基于水动力模型与三维实景模型的城市“智”水思路探究

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

随着城市不断发展，水安全、水资源、水生态等问题日益突出，城市频繁发生洪涝灾害、水质污染事件，严重制约社会的可持续发展。为了应对这些挑战，城市生态化建设管理的理念应运而生，如我国正在推进的“海绵城市”[1-2]、美国的低影响开发LID措施[3]、澳大利亚的水敏感城市设计[4]。绿色基础设施作为城市建设的一部分，在调节城市径流、减轻面源污染方面发挥了巨大作用。为提升城市应对水灾害的能力，除工程建设之外，还应加强非工程建设和管理水平的优化。随着信息技术的不断发展，城市信息化、数字化、智慧化应用水平不断提升。BIM、GIS、物联网、云计算、大数据、数值模拟和移动互联网等新一代信息智慧技术全方位运用到城市水务业务规划、建设、管理和服务中，能够实现基础设施建设数字化、经营管理协同化的目标，实时有效地管理城市水循环全过程。

目前市场上针对水安全问题的洪涝灾害管理平台主要基于二维GIS平面图进行展示。随着研究尺度的不断减小，展示的精细化要求不断提高，二维展示难以满足对淹没区域细节的把控，例如，建筑物淹没的高度位置是否会影响某栋大楼的正常出行。三维实景模型技术能够将城市空间立体化，同时提供空间分析、查询和统计的功能。目前三维实景模型发展迅速，技术相对成熟，已经广泛应用于城市交通、景观设计、基础设施建设等项目中。因此，本文考虑将三维实景模型与水动力模型相结合，以长江沿岸城市九江的两河地区作为研究区域，以水动力模型作为智慧内核，实时计算城市洪水演进过程，以三维实景技术为手段，实现更多维度的展示，有利于更精准地掌握现场情况和制定决策，形成城市“智”水新思路。

1 研究区域概况

九江市位于长江中下游地区，东临鄱阳湖、北靠长江，中心城区水系众多，城区管网分流制合流制并存。其中，两河片区是典型的防洪排涝试点片区，总面积约21 km2，区域内有十里河和濂溪河，最终汇入八里湖后排向长江。两河地区支流河道普遍缺少完善的防洪排涝系统，老城区存在排雨标准低、断面过小、管道老化、淤积严重等问题。为此，九江市进行了流域综合整治，包括河道治理、雨污管网系统改造等一系列工程措施。本文针对两河地区洪涝灾害问题，结合水动力模型和三维实景建模技术，提出城市洪涝灾害的智慧化管控，作为非工程措施与工程建设形成互补，进一步完善防洪排涝体系。研究区域范围及排水管网如图1所示。

图1 研究区域范围及排水管网

2 水动力模型构建

2.1 一维水动力模型建立

采用Bentley公司SewerGEMS软件针对流域内城区排水管网搭建一维管网水动力模型，以普查和竣工的排水管网数字化成果为基础，构建两河地区一维管网水动力模型。数字化成果包括检查井位置、埋深，排水口位置、底高程、管道的管径、起止点高程等信息。同时收集区域内排水设施的基础信息和运行调度规则，根据泵站、调蓄池的属性及运行规则设置相应参数。

一维河道水动力模型的建模范围为十里河莲花大道-入八里湖河口段，长度为8.8 km；濂溪河莲花大道-入十里河河口段，长度为5.2 km。以最新河道平面图和横断面数据为基础，构建一维河道水动力模型框架，根据河道的断面情况和水流状态，取上游河道糙率为0.035，中下游河道糙率为0.03。管网与河道通过排口进行水力连接，即每一个排口就近对应一个河段。

一维管网水动力模型的上边界为设计暴雨，考虑到与二维地表的耦合，以降水进入网格单元的方式设置上边界，根据GIS地形统计工具与当地规划设计资料进行相关参数的设置。一维河道水动力模型的上边界为十里河、濂溪河上游设计洪水流量过程，下边界为八里湖对应的设计洪水位，管网与河道之间的耦合通过排口的水量交换进行，即雨水通过管网收集排入河道，河道水位升高超过排口底高程时，会形成水位顶托，影响管网水流运动。

