泰安市城市水文智慧监测工程设计方案探讨

2021-04-30侯恩光张忠科

水资源开发与管理 2021年4期

于鹏侯恩光张忠科

(泰安市水文局，山东泰安 271000)

1 开展城市水文的必要性

泰安市是国家重要的旅游城市之一，也是山东省重点旅游城市，近年来，随着全球气候变化和城市化进程的加快，市区不透水面积逐步增加，城区暴雨产汇流倍增、防洪排涝压力增大，暴雨积水造成的城市生命线系统瘫痪、危旧房倒塌、地下设施进水、大量汽车受淹等问题日益突出，严重时甚至造成人员伤亡，暴雨引发的洪水灾害已成为影响城市公共安全的突出问题和制约泰安经济社会发展的重要因素之一，开展城市水文研究已迫在眉睫。

随着水文智能监测设备的出现，物联网技术以及智能处置专业模型的发展为城市水文提供了技术支持，这些先进的监测设施设备为增强城市防洪排涝提供了保障，填补城市水文这一短板成为可能。泰安市出台了《关于加快推进海绵城市建设的实施意见》，提出增强城市防涝减灾能力，提高城市水生态品质，通过“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施，有效减轻洪涝危害，提升城市综合承载能力。加快城市水文监测系统建设，顺应泰安市建设海绵城市规划要求，开展城市水文智慧监测研究是很有必要的。

城市是一个地区的政治、经济、文化中心，城市人口和财富相对集中，一旦遭灾，损失巨大。研究城市水文效应、城市化对水文过程的影响，解决城市防洪排涝、城市水资源及水生态环境问题，对于泰安市城市发展规划、城市建设、环境保护、市政管理、经济发展和居民生活等都具有十分重要的意义。

2 泰安市城市水文情况概述

2.1 泰安市水文气象情况

泰安市属暖温带大陆性季风型气候区，四季分明，春季干燥多风，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷少有雨雪。泰安市多年平均降水量为690.6mm，其中6—9月降水量528.6mm，占年降水量的76.5%，3—5月降水量97.7mm，占年降水量的14.1%，具有春旱、夏涝、晚秋又旱的特点。降水量的年际变化也比较明显，丰、枯交替出现。

2.2 市区洪涝灾害基本情况

1949年以来，泰安市于1954年、1957年、1964年、1987年、1994年、1996年、2003年、2018年、2019年、2020年等先后发生洪涝灾害。

1996年7月28—31日，泰安市城内出现自1966年以来罕见大暴雨，暴雨中心在泰山及泰安市城区周围，7月30日16时40分至17时40分泰安市城区1h降雨量120mm，泰山南麓降雨200mm，由于降雨时间短、强度大，造成山洪暴发，城区洪水泛滥成灾，4人死亡。泰安市城区347个单位和1.5万户居民住宅进水，部分企业停产。泰安火车站进水淹没轨道，津浦线停发客车0.5h。

3 城区洪涝成因和防洪现状

3.1 短历时强降雨频发

城市化引发的“热岛效应”导致城市突发性降雨时间短强度大，“逢雨必涝”现象不断上演。其原因是城区道路不透水面积达90%左右，城区地面硬化且建筑物顶部也不存水，降雨后产生的地表径流较多，汇流时间缩短，峰值出现时间提前且峰量增高，一旦雨量和强度超过泰安市现状河涌排涝能力和城市排水管网排水能力，就容易出现交通道路积水量暴增、水位瞬时增高导致的交通障碍，危害极大。由于城市人口和财富相对集中，一旦遭灾，损失较大。如龙潭路火车站涵洞地势中间低两边高，暴雨过程中排涝不及时极易存水，造成城市交通系统瘫痪、大量汽车受淹，甚至造成人员伤亡。

3.2 城市排水标准偏低

据资料统计，泰安市城区排水管道按3年一遇排涝标准设计，而老城区85%左右的排水管网为1年一遇排涝标准，城市排水标准偏低。随着城市不断扩张，硬化面积增加，排水压力进一步增大。老城区排水系统老化失修，淤积堵塞严重，也降低了排水能力。城市排水问题是发生城区洪涝灾害的原因之一，一旦大雨倾盆，城市排水系统便力不从心，出现“城区看海”现象。

