城市内涝决策支持系统的研究及展望

卢健涛，侯贵兵，李媛媛，陈俊贤，薛娇

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州510611)

随着经济社会快速发展，城镇化快速推进，人类活动对下垫面、产汇流特性产生重要影响，在全球气候变化背景下，人口、财富的高度集中使得洪涝灾害日趋严重。据不完全统计，中国60% 以上的城市正遭受不同程度内涝的侵害，城市内涝灾害成为影响中国公共安全的突出问题和制约经济社会可持续发展的重要因素。

城市产生内涝是因为强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害，究其成因不止是内涝自身，也与城市发展、排涝系统等有着密切的关系。城镇化的快速发展，改变了城市局部小气候，城市雨(热)岛、阻碍、凝结核效应明显，加大了降雨强度和降雨时长；城市建设改变了原有的下垫面条件，造成流域产汇流速度加快、蓄滞水能力减弱，城市洪峰洪量成倍增加，涨洪历时缩短，加大了对城市防洪安全的威胁。城市的排涝系统一般由大小排水系统组成，小排水系统汇集城市道路、住宅建筑的降水排水，将其汇集到城市雨水排涝泵站；大排水系统将小排水系统汇集的雨水通过湖泊、洼地等调蓄后经排涝沟渠排至外江。由于历史原因，城市的扩展大多是在旧城的基础上扩大，旧城区的地下管网系统普遍存在管径规模不够、设施老化等问题；而新城区的管网又需要与老管网相接，复杂的管网仅能小幅度地提升城市排涝能力；同时城市建设大幅侵占了排涝沟渠，降低了排涝能力。为了解决城市内涝问题，相关部门一直致力于采取工程措施与非工程措施相结合的方式做好城市排水及暴雨内涝防治设施建设工作。其中，工程措施主要通过修筑蓄水、挡水、排水工程的方式构建海绵城市来治理城市内涝问题，从目前来看，海绵城市的建设有利于解决城市内涝问题，但受经济等多方面因素制约对已建城区实施大范围海绵城市建设存在困难；非工程措施作为工程措施的补充和提升，通过水文和洪水预报系统、防洪治涝指挥调度系统、内涝风险灾害评估、推行洪水保险和灾后救助管理、开展防洪治涝知识培训等一系列手段进一步提高城市综合治涝能力，特别是随着遥感监测、信息传输、系统分析、人工智能等计算机技术的发展，近些年来城市内涝决策支持系统越来越多地运用于城市防洪除涝科学决策和管理。

本文在整理近20 a来相关文献的基础上，系统梳理了城市内涝决策支持系统的研究现状与应用情况，分析了目前城市内涝决策支持系统的研究所存在的问题，并且对未来进行了展望。

1 城市内涝决策支持系统的研究现状

近年来，依托信息技术、计算技术的快速发展，国内外城市防洪排涝信息化建设取得了长足发展，在水文预报、水工程调度、排涝决策等方面成果显著，构建集信息采集、内涝模拟、智能调度、决策服务于一体的城市内涝决策支持平台成为提升城市洪涝监测预警与应急管理能力的有效途径。国内外相关研究主要聚焦在多源信息汇集与融合、城市内涝模拟、决策支持系统研发等方面。

1.1 多源信息汇集与融合

城市内涝涉及暴雨洪涝立体监测数据以及多部门互联互通信息，多源数据的快速汇集和融合处理对于城市防洪治涝决策具有重要的意义。国内外在水利领域的多源信息汇集与融合技术研究主要集中在水资源评价、水文监测、水雨情信息汇集与快速处理等方向。

