基于强降雨模拟仿真模型的韧性城市探究

文｜中国城市科学研究会/智慧城市联合实验室/中城智慧（北京）城市规划设计研究院有限公司/智慧城市（合肥）标准化研究院有限公司 杜青峰 万碧玉 姜栋 李玲玲；中国城市科学研究会/智慧城市联合实验室/智慧城市（合肥）标准化研究院有限公司/佛山市南海区中城数字城市促进中心 马蓉；中国城市科学研究会/智慧城市联合实验室/中城智慧（北京）城市规划设计研究院有限公司/佛山市南海区中城数字城市促进中心 陈宇艺；中国城市科学研究会/智慧城市联合实验室/中城智慧（北京）城市规划设计研究院有限公司 陈慧文

1 韧性城市综述

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二 三五年远景目标的建议》中首提“韧性城市”。“推进以人为核心的新型城镇化，强化历史文化保护、塑造城市风貌，加强城镇老旧小区改造和社区建设，增强城市防洪排涝能力，建设海绵城市、韧性城市。”从全球环境变化和城市可持续性科学领域，城市韧性是研究视角和分析工具。主流的研究是单一的社会或灾害治理，也有强调物理设施、忽视人的能动性，重灾后恢复、轻灾前预防等问题。

韧性物理学定义：“回到最初的状态”。“韧性城市”遭受突发事件时，能够自我修复。韧性城市能够快速分散风险、自动调整恢复，从而有效抵御外来冲击和减缓内部灾害。总而言之，在“灾难”面前，让城市既能有效防范，又能快速复原，这就是“韧性城市”。

城市是人类文明的承载体，城市的韧性发展已成为疫情和灾害频发的首要问题。当前四川德阳市、湖北黄石市、浙江义乌市，入选全球“100 韧性城市”。韧性城市是具有吸收未来的对其社会，经济，技术系统和基础设施的冲击和压力，仍能维持基本的功能，结构，系统和特征的城市。[1]建设安全灵敏的韧性城市也是新型城镇化试点示范等地区典型做法。随着灾害问题和公共卫生突发事件发生，城市系统屡遭重创，城市居民的生命财产和相关人身安全遭到了极大的威胁。韧性城市提供了一种新的系统视角和理论体系以支撑灾害、突发事件等潜在扰动威胁下的城市的可持续发展。

2 城市仿真的技术方法

根据《中共中央国务院关于深入推进城市执法体制改革改进城市管理工作的指导意见》构建智慧城市。“探索加强城市基础设施智慧化管理与监控服务，加快市政公用设施智慧化改造升级，构建城市虚拟仿真系统，强化城镇重点应用工程建设。”因此构建城市虚拟仿真系统，提高韧性城市演化机理和评估方法，提高城市应对自然、经济与社会环境中潜在风险和突发事件的防御、恢复和适应能力。韧性城市智能规划正在起步阶段，亟需根据现阶段韧性城市发展需求加快研制基础理论、关键共性技术标准及基础平台开发，以促进城市智慧化建设、可持续化发展。

近年来，高速发展的城市化进程中，已经引起城市水文特性的显著变化：城市房屋建筑容积率不断加大，混凝土覆盖地面的面积增大，雨水渗透减少，雨水排涝与调蓄功能下降；大多数城市对地下设施开发利用率普遍提高，城市资产高密集，综合承灾能力脆弱。

3 韧性城市研究目标

仇保兴认为“从韧性城市的结构韧性、过程韧性和系统韧性三个方面，韧性城市有六个要素，即主体性、多样性、自治性、冗余、慢变量管理、标识，在坚持主体自主能动性基础上，进而形成丰富的标识系统，城市的韧性才可以变得越来越强。”

通过模拟仿真，提出城市发展模型，在城市发展过程中获取同步信息，明确城市规划决策的内在规律，作出更明智的决策，优化资源配置，可以有效提高结构韧性、过程韧性和系统韧性。在可持续发展时期对城市规划提出必要的干预措施，以及公共政策。城市系统优化和相关技术的更新，可以极大的改善城市的宜居性、交通拥堵、污染等城市问题。

基于我国城市的背景提出研究目标研究韧性城市理论基础及技术集成，提出跨学科融合可行的韧性城市理论模型，构建综合量化评估指标体系，制定相关标准。基于城市常态与应急状态韧性城市要素数据规范，形成韧性城市数字仿真环境模型，利用城市多源大数据及其建模/分析/诊断技术进行韧性城市智能规划。最后利用韧性城市信息监测预警管理基础平台、韧性城市智能模拟预测推演平台、韧性城市自适应规划决策平台，对城市主要风险点和灾害进行智能监测、检测预警、协调联动，保障城市基础设施、规划要素从突发事件发生到恢复过程的适应性循环机制正常实施。

