某市雨洪水监测预警系统设计及应用分析

冯 伟，张冬冬

(1.张家口水文水资源勘测局，河北 张家口 075000； 2.河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛 066000)

0 引 言

随着我国经济的不断发展，城镇化进程也在逐步加快，全国各地城市都在征地建房，这也使城市防汛排涝压力及造成的经济损失越来越大，因此做到事前预警迫在眉睫。建立雨洪水预警系统，对于保证居民生命财产安全意义重大，也是目前全球很多城市的基础配套设施之一。

1 项目区概况

本文以河北某市为例，该市位于河北省东北部，面积约为1 208 km2，辖区人口约70万人，境内矿产资源丰富。该市西北部为山区，每年汛期(7-8月份)降雨强度大且汇流迅速，造成河水陡涨，极易使市区街道产生洪涝灾害。为了减少洪灾损失，相关部门在2015年投入超过3.2亿元来建立城市雨洪水监测预警系统，对于指导抗洪抢险、防汛调度等工作有着重要参考价值。

2 SWMM模型地面产流模拟原理分析

SWMM(暴雨洪水管理模型)是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某个单一降水事件或长期水量和水质动态变化模拟。该系统开发于1971年，目前已被广泛应用于城市暴雨洪水、合流式下水道、排污管道等排水系统规划、分析和设计中。

在设计地面产流模型时，根据地面是否透水，将项目区各子块区域简化为不透水区和透水区两类，其中不透水区又分为低洼地和平坦地[1]。每种块区的单位时间产流量Q(m3/h)估算如下：

1) 透水区块产流量Q1计算见式(1)，其中透水区块一般包括公园、绿地等。

(1)

式中：R为降雨强度，mm/h；I为入渗率，mm/h；T为降雨时间，h；S为透水区块总面积，m2。

2) 不透水区低洼地产流量Q2计算见式(2)[2]，其中低洼地包括湖塘、人造蓄水池、自然形成的洼沟等，这些区块入渗量相对于收集量可忽略不计。

(2)

式中：V为低洼地总蓄水量，m3。

3) 不透水平坦地产流量Q3计算见式(3)，主要包括经人工硬化后的地面，这类区域无降水滞蓄能力，产流迅速。

(3)

SWMM模型通过对模拟区域地面结构简化，得到大致降雨过程中的地面产流总量，之后以此为基础来评估、监测、优化城市排水系统。

3 雨水监测预警系统设计及监测数据分析

城市雨水监测预警系统的核心组成是监测模拟单元和预警单元，下面分别对这两个单元的具体设计进行分析[3]。

3.1 雨水监测模拟单元设计

3.1.1 总体监测方案设计

监测点是整个系统前端数据采集的来源，整个前端数据采集系统见图1。目前，该市雨水监测点共23个，远远达不到防汛预警要求。根据该市实际情况，设计再加设100个监测点。

图1 前端数据采集系统组成图

本项目监测方案整体设计是在重要设施、道路、排水管网、积水点、河道汇流等关键点安装雨量计、流量计、水位计等传感器，其测量原理、数据记录、存储、精度等要求见表1[4]。

表1 各监测传感器主要参数

3.1.2 监测点选择设计

监测点位置设计直接影响到对汛期危险程度的预判，因此对不同监测对象必须设计科学合理的监测点。本项目具体监测点设计原则如下：

1) 排水管渠监测点设计。目前，该市大部分区域采用“分流制”雨水管渠排涝系统，本项目设计在排水管渠分区边界、支管与干管连接处、管渠排水口等处安设监测点；针对该市“合流制”雨水管渠排涝系统，将监测点均设计在排水口[5]。本项目排水管渠监测点共新增20处。

2) 河道、湖泊水系监测点设计。针对流经该市所有河道，在河道与排水分区交界面和河道溢流坝上下游30 m处设计监测断面；针对该市湖泊等蓄水系统，在汛期要进行连续监测(数据每间隔10 min记录一次)。本项目新增10处河道、湖泊水系监测点。