3.3 城市河道行洪能力不足，缺乏水文预警预测设施

泰安市城区地处泰山南麓，地势北高南低、西高东低，南北地形高差80多m，地形坡度在1%～2%之间，特殊的地形地貌，形成独特的“马路行洪”现象。泰安市内流河主要有泮河、七里河、奈河、梳洗河、双龙河、明堂河、芝田河等河道，均为雨源型山溪性河流，一旦强降雨，来水迅速，防洪形势严峻。上述内河在设计上均有防洪排涝、蓄水补源的功能。但有的内河水系不能满足排涝设计标准，且河道中的阻水桥梁、桥涵以及各类垃圾倒弃等使得河道行洪空间被占用、堵塞，造成行洪不畅。同时，当遇到短时强降雨天气，地表径流快速进入城市排水系统并汇入河道，使河内水位急剧上涨，严重时河水溢出路面，容易引发河洪型内涝。而未进入排水系统的汇流快速流向城市低洼地区，致使城区内涝严重。

城市化后仅仅依靠城市路面的排水系统应对城区暴雨洪水是远远不够的，还应针对引起城市水文循环变化的根源作出对策。由于城区内河流缺少必要的水位监测站点和智慧信息显示系统等水文监测设施，不能及时、实时获取水文监测数据信息，尤其在每年汛期发生的强降雨过程中不能及时发布市区易积水桥段及低洼路段的积水信息，不能为城区防汛应急提供决策依据，达不到预警预报、科学进行交通管制的目的。因此，认清城市水文监测服务缺位这一短板，积极拓宽服务思路，合理规划监测站点，加大中心城区水文站点建设和管理是极为重要的。

4 城市水文监测工程建设的功能需求

城市水文环境的变化主要表现在城市积水、排水不畅、地面沉降、水流污染等。从水文角度上来讲，泰安市城市水文智慧监测系统要对市区河道、低洼区路段及内涝易发区等地段进行合理完善地布局，在现有水文监测项目的基础上对这些地方增设水位、雨量等自动化的水文监测设施设备，用于监测降水、径流、水质、地下水位、排洪能力、道路积水深度等项目，形成专门用于城市内涝的水位、雨量监测信息站点及信息发布、灾害预警、视频监控于一体的智能监测设备和应用。

4.1 城区降水观测

由于城市范围不断扩大，单一的降水观测点不能满足城市区域降水分布的需要，所以要根据实际情况布设足够的雨量站对降水分布进行空间控制，满足不同区域服务的需求。布设雨量站点时要充分考虑降水量大小、降水时空分布及频现期等因素，从而有效预测降水带来的水文效应对城市的影响。

4.2 城区径流观测

城区与天然流域最大的区别在于下垫面透水能力，城区内少有的透水区域对径流影响不大。城市洪灾最明显的特征是产汇流速度快，所以在不同区域加强流量、水流向、排水流速、积水变化等径流监测至关重要。智慧水文监测设施能实现全自动视频监控，实现水位、雨量等设备的自动化采集及处理；能够完成实时水文数据的传输及自动存储和处理，能够实时视频监控现场内涝情况，并能够对内涝情况进行现场显示以及数据越限进行监测及预警预报等。

4.3 城区地下水位及高程变化监测

城区地面硬化，减少了降水入渗，地下水开采量逐年递增，使地下水位不断下降，地面随之下沉，会使地面建筑物裂缝、沉降、管道破裂等，严重影响群众生活。所以地下水位的观测、预警及带来的后果也是城市水文应该研究的内容。

4.4 城区道路积水深度监测

在城区桥涵、低洼地段等易涝区域进行积水深度监测，为排水管网的设计、建设提供科学数据依据，为人们的出行提供安全警示作用。

4.5 城区水文的宣传需要

城市水文站点一般地处城市繁华地段，建设具有强烈水文元素、鲜明城市特色的水文站点，不仅能够体现水文标识，更是水文宣传于社会的窗口。建设诸如东方明珠塔、铸铜仿古卡尺、卡通人物水文宝贝等一处处带有地标性景观的水文站点，能广泛传播水文工作的社会价值。

