石家庄市城市内涝气象风险监测预警系统研制及应用

2019-03-18俞海洋胡会芳彭相瑜陈小雷

中国农村水利水电 2019年2期

魏军，俞海洋，胡会芳，彭相瑜，陈小雷

(河北省气象灾害防御中心，石家庄 050021)

频繁发生的城市内涝灾害对城市的运行、管理和安全造成了严重影响，已成为影响城市公共安全的重要因素[1,2]。因此，如何提升城市内涝灾害风险预警服务能力，最大程度地减轻内涝灾害造成的损失，保障人民群众的生命财产安全，促进经济社会科学发展，已经成为加强城市气象灾害防御工作的重要抓手和当务之急。

为减少城市内涝带来的危害，许多欧美发达国家在经验累积的基础上，已研究开发了一些具有不同针对性的水力水文模型，如美国环境保护署研发的雨洪管理模型(SWMM)、英国Wallingford软件公司开发的城市综合流域排水模型(InfoWorks ICM)以及丹麦水资源及水环境研究所研发的MIKE模型软件等，对城市排水系统的数学模拟具有很强的计算功能，在减少城市雨洪灾害及实现雨水管理等方面有着较大贡献[3-6]。国外的诸类模型大多是由流域水文模型改进的确定性模型，具有建模简单、计算方便、理论成熟的特点，但是由于城市汇水区域不同于流域汇水区域，难以精确划分积水区域；其次由于计算过程中无水力联系，无水量交换，不能较好地反映在内涝期间城市地表的流动过程[7]。相较而言，将数值模拟方法用于城市内涝研究，我国虽然起步较晚，但发展迅速。典型代表是中国水科院和天津市气象科学研究所联合研发的天津市暴雨沥涝仿真数学模型[8,9]，该模型以水文-水动力学理论为基础，以城市地表水流运动为研究对象，采用无结构不规则网格对地表进行概化处理，能够动态模拟城市积水分布，极大增强城市内涝监测预警服务能力，多年来已被广泛应用于全国多个城市[10-14]。该模型对地表网格的划分要求较高，需要大量精度较高的基础数据，但由于其物理意义清晰，通过结合GIS技术强大的空间表达能力，更适合于城市内涝的模拟。

石家庄作为河北省省会城市，近年来由于城市化进程不断加快，不透水面积增加，雨水渗透减少，再加上城市排水管网系统设计标准偏低，城市经济和人口的暴露量的逐年增大，每年受到内涝灾害影响较为严重，常常造成很大的经济损失。据统计，石家庄中心城区易积水点多达40余处，最大积水深度达到3 m，最长积水历时20 h，如2015年8月30日、2016年7月19-20日的降水都曾给石家庄市造成大面积内涝灾害。目前，石家庄城市内涝预警服务工作还处于起步阶段，监测预警服务能力较为薄弱，集约化的城市内涝监测预警系统尚未建立[15]。作为城市气象业务工作者，为更好地开展石家庄城市内涝风险预警服务工作，协助城市管理部门做好城市雨水的管理，降低内涝灾害的风险，减少内涝灾害造成的损失，建立城市内涝气象风险监测预警系统具有迫切的实际需求和应用价值。本文充分考虑石家庄市城市防汛工作的特点和需求，基于城市内涝水动力模型，加以集成创新，较完整地构建了集城区多源雨量监测与处理、积水实况动态模拟与预测、易积水点风险预警、数据查询和服务产品制作发布等功能于一体的石家庄市城市内涝气象风险监测预警系统，并在投入实际业务应用中，取得了良好的服务效果。