Chang等[1]通过运用多源和多尺度遥感数据的融合技术，对城市地区的水资源可用性进行评价，可以更好地支持区域的可持续规划；Mohamed等[2]利用遥感数据融合技术，并结合地理信息系统对埃及的基纳谷(Qena Valley)进行了地下水潜力区的划分；Rokni等[3]提出了一种基于像素级图像融合和图像分类技术相结合的地表水变化监测新方法，可以生成锐化的多光谱图像，同时突出变化的区域，并提供高准确度的结果; 姜仁贵等[4]针对防汛雨水情应用存在的多源数据难以集成、应用单一以及表现力不足等特点，采用组件式软件开发技术、框架技术及三维仿真等现代信息技术，设计并开发了面向水利防汛的组件式雨水情应用集成平台，在多源数据集成的基础上实现雨水情应用集成；李继园等[5]结合水利信息聚合应用特点，分析了解决该问题的空间数据密集和并行计算、快速检索与传输等几个关键支撑技术，通过对现有系统集成和应用模式的剖析，在理论上提出了该运行框架的初步设计，为水利遥感数据中心的建设提供了参考和建议；李兰等[6]从构建多用途流域分布式水文模型的标准化、模块化需求出发，自主研发了基于海量数字化信息和气象水文监测数据等多源数据融合前处理系统；严栋飞等[7]针对当前水利信息化中存在的数据集成难、多源信息难以融合应用、实时性不足、利用率低等问题，提出通过以综合集成平台为支撑，将数据信息融合、信息应用功能组件化，在各组件之间通过数据流连接，灵活、快速地使用数据集成功能，将多源信息进行融合，为整合信息应用提供服务。

1.2 城市内涝模拟

城市内涝积水模拟是一个复杂的时空模拟问题，且城市化水文效应、下垫面条件复杂以及河湖蓄泄洪条件带来的不确定性，进一步增加了城市区域的暴雨积水模拟难度。城市内涝积水模拟概括起来有水文学、水力学以及水文水力学模型耦合3种方法。

水文学方法发展得较早，它利用水量平衡原理，依据流域系统输入、输出的实测资料分析流域的产汇流特性，利用模型预报或计算一次暴雨积水过程。水文学模型的核心模块是流域的产汇流计算，用降雨、流域下垫面参数作为输入条件，以流域汇流作为输出，具有方法简单、应用方便、计算速度快的优点。最早研究关于城市水文学是在1851年摩尔凡尼[8]提出了计算洪峰流量的合理化公式。1857年Bidder、Hawksley与Bazalgette在关于伦敦Sevoy大街排水管道中的暴雨研究中发现75 min降雨25.4 mm，这是最早研究径流的经验方法[9]。到1967年以后，城市水文学得到了较快的发展，防洪、排水、供水和水质控制等城市水文学模型的提出逐渐形成了一些具有城市水文特点的分析方法[10]。传统的城市雨水内涝计算模型主要是在经典水文学模型的基础上建立起来的，国外比较著名的模型有美国陆军工程兵团水文学中心开发的STORM暴雨模型，美国环保局的SWMM-Storm雨水管理模型，英国环境部WALLINGFORD模型以及伊利诺城市排水区域模拟模型(ILLUDAS)等[11]。国内在城市内涝模拟方面的研究起步较晚，主要模型有城市雨水径流模型(CSYJM)、城市雨水管道计算模型(SSCM)、新安江模型以及陕北模型等[12]。这些模型已经在城市化流域排水系统的规划、设计和评价方面取得了良好的应用效果。但随着城市化的进程加快、暴雨内涝频繁发生、经济损失成倍增加等因素使得管理部门对洪涝要素要求越来越细，在防洪治涝中更加关注易涝区域范围、马路行洪、局部地区洪水流速等详细信息。

