城市内涝水量平衡计算方法

李文辉 ，曾庆彬 ，杨宗国

（1. 深圳市东部水源管理中心，广东 深圳 518100；2. 深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518036；3. 深圳市水务科技发展有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

城市内涝具有预报难、损失重、影响大等特点，一直是防汛工作的重点和难点。技术人员基于不同的技术手段，搭建了各种内涝预警系统以辅助城市应急管理。梁好等[1]应用物联网和 WebGIS 技术，设计了天津城市自动化内涝监测预警系统。史潇等[2]基于GIS 技术与 SWMM 模型的暴雨积涝模拟分析设计了江苏城市内涝预警系统。叶青[3]结合 GIS 技术与城市暴雨内涝数值模型、气象监测业务等，构建了南宁市内涝气象监测预警系统。曹雪健等[4]综合利用多源（雷达、地面雨量计、地面雨滴谱）降雨、积水观测数据等，提高了内涝预报精度。张秀春等[5]搭建了一套以 BP 神经网络模型为核心，以 B/S 架构为基础的内涝预警系统。

通过搭建水文水力模型对内涝形成过程进行模拟和预测的应用有很多，如业内应用较多的 SWMM，InfoWorks，MIKE 等模型，以及以这些模型为基础二次研发的各种机理模型。但这些模型在使用过程中普遍存在边界条件多、参数校正复杂、运算时间长、调用不便、建设维护费用高等问题，给时效性要求较高的城市内涝预报预警工作带来一定限制。而数理统计模型由于历史资料不易获得，城市建设、更新速度快导致城市水文环境变化大等因素，使用条件受限。为满足城市大尺度的内涝预警预报需求，结合排水分区，以城市降雨量、主干管网过水能力为输入条件，提出城市内涝水量平衡计算方法，搭建城市内涝预警系统。

1 城市内涝预警系统设计

1.1 总体架构

城市内涝预警系统基于 J2EE 体系结构和 MVC框架（模型-视图-控制器）设计，采用 B/S 模式，在遵循标准规范和信息安全体系的基础上，由信息化基础设施层、系统支撑层、业务应用层、展示层 4 层架构组成。系统功能、算法、流程、运行模式均可灵活配置，在保证整个系统高可靠性运行的同时，能为后续功能的完善和业务升级提供最大程度的便捷性和灵活性。系统总体架构如图1 所示。

图1 系统总体架构图

1） 信息化基础设施层。由“空-天-地-人”一体化信息感知设备、政务网、互联网等组成，构成信息回传网络，实现信息采集、传输、存储等功能。

2） 系统支撑层。组成如下：a. 数据支撑层。包括基础、监测、专题等数据库，以及共享气象、环保、交通、国土等各相关部门的外部数据。b. 应用支撑层。基于 SOA 架构，以中间件及各类型平台为核心，为上层应用系统的开发、集成提供各类支撑。

3） 业务应用层。采用统一的应用服务建设模式，即模块化建设模式，提供基础信息、统计分析、内涝监测、内涝预警、内涝模拟、应急响应等服务。

4） 展示层。基于 Web 端及移动端进行业务展示。

1.2 业务应用

1.2.1 业务应用架构

城市内涝预警系统包括基础信息、监测信息、预警响应、内涝模拟、系统管理等模块，业务应用架构如图2 所示。

图2 业务应用架构图

1.2.2 业务功能

各模块业务功能如下：

1） 基础信息模块。以深圳市数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM）、数字正射影像图（DOM），管网、水库、河道、泵站等水务设施空间地理和属性信息，排水分区划分等静态信息分图层叠加，构建二/三维联动的城市内涝底图。

2） 监测信息模块。将多源感知的气象、水情、雨情、潮情、积涝、视频、工情等动态信息在城市底图上实时可视化显示。静态、动态信息相结合，构成城市内涝一张图。

3） 预警响应模块。对水库、河道、积涝点等防御风险点的水位和流量及水量等安全要素进行监测，根据不同的阈值分级预警，根据不同等级的预警采用不同的应急源，以分解的应急预案进行应急响应，安排部署值班、工程巡查、防灾物资调度、人员转移等工作。

4） 内涝模拟模块。采用水量平衡法，结合排水分区、GIS、主干管网信息，具体模拟如下：降雨模拟主要对排水分区的降雨量进行模拟，管网模拟主要对管网流量、流速、过流能力等要素进行模拟，积水区模拟主要对内涝点的积水、流量、深度等要素进行模拟，并作可视化展示，便于预报。

5） 系统管理模块。包括图层的设置及对各类数据、模块、用户的管理等。

1.3 信息安全体系

城市内涝预警系统信息安全防护遵循《信息安全技术网络安全等级保护基本要求》《信息安全技术网络安全等级保护安全设计技术要求》等标准，围绕“一个中心，三层防御”的纵深防御体系，按照等保三级的要求实施，从治理评估、组织建设、管理建设、技防建设、人员管理等多角度入手，保证业务安全稳定运行。

2 城市内涝水量平衡计算方法

深圳市除去深汕特别合作区后总面积为 1 997.47 km2，其中易产生内涝的建成区面积为 927.96 km2。建成区地表硬化、不透水，导致地表径流大、汇流速度快。如采用 SWMM，InfoWorks，MIKE 等模型，以及以这些模型为基础二次研发的各类水文学、水力学等机理模型，需要考虑降雨产流、地面汇流、排水汇流等全过程因素，涉及模型多、边界条件多、参数校正复杂、运算过程时间长等问题，最终结果虽然准确性高[6]，但在实际建模、模拟应用中会面临诸多困难，全过程投入资源多，加之城市更新速度快，管理单位倾向选择简单模型进行城市大尺度的内涝模拟，以减少建模和模型维护的复杂度和成本。针对上述情况，本研究以水量平衡计算方法为核心，构建城市内涝预警系统的内涝模拟模块。