4 强降雨模拟仿真模型的韧性城市探究理论

城市空间安全韧性是城市安全可持续发展的保障。[2]本模型以水文学概念为基础，通过全区域大尺度模拟仿真对研究区域的主要易涝点进行定位，模拟不同降雨条件下城市的内涝情况，结合城市的敏感基础设施空间信息，获取高风险地点的暴雨易涝等级。在宏观模拟的基础上，通过计算流体力学模拟强降雨在城市高风险和核心区域的内涝发生规律，为城市排水和应急响应提供更为精确的信息。

业务上由ArcGIS（或SuperMap）生成相关数据集，在仿真系统水模型与算法上计算，根据仿真区域要求的各项指标对城市水淹等进行分析，将相关数据指标在城市仿真系统（CSS）或3DGIS 业务平台上进行可视化展示与业务管理。

4.1 强降雨模拟仿真模型建立

依据为水文学为基础的宏观模拟仿真主要以水量平衡方程建立基础模型：

P=I+E+Ao+Au+Q

其中降雨量 (P) 等于植被拦截量 (I) 加蒸发量 (E) 加地表径流量 (Ao) 加土壤渗透和下水道系统排水量 (Au) 加本地沉降量(Q)。在大暴雨的条件下，径流条件近乎于绝对，拦截、蒸发与土壤渗透的降水量都可假设为零，在易涝点填满之前，过量径流(Ao) 同样不会对此方程产生影响，因此原方程可以简化为P = Au + Q，单位时间降水量等于单位时间下水道系统处理量加本地沉降量。

4.2 易涝区域识别

通过实验用的高分辨率DEM 数字高程模型 (2m×2m) 和政数局提供的建筑物覆盖矢量图层作为初始数据，在ArcGIS 平台上，应用多种水文分析工具构建宏观模拟模型，识别出易涝区域位置。该模型可以计算出易涝区域的面积和填充易涝区域所需的降水量，在其他因素相同的情况下，易涝区域可容纳的降雨量越小，该区域的建筑物和基础设施受到的洪灾风险越大。

经过模型计算，共识别出面积不等、风险级别各异的易涝区域。基于排水设施可以应对3年一遇至5年一遇强降水的实际情况，进行验证。

4.3 基于CFD 的水环境仿真建立

结合CFD 计算流体计算、混合云计算、机器视觉、大规模拓扑网络计算、认知反演、计算流体分析等跨学科领域的顶尖能力，基于基本空间数据GIS（包括DEM、DOM、3D 建筑物模型）与城市规划以及相关基本数据及三维数据，根据所在规划区域的气象、水文与水务数据等设定相关边界条件，进行城市水环境等仿真。模型的建立使得城市海量多源数据的收集、实时处理与智能计算。

求解系统基础CFD 方程式，求解公式：

（1）质量守恒方程式；

（2）动量守恒方程式；

（3）能量守恒方程式；

（4）K-epsiron 湍流模型。

经过与历史监测数据对照，水淹范围和水淹深度边界条件限定。

在易涝区域的基础上，结合SS-WE 水环境仿真模拟软件中的计算流体力学模型，与历史水浸点数据做具体对比验证，评估易涝区域微观模拟的准确度。在研究建设过程中，选取测试点周边的历史易涝点作为计算区域，利用计算流体力学模型模拟历史降雨条件下的内涝情况。

5 展望

本研究中仿真技术广泛运用于经济发展、公共服务及社会生活等各个领域，更准确快捷配置资源、提升城市整体运行效率。城市仿真是一个比较复杂的系统工程。制定措施防范各种风险，保证研究顺利实施。

从城市空间环境优化的角度，韧性城市的实施具有更加直接的紧迫性和必要性，结合中国城市当前及今后的发展需求，从形态布局，自然环境，公共设施，社会生活4 个维度提出中国韧性城市空间规划的策略和发展途径。[3]城市仿真技术作为信息技术中的一种新兴技术，正在逐渐成为帮助城市规划和管理的重要手段，它对于城市规划的影响不仅表现在对城市规划所需信息的采集、处理和利用方面，更为重要的是它能够改变城市规划内部信息流程和城市规划部门与社会的信息交流与反馈机制，进而对城市规划的管理体制产生积极影响。

重建城市微循环是建设韧性城市、加快绿色低碳转型和提升城市宜居与活力的重要途径，也是城市和规划建设模式变革的未来趋势，这方面的新理念和新技术应当在北京率先得到推广应用。[4]在智慧城市与仿真技术过程中，本实验通过汶川、广州佛山南海等数字城市仿真建设实践，提出实体城市空间与虚拟城市空间与社会空间共融互动，从人、物理世界的感知、同步搭建智慧设施以“大平台、大数据、大应用”构建数字孪生的虚拟空间支撑智慧发展的韧性城市发展理念。

“以人民为中心和绿色发展”的新型城镇化，就必须要考虑韧性城市的建设问题。[5]基于计算流体力学（CFD）的城市仿真、物联网等数字信息化手段，构建城市神经网络传感系统，在规范统一的制度标准基础上，构建以人为本、跨学科融合的复杂城市韧性理论。未来选择不同类型城市试点示范，推动技术理论成果、标准、平台等的规模化应用，提升我国在城市监测预警预测、模拟推演、应急防控等领域的技术支撑和决策能力。