随着计算机技术的发展，城市洪水模拟的水力学方法逐渐发展起来。Mark等[13]建立了城市道路与管网耦合的一维水动力学模型，成功模拟了地表一维汇流过程；冯良记等[14]通过引入Preissmann窄缝假定，实现了一维管网内明满过渡流的同时模拟；耿艳芬[12]应用有限体积法和有限差分法相结合的离散方法构建了城市复杂计算区域二维水动力学模型，并采用经验公式等将地表径流和地下排水管网连接构建了一、二维城市雨洪模型，较好地模拟了城市暴雨内涝的非恒定流过程。从已有研究成果看，一维水动力学模型主要用来模拟城市河网、管网水流运动规律，比较常用的求解方法有特征线法、分裂算子法、有限体积法等，具有计算速度快、输入资料要求少等优点，但只能表征流动的线性特征；二维水动力学模型主要用来模拟马路行洪、广场、公园等具有二维特征的区域，比较常用的求解方法有有限单元法、有限体积法等，可以提供流速、流向、水位、蓄水量等更丰富的信息，存在计算速度慢、输入资料要求高、不能对水工建筑物进行精确计算等缺点[15]。为了充分发挥一、二维水动力学模型各自的特色和优势，解决分别使用时存在的计算效率、空间分辨率、计算精度等问题，国内外先后开发了一、二维水动力耦合模型。国外比较成功的如SOBEK、XP-SWMM、LISFLOOD和MIKE FLOOD等模型[16]。此外，Lan等[17]基于THRM模型，将地表径流模拟与下垫面径流模拟相结合，实现了一维与二维水动力过程的耦合。国内针对一、二维水动力耦合模型的研究比较广泛。范玉燕等[18]将SWMM模型与基于有限体积法的二维水动力学模型进行耦合，建立了基于北京市排水小区的一、二维耦合的水动力学模型，证实了海绵措施能改善内涝积水情况并间接提高排水标准。马天海等[19]基于MIKE模型系统建立了一维河网与二维湖泊水动力耦合模型，较好地模拟了阳澄湖及外部河网的水位过程。罗海婉等[20]以SWMM为一维模型基础，采用动态链接库文件(DLL)方法耦合二维水动力模型，表明了模型在一维排水系统的排水能力与二维地表积水的模拟中均具有较好的精度和可靠性，对城市洪涝模拟分析有较好的应用价值。

水文学、水力学2种方法各有优缺点，且具有互补性，随着技术的进步，将2种方法耦合起来又发展成了水文水动力学方法[21]。将水文学模型和一、二维水动力学模型耦合后，模型系统可以模拟城市产流、汇流过程，分析区域分洪对河道、管网水位的影响，以及河道、管网水位变化对城市积水的影响，提高模拟精度和可靠性，中国水利水电科学院研发的城市洪涝仿真模型耦合水文学，一、二维水动力学模型，使城市洪涝模拟具有较高的精度和可靠性[22]。刘家宏等[23]提出了城市水文水动力耦合模型的总体框架，兼顾地表产汇流的水文学机制和管网汇流及地表淹没的水动力学机制，使模拟结果更为精细。

1.3 城市内涝决策支持系统研发

国外城市内涝系统研发起步较早，1971年美国就开发了暴雨洪水管理模型(SWMM)[24]。而后随着技术的发展更新，WebGIS[25]与RIA[26]技术被用于城市内涝系统的结果查询显示和分析预警方面。