1 系统总体设计

石家庄市城市内涝气象风险监测预警系统以地理信息系统为支撑平台，依托气象中小尺度监测预报系统，利用暴雨内涝数学模型模拟暴雨内涝灾害，实现内涝灾害的预警。本系统设计成两大子系统，分别是基于C/S的城市内涝数学模型模拟子系统、基于B/S的城市内涝气象监测与预警子系统，见图1。城市内涝数学模型模拟子系统是通过利用石家庄高精度城市地理信息数据、排水工程设施信息及河道地形信息等数据，以城市地表和明渠河道的水流运动作为模拟对象，建立石家庄城市内涝数学仿真模型，实现对暴雨积涝过程进行实时动态模拟。城市内涝气象监测与预警子系统是在提取暴雨内涝数学模型模拟结果的基础上，基于WEBGIS技术开发的可视化内涝监测预警与发布平台，能够实现城区多源雨量监测、实况与预报模拟积水显示、历史数据动态查询与统计、内涝风险预警和服务产品制作发布等功能。

图1 城市内涝监测预警系统功能结构Fig.1 Functional structure of urban waterlogging monitoring and early warning system

2 系统开发技术

2.1 系统架构

本文系统总体上采用云计算架构(见图2)，由下至上依次划分为感知层、基础设施层、开发平台层、数据层和应用展示层5个层次。

图2 系统总体架构Fig.2 Overall architecture of the system

感知层位于系统最底层，为系统实时数据采集提供硬件支撑，主要以自动气象站、交通气象站、水文气象站等实时获取降水数据，利用城市积涝监测站等实时获取积涝区积水深度数据，通过视频监控实时获取内涝灾情数据。基础设施层指的是系统运行环境，通过将系统搭建在河北省气象信息中心资源池中，在资源池中安装了2台Vmware虚拟机，并通过光纤网络连接磁盘阵列存储。平台开发层，主要由Oracle数据库系统、Linux操作系统和GIS平台软件组成，为系统提供软件运行环境。数据层主要由各类数据库及数据访问接口组成，系统数据库主要由基础地理信息数据库、城市交通专题数据库、市政专题数据库、内涝隐患点专题数据库、视频专题数据库、气象专题数据库和信息发布专题数据库组成，数据访问接口主要采用WebService形式提供。应用展示层是系统的核心层，采用Javascript开发，提供基于B/S的城市内涝监测预警显示平台，能够实现雨量监测、积水模拟、风险预警和产品发布等功能，可为城市内涝预警预报服务提供及时、准确及可视的决策支持。

2.2 关键技术

2.2.1 石家庄城市内涝仿真数学模型

(1)模型的数学基础。石家庄城市内涝仿真数学模型运用有限体积法的思想，将气象降水数据作为模型的降水初值和边界条件，以平面二维非恒定流的基本控制方程为骨架，同时针对小于离散网格尺度的排水渠涌或河道，在二维模型中结合了一维明渠非恒定流方程的算法，采用一维非恒定流方程计算地下排水管网内的水流，用连续方程的源汇项控制地下排水管网与地面的水量交换，对漫堤等采用宽顶溢流公式计算水流。其基本控制数学方程如下。

①二维非恒定流基本方程公式为：

(1)

动量方程公式为：

(2)

(3)

式中：H为水深；Z为水位，Z=Z0+H，Z0为底高程；q为源汇项，包括有效降雨量和排水强度2项；M、N分别为x、y方向上的单宽流量，且M=Hu，N=Hv；u和v分别为流速在x、y方向上的分量；n为糙率；g为重力加速度。

②一维非恒定流基本控制方程为：

(4)

式中：Q为截面流量；A为计算断面的过水面积；Sf为摩阻坡降，由曼宁公式可得：

(5)

③宽顶堰溢流公式为：

(6)