3) 城市道路监测点设计。解决城市道路行洪是本次雨水监测预警系统的主要目的之一，针对本市城市道路，将监测点设计在道路坡度较大、汇水面积广、主干道交叉口、道路边沟、进排水口等重点位置(部分见图2)[6]。监测方式为连续监测；每隔5 min记录一次；监测时间从下雨开始，至产流结束。本项目新增25处城市道路监测点。

图2 本项目城市道路监测点(部分)设计

4) 易积水处监测点设计。通过对历史易积水点统计，包括积水深度、范围、时间等等，选取重要区域设置监测点，设计数据每5 min记录一次。本项目新增12处易积水位置监测点。

3.2 雨水监测预警单元设计

该市建立的雨洪水监测预警平台结构具体见图3，主要包括五大模块内容，下面针对几个重要模块设计进行简单分析。

3.2.1 雨情监测分析模块

在该市SWMM系统中，雨量监测过程为前端采集设备将数据实时传输中央处理器，再结合各监测设备空间位置，利用空间算法、GIS地图快速生成市区降雨分布图，可直观反映出各区域降雨强度。同时，排水管渠流量、易涝点现场视频也会传到平台。

3.2.2 汛情实时显示和预警决策支持模块

该市SWMM系统中设计的汛情实时显示模块可提取到：实时水位、降雨量、天气预报、排水管渠系统运行、应急人员物资调动、居民报警等信息，可以实现一个平台监测所有数据。

设计预警决策支持模块，以系统收集到的数据为基础，模拟出雨情、水情等动态变化，之后利用电视广播、短信、微信等发布给广大民众，以显著提高全民自救、避险能力。

3.2.3 防汛物资规划模块

防汛物资规划主要包括物资放置位置、种类、数量等设计，本市防汛物资主要包括皮筏、抽水泵、救生圈，在全市范围内共设计5处储存点，为能及时到达易涝点(10 min内)，均位于地势较低区域。每个点配备5个皮筏、20个救生圈，抽水泵功率及数量设计按照最长2 h退水标准配备。

图3 雨洪水监测预警平台结构示意图

3.3 研究区监测数据分析

3.3.1 暴雨雨峰位置规律分析

通过分析，造成该市洪涝灾害的原因主要是短历时、强降雨，且越靠近市中心，出现频率越高。本文利用芝加哥雨型公式来推算峰前暴雨强度i(t)，公式见式(4)[7]，其中60 min雨型图见图4。

图4 60 min历时该市芝加哥雨型图

由图4可知，暴雨强度在20～25 min时达到峰值，位于降雨前半段，其他历时(30、90和120 min)也符合该规律。

(4)

式中：P为重现期，年；t为峰前降雨历时，h。

3.3.2 排水管渠监测成果分析

本文以2019年7月20日降雨某条位于市中心的排水主干管(管径1.2 m)为分析对象，引入漫溢指数R，计算公式见式(5)，分类见表2。通过分析8个监测点数据，发现R值均大于0.8，说明该干管排水能力不足。经排查,存在管道堵塞问题，疏通后R基本维持在0.7高位，排涝压力依然较大，根本解决方式为铺设分流管。

(5)

3.3.3 易涝点监测成果分析

根据该市易涝点监测数据，可利用SWMM系统估算出积水范围、出现频率、积水原因及解决方案，具体见表3。

表2 漫溢指数R分类标准

表3 易涝点监测成果(部分)

4 结 语

雨洪水监测预警系统最大的意义在于可以充分利用历史数据、现场监测数据，建立降雨模型，便于统一指挥，而且能够预报各区域水情变化，提醒广大居民及机动车驾驶人员避免进入灾区。该市应用SWMM雨洪水监测预警系统4年以来，逐步完善了汛期抢险救灾工作，并且通过给居民发出预警，使报警率降低35%，取得较好的经济社会效益。