中国城市内涝决策支持系统的设计研究起步相对较晚，20世纪80年代中期学者们对决策支持系统在水资源、防洪排涝等方面的设计研究陆续开展起来，清华大学翁文斌等[27]在研究京津唐水资源规划决策支持系统中取得了良好的结果，使得决策支持系统在水库调度决策中得到了推广应用。而后，邢毅等[28]研究了基于多媒体地理信息系统(GIS)的城市防洪除涝决策支持系统，该系统包含了多媒体信息、防洪除涝规划、气象信息、水情雨情检索、洪涝灾害预报、灾害损失评估、防灾减灾对策、数据信息管理等8个子系统，并且设计了人机交互界面，使系统操作更为简便，提升了计算结果的可视性。余学谦[29]提出了基于“4D”的城市防涝减灾决策支持系统，该系统使用“4D”的矢栅一体化空间数据库技术，相较于GIS技术提高了生产效率，同时系统支持实时排涝调度决策功能，能够辅助决策长远的排涝规划。张运才[30]使用网络通讯、GIS以及智能决策等先进技术，设计了城区防洪预警与调度决策支持系统，此系统对城区的河道、雨水口、排污口、积水点等关键位置进行监控，实时采集信息进行城区排涝的综合决策，实现排涝的仿真调度，并且该系统还能够用于小流域洪水预报和城区降雨积水预报。北京清华城市规划设计院整合了排水管网模型，设计了包含在线监测、汛前管理、暴雨应急管理及雨后分析评估等模块的防汛应急系统，使系统能够实现标准化、精细化的全流程管理模式[31]。姜元军等[32]使用ArcGIS二次开发技术，通过物联网智能监控布设，设计了城市内涝预警预报决策支持系统，实现水情监测与泵站的远程控制。在地理信息系统、网络通讯、实时监控、物联网、计算机等技术的大发展背景下，城市内涝决策支持系统的研究设计越来越完善，相比之前的决策更加科学精准，而且涉及的范围更加细致全面。

2 城市内涝决策支持系统的应用

近些年，城市管理越来越重视城市内涝决策支持系统在防洪治涝中的应用，先后有多个城市研发了内涝决策支持系统，取得了较为显著的效果。中国水利水电科学研究院在安庆市实现了城市防洪暨堤防管理系统，能够进行汛情监测，工情、险情、灾情等信息处理，以及防洪调度分析和制定抢险方案[33]。王静等[34]基于GIS技术开发了连云港市城区洪水风险图管理系统，提供了洪水风险图的绘制与分析功能，为连云港市的防洪决策和洪水风险管理提供依据。王浩正[35]设计了镇江市防汛预警和指挥调度系统，为城市排水管理部门汛前防汛预案制定、雨中调度应急指挥、雨后积水问题分析提供了决策依据。陈洋波等[36]以东莞市三防决策支持系统平台为依托，开发了东莞市城市内涝预警预报决策支持系统，实现了对东莞市城区暴雨和内涝的监测、预报以及预警。王辉等[37]吸收引进先进的实时模型技术，利用遥测数据、管网水力模型、气象信息等建立了上海市排水防汛预警预测支持系统，实现了对城市积水的预警预测、排水系统运行状况的预报以及泵站调度的辅助决策。张祖山等[38]基于SWMM模型和Google Earth实现了青岛市降水和积水情况的实时监测和三维可视化显示，提供解决泄洪和分流的方案，为城市规划和防汛决策提供科学依据。张忠义等[39]整合了新一代物联网技术和GPRS技术，优化了武汉市内涝监测预警系统，提高了内涝的预见性，从而提高了城市排水的应急效率。

3 城市内涝决策支持系统研发应用存在的问题

城市内涝决策支持系统取得了长足的发展，但是在研发和应用过程中也发现了一些问题，可以归纳为以下几个方面。

a) 现状内涝监测难以满足城市防洪治涝精细化管理的要求。目前城市内涝监测体系普遍存在监测站点密度过低、监测要素不全、监测频次低、监测体系不完善等问题，部分内涝信息采集仍以人工巡测或人工值守为主，监测数据的精准度、时效性、稳定性和连续性难以支撑业务应用的需求，可能导致城市内涝模拟模型无充分实测资料进行参数率定和模型验证，以至于无法较为精确地模拟实测洪水。

b) 多源数据汇集难度大，信息共享、传递效率不高。随着测报技术的快速发展，卫星遥测、气象雷达、降水监测与预报、水文测报等多源数据汇集难度大，信息共享、传递效率不高，导致内涝决策支持系统感知端运行效率较低。同时，城市防洪内涝涉及气象、水文、水利、交通、住建、电力等多部门，已建城市内涝决策支持系统多数集成了气象、水文、水利实时信息，但缺少交通、住建、电力等其他行业的实时数据，一定程度上影响洪涝灾害分析的可靠性和决策支持的可行性。