2.2 一二维水动力模型耦合计算

考虑到模型耦合的兼容性和平台的完整统一性，采用Bentley公司Openflows Flood软件搭建二维洪水演进模型并导入一维水动力模型进行耦合计算。根据九江防洪规划情况，分别设置10年一遇、20年一遇和50年一遇的设计洪水情景，模拟不同情景下城市洪水变化过程。对研究范围内约21 km2的研究区域进行精细化网格建模，以研究区域的城市地形数据、建筑物图层和道路图层数据为基础，进行网格剖分和网格高程赋值。本次研究网格步长选用10 m，地表曼宁系数取经验值0.02。由于十里河、濂溪河城区段的堤防标准为50年一遇，本次模拟暂不考虑河流漫堤或溃堤，只进行一维管网模型与二维地表模型的耦合。一二维水动力模型耦合以检查井为物理介质进行水量交换，二维网格内的雨水根据地面高程就近排入雨水节点，当水量超过地下排水管网容量时，检查井发生冒溢，雨水重新进入二维地表网格。一二维水动力模型耦合计算结果如图2所示。

图2 一二维水动力模型耦合计算结果

3 三维实景模型构建及洪水淹没三维可视化情景

三维实景模型基于无人机三维成像技术，在无人机上搭载多台传感器，从垂直、倾斜等不同角度采集影像，通过对倾斜影像进行数据处理并整合其他地理信息，输出正射影像、地形图、三维模型等产品。通过无人机倾斜摄影，对九江市两河地区的地理、地貌、设施等进行数字化建设，生成研究区域的实景模型，作为城市洪涝灾害管理平台的基础底图，实现数字化三维环境的搭建。通过实时可视化工具，将水动力模型计算结果与三维实景文件融合，形成三维虚拟实景情景，能够展示街道内涝淹没的深度，如图3所示。

图3 水动力模型结果与三维实景结合的城市淹没展示

4 城市洪涝智慧化管控

随着信息化技术的不断发展，物联感知、自动控制以及智能分析决策等技术手段逐渐向传统行业渗透，城市防洪除涝也逐渐从治水向“智”水的思路进行转变。将水动力模型与三维实景建模技术应用到城市洪涝的智慧化管控中，以研究城市水文机理为切入点，基于在线监测数据，模拟从降雨到内涝的城市排水全过程，掌握关键节点的水情水势。结合城市三维实景模型，对内涝点的位置和周边环境、淹没水深、排水设施的调度等进行有效分析，形成智慧决策大脑，能够为管理者预测灾情、事故、突发事件所带来的后果，以便应急管理部门做出快速响应。以九江两河地区为例，在水力数值模型和三维实景底图的基础上，可以搭建城市洪涝灾害管理平台，以“精细模拟，科学决策，统筹管理”为目标，建设监测感知体系、服务支撑层、数字资源中心、业务应用平台等子系统，形成城市洪涝灾害管理的通用软件产品。通过接入雨量、水位、流量等监测数据作为水动力模型输入条件进行实时在线计算，能够对潜在的洪涝进行预警预报，模拟城市可能发生的洪水淹没实景。以水动力模型服务作为洪涝灾害管理平台的核心，以三维实景模型作为洪涝灾害模拟与管理的底图，为防洪排涝智能调度提供科学支持，对城市排水设施进行一体化调度，实现城市洪涝灾害的智慧化管理。

5 结语

本文基于三维实景模型和水动力模型技术提出了城市洪涝灾害智慧化管理思路，以二、三维联动构建“数字化一张图”，全方位查看城市地形地貌。基于在线监测数据，通过水动力数值模型模拟能够实现洪涝的预警预报和智能调度分析，降低城市洪涝灾害风险，实现从数字化到智慧化的升级。通过基础设施的管控和智慧调度提升城市对洪涝灾害的抵抗、恢复和调整适应的能力，提升城市韧性。通过新技术与成熟方法的融合，完善城市防洪排涝体系，实现城市的高效管理、持续发展、人水和谐。