目前，泰安市现有水文站网主要是围绕监测过境水量及预警预报城市上游来水，为防洪排涝提供决策依据而设立的。城市水文、水位站点应重点设立在市内地势低洼及易涝区域，依据上述各种功能需求，结合泰安市城区洪涝特点，实行“一点一策”，按照“建设一处站点，形成一道景观，服务一方民生”的思路，打破过去传统的为水利服务的单一监测作用，根据不同需求进行观测，形成服务多样化、现代化的城市水文监测体系，扩大水文的服务范围，为城市的规划和发展提供科学有效的水文数据，降低城市洪灾给当地居民和社会带来的经济损失。如：在城区桥梁、涵洞及低洼路段建设补充城市水文监测站点，配置雷达式水位计、夜视荧光镂空水尺及视频监控等监测设备；在人口密集处建设一批用来发布实时雨水情信息、水深预警及水文宣传信息于一体的全彩显示屏视频监控系统；在流经城区的奈河、梳洗河等河流显著处建设水位计、视频监控等设施设备，进行在线流量、水位监测；在城市重点湖泊公园建设控制水生态变化的监测站点。经过这样合理化的布局形成站类齐全、覆盖面广、监测手段先进实用的城市水文智慧监测站网体系，达到预报、预警、应急抢险一体化和上下联动的目的，能及时提交发布可靠的雨水情信息，全面提升城市水文监测能力。这对完善城区防汛应急体系，整体提高政府处置突发公共事件的能力，促进经济社会与环境和谐发展具有重要意义。

5 城市水文监测工程技术平台的设计功能分析

泰安市城市水文智慧监测系统是集水文自动测报、智能处理、物联网技术、数据库、系统集成等一系列技术于一体的规模庞大、功能强涉及面广的系统工程。该系统的运用，实现了城市水文水资源数据的实时采集和共享，以及大数据的深度分析和应用管理，极大提高了城市水文监测的系统智能化水平。

5.1 物联网技术

物联网指的是无处不在的末端设备和设施，通过各种无线或者有线的长距离或短距离通信网络实现互联互通，通过大集成、云计算等新兴ICT技术与水文信息系统的结合，实现城市水文数据实时采集和共享，以及大数据的深度分析和应用管理，采用适当的信息安全保障模式，提供个性化的在线监测、定位、报警等功能。

泰安市城市水文系统采用物联网技术建设技术框架，大致分为4层，从上至下分别是云计算层、网络传输层、边缘计算层和信息感知层(见图1)。通过物联网实现水文信息的交互和共享。

图1 水文系统架构设计

信息感知层主要包括城市易涝积水点、水文站点、雨量站点的水文信息和预警信息发布体系，该层用于实现水文信息的在线监测，预警信息实时、现地发布等功能。网络传输层是物联网对数据进行统一储存和管理的体系，既包括数据采集现场局域网，也包括实现远程通信的广域网。这一层以4G/5G网络、路由器、交换机、VPN、无线网桥、防火墙等大量的网络设备和网络安全设备作为技术支撑。随着业务系统的云化，采集数据最后进入云计算层，云计算层是物联网的神经中枢，大致可以分为3层：第一层是负责水文数据收集的各种资源层，如雨量监测层、水位监测层等；再往上是负责数据分析的数据处理层，如水文资料分析层，它会对数据做数据校验、数据解析、数据管理、数据入库等工作；最后就是面向城市水文的业务应用层，如信息发布、预警预报、决策建议等。这些最终数据提供给政府主管部门、防汛部门、城管部门、交通运输部门、应急管理部门或公众进行使用，并在城市显著地段、交通标志屏幕上进行实时显示。

5.2 技术平台的功能实现

该系统的水文站点包括易涝地段水位监测站、水文站、雨量站等，根据各站点类型配备相应的智能感知仪器设备，从而可以随时获取水文实时数据。信息平台系统分实时监测、信息查询、城市内涝预报、积水点三维展示、预警服务及发布平台、信息发布、移动应用及数据维护等板块。实时监测模块包括水位、水深、雨量、水文气象、险情、视频等监控信息。

在城区易涝和低洼地段，建设以水文监测设备和水文数据模型为核心的城市内涝实时监测预警预报系统。水文监测设备侧重 “点”，内涝水文数据模型侧重 “面”，两者相辅相成，监测数据可用于监测和修正城市内涝水文模型，点面结合可以实现洪涝风险的滚动预报。内涝水文监测模型可根据地面水位、内河涌水位和水闸泵站运行情况，以及未来1～3h降水预报信息，绘制相应的洪水风险图，展示最大水深、淹没历时和最高水位时刻等，并可以根据监测、预报的成果对当前或者未来的防洪动态进行模拟，通过视频监控实时查看积水点、涵洞、立交桥等积水淹没状况。

预警服务和发布平台包含实时监测和预报的雨水情信息，借助广播、电视、短信平台、微信等多种发布方式向有关部门提供数据。水利部门可以借助防汛内涝状况，及时进行防洪排涝调度。交管部门可以通过该系统实时掌握低洼路段的积水状况，为广大群众提供出行指南，避免人员、车辆误入深水路段造成严重经济损失。

移动应用平台借助相应APP软件，实现手机端的显示，满足外出和现场处置时对雨水情等实时信息的查询，实现移动办公。