban waterlogging simulation model was applied to establish the urban waterlogging meteorological risk monitoring and warning system of Hebei province based on the fine grid forecast.The system applied 3D data，disaster risk was classified into four levels，and warning threshold was set according to different carriers.There was a heavy precipitation happed on August 30th，2015 in Shijiazhuang.In the 16 waterlogging points，the water depth absolute error below 0.2m was 94％，that was consistent with the measured water depth.It turned out that the simulation results was serviceable.The return period of different precipitation gradeswasrevealed，anddifferenthistoricalreturnperiodsofurbanwaterloggingdepthdistributionof Shijiazhuang was finished，which could provide technical support for the waterlogging risk assessment，and reference for rapid decision-making of government department.

waterlogging disaster；simulation；warning；return period

P426.626

A

1000-1123（2016）10-0011-04

2016-05-04

李婷，助理工程师，主要从事气象灾害防御技术研究。

河北省气象事业发展“十二五”规划河北省农村气象灾害防御与农业气象服务工程（2016023889）。