式中：Qj为堰顶单宽流量；m为宽顶堰溢流系数；σs为淹没系数；Hj为堰顶上游水位。

(2)内涝模型构建。系统构建的石家庄城市内涝数学模型主要模拟对象为城区地表与明渠河道的水流运动，根据城市下垫面的地形地貌特征，采用无结构不规则网格进行模型计算域概化。网格设计时需要充分考虑城市地形地貌特征和积水区的分布情况，如城市的重点服务区和易积水片区采用较密的网格划分，在城市边郊和不易积水区域采用较为稀疏的网格进行划分，且单一网格内的下垫面属性尽可能相同。同时针对建模区域地道桥、涵洞和暗河较多等情况，在模型网格划分时采用立体多重和分区分层方式对模型加以优化改进。立体多重指在同一平面位置上布设多重网格，解决地道桥、涵洞、暗河等网格单元立体层面的水体汇流和积水问题；分区是指将网格按路网、社区和河网划分，各区自成体系，实现逐区计算；分层是指管网层、地表层与雨量层等独立计算。图3为城市内涝模型积涝计算流程图，其中包含了路网、河网、社区和管网汇流模拟与泵站排水或管网自流3个程序块，应用程序采用Visual Fortran 语言编制。

图3 城市内涝模型计算流程示意Fig.3 Schematic diagram of calculation processes of the urban waterlogging model

改进后的城市内涝模型采用自动雨量站与雷达估算降水(QPE)相结合的方式计算区域实时面雨量，用以作为模型的降雨边界条件；河网层模型以河网和管网之间的水量交换为主要目标，通过改变以往河流单纯汇流、排水和蓄水的功能，以河网的控流、限流和调节为建设条件，建立自排水与泵站抽水相结合的排水计算模式，增加了河网的调控能力；路网层模型主要以立体路网之间、路网与社区之间、路网与管网之间的水量交换为目标，水量交换的方式表现为垂直井汇或涌水、陡坡汇流、社区旁侧分流等；社区层模型主要以社区与路网、社区与管网间的水量交换为目标，水量交换方式主要有社区与管网汇流、整体社区与周边道路水量交换、局部社区水量分布等，将整体模拟与局部模拟相结合。

根据上述网格设计原则，利用高精度城市地理信息数据，最终划分得到建模区域内河道型网格545个，道路型网格3 169个，社区型网格11 055个，见图4。

图4 内涝模型网格划分Fig.4 Waterlogging model grid division

2.2.2 综合开发技术

系统平台以面向服务的体系架构(SOA)方式搭建，前端采用AJAX技术实现数据的局部刷新，后端采用Java开发的Rest服务方式实现数据的发布服务，并集成对跨域资源共享(CORS)的支持，使跨站数据传输更安全，增加系统的可移植性、通用性。通过HTML5的Canvas技术实现积水网格的快速渲染绘制，实现流畅的积水淹没动画播放效果和面雨量色斑图的展示。同时基于动态网页技术、WEBGIS技术、分布式技术、中间件技术等目前B/S系统建设领域较为先进和广泛的系统技术，以天地图公众地图服务为地理支撑平台，通过使用Javascript前端脚本语言实现气象数据与地理数据的叠加展示，实现了电子地图的基本操作及多图层显示，快速的数据浏览及查询分析，雨量、雷达估算降水、数值预报雨量信息显示及城市面雨量数据显示，积水深度和易积水点预报预警显示等功能。数据库使用Microsoft SQL Server 2008，其提供完整的企业级技术与工具，具有使用方便可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点。

3 系统功能实现

石家庄城市内涝气象风险监测预警系统能够较好地实现城市的实时雨量监测、降水数据自动采集、积水模拟与预测、积水点风险预警和服务产品一键式发布等功能，基本满足了城市内涝监测预警服务的业务需求。

3.1 服务端数据采集模块

数据采集程序分为手动运行模式和自动运行模式(见图5)，手动运行模式能够读取任意历史降水过程的自动站、水文站和雷达估测降水的雨量数据，用于开展历史积涝过程的模拟；自动运行模式能够采集实况站点雨量数据、雷达资料、各类数值预报降水数据等，并根据当前资料计算面雨量实况、面雨量预报、城市积水实况、城市积水预报等。