c) 城市下垫面、工程建设等信息更新不够及时。中国城市建设处于高速发展阶段，城市下垫面条件、管网工况等情况日新月异，目前已建设的城市内涝决策系统缺乏相关数据的更新维护机制，易导致城市内涝模拟不能准确反映实际情况，影响分析精度。

d) 研究范围有待进一步拓展。目前城市内涝决策系统研究多以单个城市甚至中心片区作为空间范围，主要着眼于城市内部雨洪管理，城市与流域之间洪涝相互作用研究较为少见。从城镇化演进特征、洪涝成因看，流域外洪制约着城市排涝规模，对于城市内涝治理具有较为显著的影响，城市内涝决策系统研究范围有待进一步拓展。

e) 城市内涝模拟模型运行速度有待提高。现有大部分模型对于大型城市区域内涝一、二维耦合计算的运算速度较慢，使用的数值计算方法也还有待优化，如果加入流域计算后，空间尺度和时间尺度的变化将导致模型运算速度更难满足要求。

f) 新技术、新方法应用不足。随着大数据分析、人工智能、物联网等先进信息技术的快速发展，信息采集、传输、处理分析能力等方面都得到了较大的提升，目前城市内涝决策支持系统建设对于这些新技术新方法的融合和应用不足，尚有较大的提升空间。

4 城市内涝决策支持系统研究展望

城市内涝决策支持系统仍然需要不断地深入研究。本文聚焦城市内涝决策支持系统的研发与应用现状，分析了其研发应用中存在的问题，并针对存在的问题进行了以下展望。

a) 完善城市内涝监测监控体系。在整合现有气象、水文、水利等监测站点基础上，充分利用卫星遥感、无人机(船)、定位技术、视频监控、智能终端、图像识别等技术装备和手段，进一步扩大城市内涝感知范围，完善要素监测内容，增强城市防洪排涝智能感知监测，为城市防洪治涝精细化管理提供支撑。

b) 加强城市内涝多源数据汇集方法与融合技术研究。针对城市内涝涉及暴雨洪涝立体监测数据以及多部门互联互通信息，存在着海量、多源、异构、冗余等特点，按照城市内涝决策计算需求，研究多源数据汇集技术，对实时数据进行融合与挖掘，可提高数据的有效性、准确性。

c) 构建城市内涝系统下垫面、工程建设等基础信息更新维护机制。结合城市总体规划、土地利用规划等规划成果以及城市实时建设情况，在城市下垫面条件或者工程情况发生明显变化时及时更新相关基础数据，为城市内涝模拟提供基础支撑。

d) 加强流域、城市洪涝一体化预测预报技术的研究。鉴于城市与流域之间洪涝相互作用较为显著，为尽量降低外洪对城市内涝的影响，未来的研究可将预报范围拓展到流域，在城市防洪排涝调度计算中充分考虑流域外洪的影响，提高城市内涝预报精度和决策效率。

e) 提高城市内涝模拟模型的计算速度。针对目前大型城市区域内涝模拟模型一、二维耦合运算速度过慢，加之耦合流域计算模型更使得模型计算速度难以满足要求，未来需要使用更为先进的数值计算方法进行优化计算，并提升模型的框架结构，从而提升模型整体的计算运行速度。

f) 加强新方法、新技术的应用。加强大数据分析、人工智能、物联网等先进技术在城市内涝决策支持系统建设中的应用，提高洪涝信息监测汇集效率，识别城市洪涝实时信息潜在的规律，为实时决策提供技术支撑。利用人工智能技术结合水文、市政、运筹学、管理学等多种科学的方法，实现防洪排涝决策方案的智能生成，并形成多方案优选的体系，与预报预警有效对接，能够提高应急决策效率，降低应急处置时间。同时，加入专家经验到决策支持系统，并激发专家知识系统进行创造性思维，实现决策支持系统仿生化。