基于多场景构建的城市雨涝预测预警模型设计及应用

摘" 要：为深入探讨城市内涝原因，有效解决内涝问题，实现提前预警，建立系统化防控体系，提出基于多场景构建的城市雨涝预测预警模型，评估排水系统排水能力和内涝风险，提升城市对内涝灾害的应对能力，减少对社会和经济的影响。该文以广东省某城市街道为例，通过排水系统监测体系、雨量实时短期预测模型、地表径流二维模型、管网一维模型、河道一维模型等多模型耦合，基于整体把握，重点防控的原则，对引起内涝问题的因素进行排查，有效评估排水系统的实际运行状态。利用最新的气象数据和雨量监测对降雨量进行短期准确预测，综合地形、土地利用和土壤类型等因素模拟地表产汇流，同时，基于排水系统和河道内水流动态和负荷的监测和模拟，对排水系统的排水能力、响应和溢流风险等进行评估并对易涝区域开展重点排查。该模型的应用能够降低降雨带来的内涝风险，了解降雨后地表水流的行为，优化排水系统的设计和管理，提供准确的内涝预警。并为制定有效的应急措施提供支持，提升城市防洪排涝的能力，帮助减少内涝灾害的社会和经济影响。

关键词：内涝防控；在线预测预警；防汛；应急决策；智慧水务

中图分类号：TU992" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）36-0032-07

Abstract： In order to deeply explore the causes of urban waterlogging， effectively solve the problem of waterlogging， realize early warning in advance， and establish a systematic prevention and control system， an urban rain and waterlogging prediction and early warning model based on multiple scenarios was proposed to evaluate the drainage capacity of drainage system and waterlogging risk， improve the city's response ability to waterlogging disasters， and reduce the impact on society and economy. Taking a street in a city in Guangdong Province as an example， this paper uses the coupling of multiple models such as the drainage system monitoring system， the real-time and short-term rainfall prediction model， the two-dimensional surface runoff model， the one-dimensional pipe network model， and the one-dimensional river channel model， and based on the principles of overall grasp and key prevention and control， the factors causing waterlogging problems are investigated and the actual operating status of the drainage system is effectively evaluated. Use the latest meteorological data and rainfall monitoring to accurately predict rainfall in the short term， and integrate factors such as terrain， land use and soil type to simulate surface runoff. At the same time， based on the monitoring and simulation of water flow dynamics and loads in the drainage system and rivers， the drainage system's drainage capacity， response and overflow risks are evaluated and key investigations are carried out in waterlogging prone areas. The application of this model can reduce the risk of waterlogging caused by rainfall， understand the behavior of surface water flow after rainfall， optimize the design and management of drainage systems， and provide accurate early warning of waterlogging.

Keywords： waterlogging prevention and control; online forecasting and early warning; flood control; emergency decision-making; smart water

当前，全球气候突变，城市化进程迅猛发展，城市硬化面积率持续上升，城市内涝问题逐渐为全球性问题[1]。近年，我国极端降雨事件显著增加，极端日降水量时间频次逐渐上升，导致城市内涝、积水问题频发。2000年以来，全国约70%城市遭受过严重洪涝灾害[2]。2023年7月31日，北京遭遇百年一遇的特大暴雨，部分地区出现大面积内涝及洪灾，此次事故共造成33人死亡，18人失踪；2021年7月20日，郑州遭遇特大暴雨，事故最终导致292人遇难，经济损失约532亿元。洪涝灾害对城市的日常运转、经济社会活动带来巨大风险，甚至威胁到城市居民生命健康[3]。2021年4月，《国务院办公厅关于加强城市内涝治理的实施意见》（国办发〔2021〕11号）中对各地政府提出了工作目标：到2025年，各城市因地制宜基本形成“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的城市排水防涝工程体系，排水防涝能力显著提升，内涝治理工作取得明显成效。因此，构建城市降雨和内涝进行预警模型，对于防洪减灾工作具有重大指导意义。

城市雨涝模型基于实时监测数据，可实现内涝预警和快速响应，提升城市抵御内涝风险能力，减少损失，保障群众生命财产安全[4]。梁骥超等[5]通过对历史内涝事件的研究，制定了规范化应急预案，从而提高了面对城市内涝灾害的响应速度。孙伟等[6]提出了一种基于物联网的内涝预警模型，以提升城市防涝能力，并指出在应对城市内涝问题中，缺乏对易积水点的水位和水量的有效监测是导致内涝无法及时控制的关键原因之一。马翠丽等[7]采用水面线法对不同降雨强度下河道的排涝能力进行评估，指出排水系统排水能力不足是造成内涝灾害形成的主要因素之一。众多学者已经针对城市内涝问题开展了大量研究，但在城市立体空间内的水动力模拟及基于综合多维度的内涝预测和预警模型方面，仍存在进一步研究的需求。