图5 手动运行模式与自动运行模式的数据采集界面Fig.5 Data acquisition interface of manual operation mode and automatic operation mode

3.2 雨量监测显示

雨量监测主要包括石家庄区域气象自动站、交通气象站和水文站的实况降水数据，高时空分辨率的雷达定量降水估测(QPE)资料和精细化数值预报降水数据。同时根据插值方法，能够实时生成面雨量，能够显示不同网格的面雨量信息(见图6)。

图6 自动站雨量及面雨量监测显示Fig.6 Monitoring of automatic station rainfall and surface rainfall

3.3 积水模拟显示

积水模拟包括实况降水积水深度模拟和预报降水积水深度模拟2方面。系统在业务运行时，通过读取当时时刻的前6 h逐小时实况降水数据加未来6 h逐小时的预报数据，按照每30 min运转一次，及时监测预报城区积水变化情况。同时针对重点区域，系统可以给出选择区域积水最大值随时间的变化趋势(见图7)。

图7 道路积水模拟显示Fig.7 Display of the simulated road water logging

3.4 易积涝点预警显示

系统基于实况雨量监测和模型水深模拟结果制定了易积涝点风险预警等级。设定易积涝片(点)的致灾雨量阈值和制定积水深度风险预警阈值(见表1)，当关联的自动雨量站雨量或模拟积水深度超过相应的阈值时，发布城区易积涝片(点)的风险预警，同时提供易涝区(点)详细情况的介绍(见图8)，以利于开展相关气象服务。

表1 积水深度风险预警等级Tab.1 Depth risk warning level of water accumulation

图8 易积涝点风险预警Fig.8 Risk early warning of waterlog

3.5 服务产品制作发布

系统提供了服务产品制作的相关工具，在服务材料的发布上，采用固定的模板，包含了降水历史、小时最大雨强、最大积水深度、积水面积等信息，支持FTP、邮箱、短信、微博等多渠道发布方式(见图9)。

图9 服务产品制作与发布Fig.9 Production and release of service products

3.6 系统设置

系统设置中主要包括用户管理、积水点信息管理和色表管理3个方面。用户管理主要是针对不同的用户，给予不同的使用权限；积水点信息管理主要用于积水片(点)信息的更新以及它们的阈值设定；色表管理主要是对系统出图的网格颜色进行管理。

4 系统应用

2017年7月21日11∶00-12∶00石家庄市区出现一次短时强降水，降水路径自西向东分布，11∶00雨强最高为63.0 mm，出现在市区西部的烈士陵园站，12∶00雨强最高为56.1 mm，出现是市区东部的土贤庄站(见图10)。城区多处地方出现明显积水，部分路段出现断交情况，个别地道桥最大积水深度达到3 m。利用石家庄城市内涝气象风险监测预警系统对此次过程造成的积涝程度进行验证计算，对比分析系统的实际应用效果。

图10 2017年7月21日10∶00-14∶00逐时雨量变化Fig.10 Rainfall changes at 10-14 hours on July 21 in 2017

结果发现，系统能够稳定运行，界面实时显示自动站雨量信息，并根据站点雨量及时生成面雨量，利用城市内涝模型，能够逐时显示城区积水模拟分布。此外，通过石家庄市排水管理处提供的10处重点路段和2个地道桥的实测积水资料，对模型计算的最大积水深度精度进行验证，见表2。由表2可知，针对此次降水过程，石家庄市排水处提供的12处城区积水片(点)在模型中都有所体现，不存在漏报情况；实测积水深度与模拟最大水深的误差绝对值在0.3 m以内(包括0.3 m)有9处，占全部积水片(点)的75.0%，其中绝对误差小于0.1 m的有4处，占全部的33.3%，总体上模拟结果与实际情况相符；有2处绝对误差超过1 m，均集中在地道桥积水模拟上，可能与地道桥周边泵站及闸门是否按时开启有关，需对其相对应的模型网格参数进行进一步率定。