城市水災害監測及決策支持系統建設及應用

張祖山 李 磊 史大勇

一、系統建設背景

城市化進程的加快與全球氣候變化導致城市遭受突發性強暴雨洪水的幾率加大，給很多城市都帶來了災難和損失。青島市區河流均屬山溪性河流，河流源短水急，河流水量隨季節變化顯著，汛期雨量大，河道水量較大、水位較高。降雨形成徑流迅速，匯入河道后水流強度大、流速快，加之城市下墊面條件的不透水特點，更縮短了洪水的形成時間，增加了水流的強度，在市區形成雨洪內澇，給城市交通、居民出行帶來了很大困難，直接影響正常的生產生活，干擾城市建設的正常進行。

1985年“桃芝”臺風、2005 年“麥莎”臺風和2007年“圣帕”臺風都對青島市內四區的防汛工作帶來了嚴重的影響。臺風暴雨造成216個企業停工，供電、郵電線路被刮斷，橋涵下沉、公路沖毀、樹木傾倒，全市損失總值約6.22億元。市內四區作為青島市的經濟中心，匯集了眾多的外資企業和當地的著名企業，一旦發生大的洪水自然災害，損失不可估量。

近幾年，只要出現中等強度以上的降雨，市區的低洼路段就會形成積水，給城市交通、居民出行帶來了很大困難，而當市區24h降雨量達到250mm以上時，市區大部分路段交通將會陷入癱瘓。因此，準確及時地監測、預報城市雨洪和道路積水情況，對保證正常生產生活不受水災害影響具有重要意義。

二、現狀及存在的問題

截至2013年，青島市城區共有52處雨量站，分別屬市水文局、建委、水利局所有。各單位所采用的雨量觀測儀器及觀測標準不統一，且站點布局不盡合理。城陽區的中部、市北區的西部雨量點偏少，不能滿足城市防洪需要。

三、系統組成內容

1.城市雨量站

新設10處雨量站，雨量站建設采用一體化雨量監測站，主要包括翻斗式雨量計、無限傳輸模塊及太陽能供電系統。降水量觀測任務是用雨量采集儀器進行觀測，資料要求連續完整且滿足精度要求，能為防汛部門提供準確及時的雨情信息。

2.積水點監測站

建設城區低洼地區積水監測站點45處，安裝一體化積水監測設備，監測城區低洼地區、立交橋及鐵路涵洞等地區的積水深度、區域降水量和積水面積，發生大暴雨時可以及時提交發布城區各類低洼地區積水狀況。積水深監測采用目前先進的雷達水位計進行監測，同時采用水文水資源測控終端機進行數據實時采集傳輸，并配置傳感器、太陽能電池板、鋰電池、GPRS/GSM通信模塊等設備。根據現場條件不同，采用不同的傳感器組建監測站。

3.基礎數據庫集成

為了能夠及時有效地判斷洪水等級以及洪水時間需要系統的數據，在分析整理現有的城市水文數據庫、地理、城市管網等基礎數據的基礎上，建立青島市城市暴雨數據庫、地表數字高程模型（DEM）、城市管網的空間布局和屬性數據庫、模型專用數據庫等，繪制青島市區管網數字化圖，在數據庫及系統建設方面分別需要考慮多數據庫集成方案和信息流程結構設計方案。

4.城市水災害模擬及可視化決策支持系統開發

主要包括硬件設備、軟件平臺和應用軟件開發三方面內容。

（1）硬件平臺

城市水災害模擬及可視化決策支持系統建設中心硬件平臺設計配備4臺機架式多路服務器、1臺圖形工作站、1臺網絡交換機、1臺3KVA UPS、1臺計算機、1套視頻監控系統，服務器連接Internet外部網絡采用專線（光纖）方式接入并配備固定公網IP。