本文基于水文水动力多场景耦合，通过短期雨量预测、地表径流、管网及河道等多场景模拟，提出了一种区域内涝防治的预警和应急解决方案模型。该模型为防涝减灾提供了科学有效的依据，提升了城市的综合抵御能力，并为城市防洪体系和抢险响应机制的建设提供了支持。

1" 研究区域及方案设计

1.1" 区位概况

研究区位于广东省某街道，辖区总面积约29.91 km2。该区域内涝成因复杂，洪水、内涝、潮汐相互叠加影响。此外，研究区域在雨季期间多受台风和强对流提前影响，降雨空间分布极不均匀。2023年8月18日，当地发布暴雨红色预警，该街道累计降雨量达98.8 mm，最大小时雨量高达84.8 mm，属于一次超标准的极端暴雨事件。期间，多个区域发生积水，积水深度约20 cm，局部积水深度达到40 cm，积水持续时间在30～60 min不等。

1.2" 方案设计

为有效缓解该区域面临的雨涝问题，本文构建了一套针对内涝防治的预警与应急解决方案模型。当前，国内的城市内涝预警系统主要分为3类[8]。第一类是基于雨洪模型的暴雨内涝预警系统：该系统依据地形特征、降雨过程线和排水系统能力等条件，模拟并预测积水深度、积水区域及积水时间等要素。该方法存在计算量大、模拟时间较长等问题。第二类是基于神经网络算法和大数据的内涝预警模型：利用大数据的统计方法，建立雨情与积水之间的关联模型进行预警。此方法需要长期的积累监测数据，以提高预测的准确性。第三类是基于物联网的实时监测暴雨预警系统：通过布置传感器进行实时监测，具有较高的准确性和时效性，但是成本相对较高。

图1为本文的技术路线图。本文基于地理信息数据收集、管网建设维护数据整理、缺失信息补充和数据格式转换基本步骤，构建了模型基础资料的收集和整理框架，搭建了全面、精准的区域历史数据库、排水管网监测体系以及数字高程模型。在此基础上，建立了地表径流二维模型、管网一维模型、河道一维模型和雨量实时短期预测模型。通过将大量基础资料导入模型中，搭建了完整的区域拓扑结构图，并利用智能算法和机器学习模型对集水区和地表进行网格划分。同时，对河流、湖泊等水体进行源头监测，以确定模型的边界条件。最终，基于区域物联网收集关键节点的实时监测数据，对模型参数进行优化，从而建立起精准的雨涝预测模型。

2" 城市雨涝预测预警模型

2.1" 排水系统监测体系

在排水管网监测体系中，统筹考虑了排水防涝、控源截污以及模型支持等多项监测目标。基于对区域排水负荷的整体把握，并结合区域汇水关系及管网存在的问题，采用网格化思维对区域进行划分，将各排水分区设定为监测单元。并对易涝点等重要节点进行细化检测，从而形成覆盖“源头-过程-末端”的精细化监测体系。

监测设备主要包括液位计、流量计、雨量计等，这些监测设备根据排水区与雨水管网的布局布置，遵循“整体调整、分区检测、节点控制”的原则。具体检测点的布置如下。

1）主要断面监测点：位于管道、河道等排水系统的关键位置，覆盖区域内的核心断面，如图2（a）所示。

2）关键地段监测点：设置在具有特殊地理特征、流量集中或水动力性质突出的地段，如管道与河道变窄、交汇处，如图2（b）所示。

3）漫堤与积水监测点：监测点布置在漫堤区域、可能形成积水的低洼地段等。

4）其他关键位置监测点：根据河道的具体情况，选择其他重要位置进行监测，如主要排水口、拐角处、暗涵入口及河口等，如图2（c）所示。

2.2" 数字高程模型

数字高程模型（DEM）提供了精确的地形数据，对预测洪水流动路径、识别易受内涝影响的区域、优化排水系统设计以及评估不同防治措施的效果有重要作用。这使得决策者能够更好地理解和预测地表变化及其对城市排水能力和应急响应的影响。本文通过粗略的DEM高程数据，结合管道GIS模型，实现地下管网数据的校核，筛选出易产生内涝的区域，并对小范围风险点进行高精度DEM建模（图3）和土地利用数据获取，从而实现成本控制。

2.3" 模型与算法

2.3.1" 雨量实时短期预测模型

在雨量预测模型中，传统的数值模型通常受到假设条件、空间尺度的限制以及管道漏损、堵塞等特殊情况的影响，导致模型误差逐渐积累，限制了预测的精度。例如，模型可能难以准确反映局部降雨强度的变化，因此，单一的静态模型往往难以应对复杂的城市内涝情境。