内涝模拟模块是城市内涝预警系统的核心，内涝预警预报具有极强的时效性，城市内涝水量平衡计算方法可以完全满足内涝预警预报快速响应需求。基于水量平衡的城市内涝模型实现流程如图3 所示。

图3 模型实现流程图

考虑到产汇流过程的复杂性，本研究忽略下渗、蒸发、滞蓄等因素的影响，假设降雨产流—地表汇流—排水汇流过程中水量保持平衡，结合排水主干管网过水能力，建立积水预报模型，实现积水点积水深度与面积的可视化表达及预报，为内涝预报提供科学依据。利用深圳市气象局预报的网格化降雨量、排水分区面积，可得到排水分区的地面汇流量，计算公式如下：

式中：Q地为地面汇流量，也为排水汇流量；P为降雨量；S为排水分区面积。

主干管网过流能力计算公式如下：

式中：Q为管网的流量；A为管道过流面积；u为管道流量系数；g为重力加速度；H0为管道作用水头，即管道起点与终点二者底高程之差。

u取经验值 0.7，则管网的过流能力为

采用时段水量平衡法计算排水分区积水量的公式如下：

式中：W为积水量；t为预报的降雨历时。

排水分区是指按照地形、水系、水文地质等条件进行划分，使降雨产生的径流沿地表与管渠相对独立汇集排放的区域，也称汇水分区，在一定程度上类似水库。在 DEM 图上获得排水分区积涝最低点高程hmin，若在 0.15 m 以上，则以 1 mm 为步长，在 DEM 图上计算积水面积和积水量，形成排水分区的容积特性曲线。计算得出积水量后，根据容积特性曲线查找积水深度和积水面积。将所选积水内涝点未来 0.5，1，3 h的积水面积、深度及积水量的预报计算结果在地图上可视化展示，同时动态呈现积涝点周围的汇水及退水过程，根据不同积水深度造成的影响划分风险等级。

3 实例分析

据深圳市水务市政部门数据，全市目前共划定2 859个排水分区，市区内存在 210 个易内涝点。以城市内涝预警系统中提取的 2021 年深圳市 10 次较大规模降雨情况为研究对象，以当时市气象局发布的 1 h 降雨预报数据为输入条件进行内涝模拟，并与易内涝点的实际监测数据进行对比，对比情况分为虚警、漏报、相合3类，对比分类说明如表 1 所示。

表1 对比分类说明表

2021年 10 场降雨的统计结果如表 2 所示。

表2 预测与实际内涝点情况统计表 /个

从虚警率、漏报率、相合率 3 个维度对内涝模型进行评价，其中：虚警率=虚警个数/预测的内涝点个数×100%，漏报率=漏报个数/实际内涝点个数×100%，相合率=相合个数/实际内涝点个数×100%。评估分析结果如图4 所示。

图4 2021 年内涝模型性能评估分析图

由图 4 可知，采用水量平衡计算方法模拟内涝，预报与实际内涝点的相合率达 85% 左右，满足城市大尺度内涝预警预报的需要。但虚警率在 13% 左右，即约有 1/8 的预测内涝点实际没有发生内涝，虚警和漏报的产生主要在于气象预报与实际降雨之间存在偏差，或由区域降雨不平衡引起，后续还需继续加强降雨模型研究，降低虚警、漏报率。

在这 10 场较大规模的降雨中，基于水量平衡计算方法的城市内涝预警系统发挥了应有的作用，对于内涝结果，如发生时间、积水深度、积水面积等进行了直观表达，预测结果与实测数据基本一致。如 8 月 4 日18—19 时深圳市罗湖区、福田区、南山区、大鹏区等局部区域发生了短历时强暴雨，最大降水强度出现在19 时，1 h 降雨量累计达到 65 mm。根据 1 h 降雨预报，内涝模型预测以上几个区将有 59 个易涝点出现内涝，其中东湖公园、爱国路与太宁路路口积水最深，以这个内涝点为例进行对比分析，系统预测该路口在19：11—20：11 开始发生积水，积水面积大于 1 000 m2，积水深度大于 1 m，预测情况如图5 所示。在监控中心19：47的视频监控画面中，可以看到该路口的积水情况。根据实际监测数据可知，该点积水深度最高为1.12 m。对比预测与实际监测结果后可发现，预测的积水发生时间和深度与实际状况一致，说明内涝预测模型的准确性较高，尤其是积水深度较深的内涝点，使得相关部门的防灾减灾工作更具有针对性，避免大的险情灾情出现。

图5 东湖公园、爱国路与太宁路路口内涝预测图

4 结语

受全球气候变化和城市化快速发展的双重影响，城市的内涝灾害越发频繁，已经严重影响城市的可持续发展。因此，构建一套有效可用的城市内涝预警系统十分必要。

区别于采用水文水动力学等机理性模型搭建的内涝预警系统，结合排水分区、DEM 及经验模型，采用水量平衡计算方法构建的城市内涝预警系统，在深圳市的实际应用中验证了可用性，能够低成本实现城市大尺度内涝预警预报，在一定程度上可解决资金不宽裕的中小城市预报、预警、预演、预案等能力不足的问题。今后将逐步开展河湖闸坝调度及泵站抽排等措施对内涝形成的影响研究，进一步提高内涝预报精度，为城市应急管理和智慧水务建设提供更好的服务。