（2）軟件平臺

城市水災害模擬及可視化決策支持系統的軟件平臺以支撐應用軟件開發和功能實現為目標。引進美國環保局（EPA）開發的通用的暴雨洪水管理模型SWMM和Wallingford模型。SWMM模型不僅可以用于單次雨洪的模擬，還具有連續模擬雨洪的功能，這對城市排水設計具有重要的意義。城市雨洪模擬模型是根據氣象、水文、水利等專業知識，利用GIS的空間分析技術，結合城市地理數據庫和災害數據庫而建立起來的。城市內澇模型是一個集城市地面高程模型、降雨模型、產匯流模型、排水模型、數學計算模型和GIS的空間分析應用模塊為一體的綜合模型。其中，地面高程模型（DEM）用于模擬城市地面的高低起伏，該模型是城市內澇積水計算和模擬的基礎；降水模型用于模擬和計算城市降雨的空間和時間分布；產匯流模型用于模擬地面徑流的生成過程和匯集過程；排水模型則是用于根據不同的城市排水方式計算城市排水量。幾個模型的綜合計算為城市內澇積水的計算提供了依據。數學計算模型和GIS空間分析應用模塊是整個城市水災害模型的“運行中樞”。數學計算模型提供了包括降水量計算、綜合排水量計算、剩余雨量計算和積水高度計算等關鍵理論和公式。GIS的空間分析應用模塊則為數學模型中涉及的空間問題提供了重要的空間解決方案，同時也為城市內澇積水過程的顯示和模擬提供了強大的支持。另外還需要配備GIS平臺、數據庫、城市數字地圖和防病毒軟件等。

四、應用軟件開發與系統應用

城市水災害模擬及可視化決策支持系統應用軟件由數據接收軟件與應用軟件構成。數據接收軟件主要負責遙測站數據在線接收、解碼、校驗與入庫等功能，系統應用軟件具有基于地理信息系統的數據展示、分析計算、統計、查詢與報表等功能。

1.數據接收軟件

由于系統基于WEBGIS平臺開發，數據庫系統采用支持空間數據的POSTGRE SQL作為數據庫平臺進行設計。

數據接收軟件系統實現功能：通訊組網可在GSM短消息通訊或GPRS通訊之間選擇，接收軟件5分鐘內收齊全部遙測站的雨量、積水等實時數據并具有數據存儲、統計、報表顯示及打印和過程分析功能，如動態雨量水位顯示、柱狀圖、水位過程線等。

2.系統應用軟件

基于SWMM建立市區暴雨徑流模型，將各監測點的降雨量數據通過無線傳輸實時傳輸到遠端計算機中，通過模擬得到研究區域內的匯流和積水情況，將模擬結果與Google Earth連接，實現青島市區降雨量和積水情況的實時監測和可視化，并進行三維顯示。

五、應用系統信息發布

應用軟件支持短信群發和自動傳真兩種緊急情況下信息發布功能。短信群發：中心可通過群發平臺以短信方式自動將預測預警信息按照預案規定發送到相關聯絡人手機中，所有人員收到短信后自動反饋信息給中心。自動傳真：中心可依據預存聯系傳真電話向相關單位自動發送預測預警信息和調度指示文件。兩種方式緊急情況下互相補充。

六、系統建設實現目標

通過該系統的建設，新建青島市城市10處雨量站、45處積水監測站，實現積水路段的雨量、積水深度等水文基本數據的自動采集、整編、顯示、分析與報表，并通過信息中心平臺對外發布。建立青島市暴雨、土地利用、DEM、市區管網空間布局和屬性基礎數據庫，基于SWMM建立市區暴雨徑流模型，將各監測點的降雨量數據通過無線傳輸實時傳輸到遠端計算機中，通過模擬得到研究區域內的匯流和積水情況，將模擬結果與Google Earth連接，實現青島市區降雨量和積水情況的實時監測和可視化并進行三維顯示，提供解決分流、泄洪的方案，以便為城規、防汛提供科學依據和實踐指導■