为提高预测精确度，本文引入了雨量实时短期预测模型，实现降雨短期的动态临近预报。该模型结合高分辨率网格降雨预报数据和实时监测数据，利用实时降雨数据对模型进行动态调整，从而更准确地反映降雨和排水系统的实际运行情况，逐步减小预测误差。该模型能够灵活地适应气象条件的变化，动态调整重点区域的危险等级，从而显著提高内涝预测的准确性。雨量实时短期预测模型的加入能够为防汛决策提供更加可靠的依据。

2.3.2" 地表径流二维模型

地表径流二维模型采用元胞自动机（Cellular Automata，CA）方法。该方法是一种用于模拟复杂系统的概念框架，以元胞为计算单元，并基于元胞自身及其周围单元的状态，通过演化规则判断下一时刻元胞的状态。该方法通过局部状态的演化，实现整体系统的模拟与预测[9]，典型的CA模型如公式（1）所示。

CA=lt;W，B，S，Rgt; ， （1）

式中：W为地理元胞空间，代表特定区域的特征，有一维、二维或多维空间等；B为邻域类型，用于决定一个元胞状态更新的周围元胞集合，如冯诺依曼型、Moore型和扩展 Moore型等；S为元胞状态集，每个元胞单元可以取的不同状态的集合，可以用2种或多种状态表示；R为演化规则，根据元胞单元及周围元胞的状态和设定的演化规则，决定下一时刻的元胞状态。

本文用水文和水动力学方程，对城市排水系统的排水能力、地面高程、地表植被覆盖率及土壤性质等因素进行模块化处理，并融入产汇流规则。为加快模型的运算速度，本文简化了单元水流分配规则，在保证精度的前提下，尽可能真实地模拟降雨过程中城市排水系统的运行状况。此方法克服了传统二维浅水方程计算复杂、时间成本高的难题。

2.3.3" 管网一维模型

排水管网模型能够模拟和预测排水系统在不同降雨条件下的表现，识别潜在的瓶颈和问题区域，并用于分析和评估内涝风险，支持灾害预警和应急响应策略的拟定。本文采用动态链接库（DLL）耦合WCA2D模型和SWMM模块的方法构建管网一维模型。其中，WCA2D模型为二维地表概念模型，用于模型城市地表水动力过程；SWMM模块为一维模型，用于模拟管网的水动力及地表水文过程。通过引入物理限制，本文在采用概念模型的基础上保留了传统模型的优点，避免了复杂的浅水方程计算，从而提高了运行速度精度，能够清晰表达积水深度、水流方向等信息。

如图4所示，该方法通过调整降雨的重现期，能够模拟不同降雨条件下区域整体排水管网系统的管道负荷状态，计算溢流检查井和超负荷管道占比。同时，可依据模拟结果和管网监测数据分析排水能力不足的原因和风险等级，如下游顶托、管道淤堵等，并对管网提出整改建议。

2.3.4" 河道一维模型

我国城市排水管网大多与河道连通，极端降雨条件下，大量汇水迅速进入河道，导致河道水位抬升，甚至出现河道顶托、倒灌现象。这些现象使得排水管网排水能力下降，加剧城市内涝灾害。因此，在城市防洪工作中，河道水位预报对维护城市水安全具有重要意义[10]。

河道模型能够模拟河道在不同降雨条件和流量下的行为，预测洪水发生的潜在可能和影响，帮助制定有效的洪水管理和应急响应计划。同时，建模可以评估不同河道疏浚、堤坝建设等设计方案的效果，优化设计以提高河道的排洪能力和稳定性。

本文采用河道一维模型的方法，基于高程数据构建研究区域河道模型，并设定区域糙率、水深、曼宁系数等基本参数和边界条件实现模型初始化。通过实测上游流量数据计算研究区域河道水位高度变化。如图5（a）、图5（b）所示，初始时刻，河流内的水深低于岸边的水深，随着降雨开始，河流和岸边的水深逐步增加（图5（c）、图5（d））。当河道水位超过堤防高度时，发生洪水漫堤现象。之后，进一步根据研究区域的DEM和水动力学模型计算洪水的流向、流速和水深、淹没范围、淹没水深以及淹没历时等关键数据。

2.3.5" 内涝动态预测预警系统

本文结合广东省防洪排涝的实际需求，兼顾大区域模型的构建成本及实现效果，综合考虑管网、河道、水库和泵闸等相关要素，建立了集数据监测、模拟仿真、预测预警、数据展示及决策建议于一体的综合流域内涝动态预测预警系统。该系统利用模型的系统分析和强大预测能力，提高了防汛指挥调度工作的前瞻性和准确性，将传统的被动应急处置模式转换为主动预警和风险防控，为制定防汛排涝方案提供了数据支持。

根据“整体把握，重点防控”的原则，本文为管网及河道模型建设提供了布设水位计、流量计、雨量计的参考依据。利用DEM对全域进行建模，筛选易内涝区域，并针对小范围风险点获取高精度DEM和土地利用数据，以实现成本控制。利用高精度下垫面数据、基础数据、监测数据、雨量数据等对模型进行构建及率定。如图6所示，系统通过各模型的耦合实现城市整体内涝预测预警。该系统模拟降雨强度、地表产汇流、排水系统排水等过程，识别不同雨强条件下的易涝区域，提前进行风险排查与防控，从而有效降低内涝风险。

3" 应用实效

本文将模型应用在广东省某地区，并根据模型预测结果，针对部分内涝积水区域进行了重点诊断排查。结果表明，导致该地区内涝的主要原因包括管网排水能力不足、排水管网破坏淤堵、雨水涵养能力不足等。基于模拟结果和现场实地调查，本文针对典型区域提出了相应的处置建议和改进措施。

3.1" 拓宽排水渠，优化排水系统

在城镇排水工程中，排水渠作为基础设施之一，承担着收集和引导降水的关键任务。迅速排除多余降水，降低洪涝积水的风险，防止因积水造成街道和建筑物的损害。然而，研究区的排水渠系统存在一定的问题。例如，部分路段上游排水渠的断面尺寸为6 500 mm×2 700 mm，而下游的暗涵断面则仅为4 000 mm×2 000 mm。这种断面尺寸的不匹配导致下游暗渠的排水能力不足，发生满溢现象，排水口被淹没，进而阻碍上游排水，导致汇水区出现积水问题。为解决上述问题，应结合区域规划与建设需求，协调相关单位，扩宽受阻排水渠的断面尺寸，提升过水能力，从而提高行洪能力，消除积水隐患，保障防洪排涝安全。

3.2" 整改雨水口，恢复排水路径

在城市更新改造项目中，雨水口的填埋、雨连管的破坏以及下游管道的损坏，导致原有排水管道堵塞、变形，严重影响正常排水功能（图7）。此外，雨污水管道的误接现象也进一步削弱了排涝能力。在部分道路改造工程中，由于路面提升，导致雨水箅子高度增加，沿线路面的雨水收集功能受到影响。针对上述问题，需对施工单位及相关责任单位进行警示，督促其尽快整改，恢复受损管道，以消除积水隐患，保障汛期人民的生命财产安全。

3.3" 规划汇水区，落实配套建设

部分路段的雨水箱涵负责收集沿线两侧地块的雨水，由于汇水面积较大，加之周边文化、商业建筑等建设逐步开发，大面积植被移除，城市硬化面积增大，导致雨水涵养能力下降，地表径流增大。这种变化使得雨水箱涵及下游排水渠在雨天时的排水压力骤增，易导致周边小区及路面出现积水。此外，下游雨水汇入排水渠时，容易引发排水渠上游段壅水，进一步加剧上游小区及路面的积水问题。为有效解决上述问题，应充分考虑地块开发及配套道路建设，重新评估雨水箱涵及其下游排水管渠的整体承载能力，优化排水系统，保障周边居民安全。

4" 结论

本文以广东省某城市街道为研究区域，从模型构建、技术创新、实际应用等方面，探讨了降水、地表产汇流、排水管网运行、河道响应一体化综合预警和防涝体系的实现过程。提出了综合性城市雨洪预测与预警模型，集成实时降雨预测、高精度气象数据和先进的模拟技术，显著提高了城市洪水预测的准确性和预警能力。借助模型的应用，发现了该区域在暴雨条件下的积水内涝原因，及时消除了城市排水系统建设和城市更新过程中存在的隐患，并提出了相应整改措施。同时，本文的研究内容为城市内涝防控和风险管理提供了宝贵的实践经验和建议，有助于应对日益复杂的城市内涝挑战，简要概括如下。

1）通过实时监测和数据整合，提供了关于水流负荷和排水能力的详细信息，对于改善城市排水系统设计和增强系统排水能力具有重要意义，也支持了更加有效的应急响应措施。

2）模型结合了短期降雨预测与先进的模拟技术，基于高精度气象数据和实时监测数据，预测降雨量和强度，为城市洪水管理提供了更为准确的预警。该方法显著提升了对内涝风险的预测准确性，并增强了对未来强降雨事件的应急响应能力。

3）采用的表面径流二维模型和排水网络一维模型的集成，考虑到地形、土地使用和土壤类型等因素，全面模拟了产汇流行为，并对内涝动态有了深入理解，提高了内涝风险评估精度，有助于优化排水系统的设计和管理方案。

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